CN109839086A - 一种变形镜刚体位移误差测量的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变形镜刚体位移误差测量的方法及装置，方法包括如下步骤：测量连接在变形镜圆周边缘的平面的面形数据，并得出变形镜的刚体位移数据θ_x和θ_y；测量变形镜通光区域内的凸面/凹面的面形数据，并得出变形镜的刚体位移整体数据X/θ_y和Y/θ_x；根据变形镜的刚体位移数据θ_x和θy及刚体位移整体数据X/θ_y和Y/θ_x，计算出变形镜的变形量X和Y及刚体位移量θ_x和θ_y。本方法和装置可用于测量变形和刚体位移耦合在一起的变形镜的多自由度，解决了刚体变形和位移相互耦合难以测量的难题，并具有测量准确可靠、精度高等优点。

Description

一种变形镜刚体位移误差测量的方法及装置

技术领域

本发明涉及刚体位移的测量方法，具体涉及一种变形镜刚体位移误差测量的方法及装置。

背景技术

力驱动的变形镜具有补偿行程大，补偿精度高，实时性好等优点，在光学系统的像差补偿领域尤其是热像差补偿方面具有重要的应用。

变形镜使用过程中需要满足行程、精度、响应时间、耦合面形误差、耦合刚体位移误差等多项性能指标，其中如何分离变形镜的变形和刚体位移，如何分离得到变形镜的X/Y/θ_x/θ_y各项刚体位移指标具有重要的意义。

现有的位移测量方法，主要包括多点测量方法和整面测量方法。其中多点测量方法，利用读数头和平面光栅测量得到测量区域的里自由度位姿。整面干涉测量方法，激光器发出的激光光束经扩束器和反射镜后平行入射至二维参考微光学阵列，在所述二维参考微光学阵列元件的焦平面处汇聚成点光源，点光源发出的光束经二维测量微光学阵列元件平行射至聚焦透镜，经聚焦透镜出射的光束在二维面阵探测器上成像。

现有的位移测量方法主要对刚体的刚体位移测量，难以适用于变形和刚体位移耦合在一起的变形镜多自由度测量。

发明内容

本申请提供一种能够测量出变形镜各个刚体位移量的变形镜刚体位移误差测量的方法及装置。

根据第一方面，一种实施例中提供一种变形镜刚体位移误差测量的方法，包括如下步骤：

S001：测量连接在变形镜圆周边缘的平面的面形数据，并得出变形镜的刚体位移数据θ_x和θ_y；

S002：测量变形镜通光区域内的凸面/凹面的面形数据，并得出变形镜的刚体位移整体数据X/θ_y和Y/θ_x；

S003：根据变形镜的刚体位移数据θ_x和θ_y及刚体位移整体数据X/θ_y和Y/θ_x，计算出变形镜的变形量X和Y及刚体位移量θ_x和θ_y。

进一步地，在步骤S001中，干涉仪上安装平面标准具测量连接在变形镜圆周边缘的平面的面形数据，并根据Zernike系数Z2和Z3项获得反映变形镜刚体位移数据θ_x和θ_y，其Z2为倾斜x项，Z3为倾斜y项。

进一步地，在步骤S002中，干涉仪上更换球面标准具测量变形镜通光区域内的凸面/凹面的面形数据，并根据Zernike系数Z2和Z3项获得反映变形镜刚体位移整体数据X/θ_y和Y/θ_x。

根据第二方面，一种实施例中提供一种变形镜刚体位移误差测量的装置，包括：

可变形镜框，其中部具有用于安装变形镜的安装架，变形镜的圆周边缘连接有用于测量的平面；

驱动器，其安装在可变形镜框上，用于驱动可变形镜框变形；

以及干涉仪，其安装有平面标准具或球面标准具，用于测量变形镜圆周边缘的平面和通过区域内凸面/凹面的面形数据。

进一步地，变形镜的圆周边缘连接有一个环形平面，并且两者为一体式结构。

进一步地，驱动器具有四个，四个驱动器均匀安装在可变形镜框上的一个圆周上，并且分为两组，其中位于直线上的两个驱动器为一组，两组驱动器分别安装在可变形镜框相反的两个面上。

进一步地，还包括位移传感器，每个驱动器对应设置有一个位移传感器。

依据上述实施例的变形镜刚体位移误差测量的方法及装置，由于在变形镜圆周边缘上增加了测量专用平面，先通过测量该平面可得出变形镜的刚体位移数据，再测量变形镜通光区域内凸面/凹面，得出变形镜的刚体位移整体数据，结合测量的两组数据可计算出变形镜的各刚体位移量和变形量。故本方法和装置可用于测量变形和刚体位移耦合在一起的变形镜的多自由度，解决了刚体变形和位移相互耦合难以测量的难题，并具有测量准确可靠、精度高等优点。

附图说明

图1为测量装置的结构示意图；

图2为测量装置安装有变形镜的结构示意图；

图3为测量装置另一侧面的结构示意图；

图4为圆周边缘连接有平面的变形镜的结构示意图；

图5为测量方法的流程图；

图6为Zernike系数Z2与球面倾斜关系示意图；

图7为Zernike系数Z2与球面偏心关系示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例一：

本实施例提供了一种变形镜刚体位移误差测量的装置，本装置主要用于对变形镜进行变形测量，为光学系统提供补充数据。

如图1至图4所示，本实施的变形镜刚体位移误差测量的装置主要包括可变形镜框1、驱动器2和干涉仪(图中未示出)。

可变形镜框1为一个环形框架结构，中间具有一个通孔，通孔的边缘设有若干个沿着轴向延伸的支撑脚，支撑脚围成一圈形成安装架，变形镜3安装在可变形镜框1的安装架上。

本实施例中安装的变形镜3圆周边缘连接有一个环形的平面4，平面4与变形镜3位一体式结构，平面4为测量专用平面。

驱动器2具有四个，四个驱动器2均匀安装在可变形镜框1上的一个圆周上，并且分为两组，其中位于直线上的两个驱动器1为一组，两组驱动器2分别安装在可变形镜框1相反的两个面上。位于可变形镜框1两侧的驱动器2可实现对可变形镜框1不同变形的驱动调整。

本实施例的装置还包括位移传感器5，位移传感器5具有四个，分别安装在四个驱动器2的对应位置，一个位移传感器5用于检测一个驱动器2的驱动位移。

干涉仪上可安装有平面标准具或球面标准具。安装有平面标准具的干涉仪为平面干涉仪，可用于对平面进行测量；安装有球面标准具的干涉仪为球面干涉仪，可用于对球面进行测量。

本实施例提供的一种变形镜刚体位移误差测量的装置，可对变形镜圆周边缘上的平面进行测量和对变形镜通光区域内的凸面/凹面进行测量，得到相应的面形数据，再根据测量数据分离计算出变形镜的各刚性位移量，解决了各刚体变形和位移相互耦合难以测量的难题，并具有测量准确可靠、精度高等优点。

实施例二：

本实施例提供了一种变形镜刚体位移误差测量的方法，本方法可对变形和刚体位移耦合在一起的变形镜的多自由度进行测量。本方法也可用于需要进行像质动态补偿的高性能光学系统中，实现测量补偿。

本方法在上述实施例一的装置的基础上实现。

如图5所示，本实施例的变形镜刚体位移误差测量的方法主要包括如下步骤：

S001：测平面数据；

为了测量变形镜的多个自由度，首先在变形镜3圆周边缘连接有一个用于测量的环形的平面4，平面4与变形镜3为一体式结构，平面4随着变形镜3变形而变形。

变形镜变形后，干涉仪上先安装平面标准具，对变形镜圆周边缘的平面4进行测量，测量该平面的平面数据，再根据Zernike系数Z2和Z3项获得反映变形镜刚体位移数据θ_x和θ_y，其Z2为倾斜x项，Z3为倾斜y项。

S002：测凸面/凹面数据；

干涉仪上更好安装球面标准具，对变形镜3通光区域内的凸面/凹面进行测量，测量出该凸面/凹面的平面数据，再根据Zernike系数Z2和Z3项获得反映变形镜刚体位移整体数据X/θ_y和Y/θ_x。即变形镜3的两个刚体位移整理数据分别包含X和θ_y两个变量，及包含Y和θ_x两个变量。

S003：计算各刚体位移量。

通过干涉仪先后测量变形镜3圆周边缘的平面4和变形镜3通光区域的凸面/凹面后，得到变形镜3的刚体位移数据θ_x和θ_y，及刚体位移整体数据X/θ_y和Y/θ_x，两组数据，再通过算法分离计算出变形镜3的变形量X和Y。从而本方法可测量计算出变形镜3的变形量X和Y及刚体位移量θ_x和θ_y。

其中算法分离计算变形镜的变形量X和Y，具体如下：

干涉仪测量变形镜3通光区域内的凸面/凹面时，通过Zernike系数Z2和Z3项获得的倾斜量主要由两部分构成，一部分是由刚体倾斜引入的倾斜量，另一是由刚体偏心引入的倾斜量，下面以Zernike系数Z2为例进行说明。

图6所示为Zernike系数Z2与球面倾斜关系示意图。由图中几何关系可知

tilt_rigidtilt＝2a/D

θ＝a/s

cosβ＝D/2s

于是可以得到

tilt_rigidtilt＝θ/cosβ

其中，θ为球面的刚体倾斜，可以通过安装有平面标准具的干涉仪对测量变形镜3圆周边缘的平面4进行干涉测量获得。

图7所示为Zernike系数Z2与球面偏心关系示意图。由图中几何关系可知

tilt_rigiddecent＝2b/D

于是可以得到

tilt_rigiddecent＝X/R

其中，X为球面的刚体倾斜。

因此，由球面干涉仪得到的总倾斜X/θ_y为

tilt＝tilt_rigidtilt+tilt_rigiddecent＝θ/cosβ+X/R

于是得到刚体偏心变形量X为

X＝(tilt-θ/cosβ)R

上式中，刚体倾斜θ可由平面干涉仪测量平面4得到，X/θ_y可由球面干涉仪测量变形镜3通光区域内的凸面/凹面得到，cosβ和R可由镜片几何参数得到。

根据上述算法，根据安装有平面标准具的干涉仪对变形镜3圆周边缘的平面4进行测量得到的Zernike系数Z2项，以及安装有球面标准具的干涉仪对变形镜3变形镜通光区域的凸面/凹面进行测量得到的Zernike系数Z2项，可以分离得到变形镜3的变形量X和刚体位移量θ_y。

再根据安装有平面标准具的干涉仪对变形镜3圆周边缘的平面4进行测量得到的Zernike系数Z3项，以及安装有球面标准具的干涉仪对变形镜3通光区域的凸面/凹面进行测量得到的Zernike系数Z3项，可以分离得到变形镜3的变形量Y和刚体位移量θ_x。因此通过对测量变形镜3圆周边缘的平面4和变形镜通光区域的凸面/凹面进行测量可以获得X/Y/θ_x/θ_y各刚体位移的数值大小。

本实施例提供的一种变形镜刚体位移误差测量的方法，由于在变形镜3圆周边缘上增加了测量专用平面4，先通过测量该平面可得出变形镜的刚体位移数据，再测量变形镜3通光区域内凸面/凹面，得出变形镜3的刚体位移整体数据，结合测量的两组数据可计算出变形镜3的各刚体位移量和变形量。故本方法和装置可用于测量变形和刚体位移耦合在一起的变形镜的多自由度，解决了刚体变形和位移相互耦合难以测量的难题，并具有测量准确可靠、精度高等优点。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (7)

1.一种变形镜刚体位移误差测量的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S001：测量连接在变形镜圆周边缘的平面的面形数据，并得出变形镜的刚体位移数据θ_x和θ_y；

S002：测量变形镜通光区域内的凸面/凹面的面形数据，并得出变形镜的刚体位移整体数据X/θ_y和Y/θ_x；

S003：根据变形镜的刚体位移数据θ_x和θy及刚体位移整体数据X/θ_y和Y/θ_x，计算出变形镜的变形量X和Y及刚体位移量θ_x和θ_y。

2.如权利要求1所述的变形镜刚体位移误差测量的方法，其特征在于，在步骤S001中，干涉仪上安装平面标准具测量连接在变形镜圆周边缘的平面的面形数据，并根据Zernike系数Z2和Z3项获得反映变形镜刚体位移数据θ_x和θ_y，其Z2为倾斜x项，Z3为倾斜y项。

3.如权利要求2所述的变形镜刚体位移误差测量的方法，其特征在于，在步骤S002中，干涉仪上更换球面标准具测量变形镜通光区域内的凸面/凹面的面形数据，并根据Zernike系数Z2和Z3项获得反映变形镜刚体位移整体数据X/θ_y和Y/θ_x。

4.一种变形镜刚体位移误差测量的装置，其特征在于，包括：

可变形镜框，其中部具有用于安装变形镜的安装架，所述变形镜的圆周边缘连接有用于测量的平面；

驱动器，其安装在所述可变形镜框上，用于驱动可变形镜框变形；

以及干涉仪，其安装有平面标准具或球面标准具，用于测量变形镜圆周边缘的平面和通过区域内凸面/凹面的面形数据。

5.如权利要求4所述的变形镜刚体位移误差测量的装置，其特征在于，所述变形镜的圆周边缘连接有一个环形平面，并且两者为一体式结构。

6.如权利要求4所述的变形镜刚体位移误差测量的装置，其特征在于，所述驱动器具有四个，四个所述驱动器均匀安装在可变形镜框上的一个圆周上，并且分为两组，其中位于直线上的两个所述驱动器为一组，两组所述驱动器分别安装在所述可变形镜框相反的两个面上。

7.如权利要求6所述的变形镜刚体位移误差测量的装置，其特征在于，还包括位移传感器，每个所述驱动器对应设置有一个所述位移传感器。