CN112504176A - 光学面形局部大误差的补偿干涉测量装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学面形局部大误差的补偿干涉测量装置与方法，本发明补偿干涉测量装置包括干涉仪、二维姿态调整平台和三维平移台，所述干涉仪安装固定在二维姿态调整平台上，所述二维姿态调整平台安装固定在三维平移台上，所述干涉仪内部设有探测器以及内部光路系统，所述干涉仪的出光口设有球面镜头，且所述干涉仪的外部光路上安装有针孔板和补偿器，可用于光学面形局部大误差的补偿干涉测量，具有结构简单，光路容易对准的优点；本发明方法基于零位补偿的激光波面干涉原理，测量的分辨率和精度都很高，动态范围大，能测得全口径测量时无法解析的局部大误差，通过多个不同部位的测量数据的拼接，能获得被测镜面上全口径可解析的面形误差。

Description

光学面形局部大误差的补偿干涉测量装置与方法
技术领域
本发明涉及光学精密测量技术领域，具体涉及一种光学面形局部大误差的补偿干涉测量装置与方法。
背景技术
光学零件加工一般经历铣磨、研磨、抛光等几个阶段，其中铣磨阶段采用数控成型方法加工出最接近理想面形的球面或非球面，面形误差通常为10μm量级；抛光阶段则基于面形误差高点可控去除的确定性修形原理，将1μm量级的面形误差逐步减小到亚微米甚至纳米级；研磨阶段是中间衔接工艺，是决定后续抛光能否高效收敛到高精度的关键。但是研磨加工的确定性远不如抛光加工，特别是复杂面形的局部曲率变化使得研磨盘与被加工面很难贴合，容易出现局部误差很大的情形，例如常见的塌边或翘边问题，以及局部凹坑或突起，对应的误差梯度太大，导致干涉条纹太密甚至不可见，远远超出了探测器的Nyquist(奈奎斯特)采样频率，干涉仪无法解析。也就是说，在研磨加工后期，经常会遇到边缘或局部误差无法解析，甚至无法判断面形误差是高点还是低点的问题，使得无法顺利衔接到后续的抛光阶段。目前的解决办法还是依靠坐标测量来辅助判断，但坐标测量的分辨率和精度都达不到要求，效果很差。或者猜测为误差高点或低点进行试加工，然后根据加工效果判断，这种“盲抛”方式风险很大，容易造成误加工，导致局部误差变大，加工过程无法继续收敛，需要返工进入光顺工序。因此，大误差无法解析问题已经成为制约复杂面形加工进度的技术瓶颈。
薛帅等在论文“Shuai Xue,Shanyong Chen,Zhanbin Fan,and DedeZhai.Adaptive wavefront interferometry for unknown free-form surfaces,OpticsExpress,26(17):21910-21928,2018”中公开了一种使用空间光调制器作为自适应补偿器的干涉测量方法，可对加工过程中产生的动态演变的误差进行测量，但受空间光调制器的调制能力限制，测量动态范围较小，精度也只有λ/30(均方根)，且需要复杂算法经过多次迭代优化才能将不可解析的密集干涉条纹变成可以解析的稀疏条纹，测量效率偏低。
发明内容
本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种光学面形局部大误差的补偿干涉测量装置与方法，本发明光学面形局部大误差的补偿干涉测量装置可用于光学面形局部大误差的补偿干涉测量，具有结构简单，光路容易对准的优点；本发明方法基于零位补偿的激光波面干涉原理，测量的分辨率和精度都很高，动态范围大，能测得全口径测量时无法解析的局部大误差，通过多个不同部位的测量数据的拼接，能获得被测镜面上全口径可解析的面形误差。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种光学面形局部大误差的补偿干涉测量装置，包括干涉仪、二维姿态调整平台和三维平移台，所述干涉仪安装固定在二维姿态调整平台上，所述二维姿态调整平台安装固定在三维平移台上，所述干涉仪内部设有探测器以及内部光路系统，所述干涉仪的出光口设有球面镜头，且所述干涉仪的外部光路上安装有针孔板和补偿器。
可选地，所述二维姿态调整平台包括相互连接的俯仰平台和偏摆平台，所述俯仰平台和偏摆平台两者中的一者与干涉仪连接固定、另一者与三维平移台连接固定。
可选地，所述三维平移台包括按照指定顺序依次相连的Z向调焦平台、X向平移台和Y向升降台，所述Z向调焦平台、X向平移台和Y向升降台三者中位于顶部的其一与二维姿态调整平台连接固定。
可选地，所述补偿器为CGH补偿器，所述补偿器33上设有测试全息区域、对准全息区域和标记全息区域。
此外，本发明还提供一种光学面形局部大误差的补偿干涉测量装置的应用方法，包括：
S1：利用补偿器上的对准全息区域和标记全息区域，调整补偿器、被测镜面的空间位置和姿态，使得补偿器和被测镜面按照光学设计模型对准干涉仪及其探测器以及内部光路系统、球面镜头，满足零位补偿干涉测量条件，此时测试光束对准被测镜面的几何中心区域，且测试光束覆盖被测镜面的全口径范围，测量被测镜面全口径的面形误差得到被测镜面全口径的面形误差数据并保存；
S2：插入针孔板，使球面镜头的焦点位于针孔板的针孔内；
S3：保持补偿器和被测镜面不动，调整内部光路系统的光学变倍功能或更换更大f数的球面镜头，将局部干涉图变倍成像到探测器的像面上；
S4：通过二维姿态调整平台和三维平移台组合调整实现干涉仪及其探测器以及内部光路系统、球面镜头一起绕球面镜头的焦点转动，使得测试光束聚焦光斑通过针孔后，对准被测镜面上局部大误差的区域，此时局部大误差的干涉图中的干涉条纹变得可解析；
S5：撤去针孔板，测量局部大误差的测量数据并保存；
S6：跳转执行步骤S2直至所有待测的局部大误差均已完成测量并保存；
S7：利用子孔径拼接算法将被测镜面全口径的面形误差数据与局部大误差的测量数据拼接在一起，得到局部大误差可解析的全口径面形误差。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明光学面形局部大误差的补偿干涉测量装置包括干涉仪、二维姿态调整平台和三维平移台，干涉仪安装固定在二维姿态调整平台上，二维姿态调整平台安装固定在三维平移台上，干涉仪内部设有探测器以及内部光路系统，干涉仪的出光口设有球面镜头，且干涉仪的外部光路上安装有针孔板和补偿器，通过二维姿态调整平台和三维平移台可实现精确的位置调整，结合针孔板和补偿器，可用于光学面形局部大误差的补偿干涉测量，具有结构简单，光路容易对准的优点。
2、本发明光学面形局部大误差的补偿干涉测量装置的应用方法基于零位补偿的激光波面干涉原理，测量的分辨率和精度都很高，动态范围大，能测得全口径测量时无法解析的局部大误差，通过多个不同部位的测量数据的拼接，能获得被测镜面上全口径可解析的面形误差。
附图说明
图1是本发明实施例中补偿干涉测量装置的结构示意图。
图2是本发明实施例中CGH补偿器上不同功能全息区域划分示意图。
图3是本发明实施例中补偿干涉测量装置进行测量的方法的流程图。
图4是本发明实施例中局部大误差测量结果。
图5是本发明实施例中测量被测镜面上局部大误差时的调整状态示意图。
图6是本发明实施例中针孔板用于对准测试光束光斑的示意图。
图例说明：11、干涉仪；12、探测器；13、内部光路系统；14、球面镜头；15、光轴；16、针孔板；161、针孔；162、测试光束聚焦光斑；21、二维姿态调整平台；22、三维平移台；211、俯仰平台；212、偏摆平台；221、Z向调焦平台；222、X向平移台；223、Y向升降台；31、焦点；32、测试光束；33、补偿器；331、测试全息区域；332、对准全息区域；333、标记全息区域；34、被测镜面；35、被测镜面几何中心附近；36、被测镜面上局部大误差的区域；41、全口径测量的干涉图；42、全口径测量数据；43、局部大误差的干涉图；44、局部大误差的测量数据；45、全口径面形误差。
具体实施方式
如图1所示，本实施例光学面形局部大误差的补偿干涉测量装置包括干涉仪11、二维姿态调整平台21和三维平移台22，干涉仪11安装固定在二维姿态调整平台21上，二维姿态调整平台21安装固定在三维平移台22上，干涉仪11内部设有探测器12以及内部光路系统13，干涉仪11的出光口设有球面镜头14，且干涉仪11的外部光路上安装有针孔板16和补偿器33。通过二维姿态调整平台21和三维平移台22，可调节干涉仪11及其探测器12和内部光路系统13、球面镜头14一起绕球面镜头14的焦点31转动。
参见图1，其中二维姿态调整平台21包括相互连接的俯仰平台211和偏摆平台212，俯仰平台211和偏摆平台212两者中的一者与干涉仪11连接固定、另一者与三维平移台22连接固定，用于实现绕垂直于干涉仪11的光轴15的X和Y轴的二维姿态调整。
本实施例中，俯仰平台211和偏摆平台212均包括一对可相对滑动的弧形滑动导轨，且俯仰平台211和偏摆平台212两者之间的弧形滑动导轨的轴线相互垂直。俯仰平台211和偏摆平台212的弧形滑动导轨之间均设有锁紧装置以提高位置调节的可靠性。例如作为一种可选的实施方式，该锁紧装置为设于一块弧形滑动导轨的内螺纹孔中、可转动伸缩的锁紧螺栓，将该锁紧螺栓伸出卡紧另一块弧形滑动导轨可实现锁紧定位，将该锁紧螺栓缩回即可使得两块弧形滑动导轨之间可发生相对运动。
参见图1，其中三维平移台22包括按照指定顺序依次相连的Z向调焦平台221、X向平移台222和Y向升降台223，Z向调焦平台221、X向平移台222和Y向升降台223三者中位于顶部的其一与二维姿态调整平台21连接固定，用于实现X、Y和Z轴的空间三维平移调整。Z向调焦平台221、X向平移台222和Y向升降台223三者的连接顺序可以根据需要进行任意排列组合，都可以实现X、Y和Z轴的空间三维平移调整。Z向调焦平台221、X向平移台222和Y向升降台223均包含一组滑动导轨及滑块，X向平移台222的滑块的滑动方向为X轴方向，Y向升降台223的滑块的滑动方向为Y轴方向，Z向调焦平台221的滑块的滑动方向为Z轴方向，且滑动导轨及滑块设有锁紧装置以提高位置调节的可靠性。例如作为一种可选的实施方式，该锁紧装置为设于一块弧形滑动导轨的内螺纹孔中、可转动伸缩的锁紧螺栓，将该锁紧螺栓伸出卡紧另一块弧形滑动导轨可实现锁紧定位，将该锁紧螺栓缩回即可使得两块弧形滑动导轨之间可发生相对运动。
作为一种可选的实施方式，如图2所示，本实施例中补偿器33为CGH补偿器，补偿器33上设有测试全息区域331(图中带有标记T)、对准全息区域332(图中带有标记A)和标记全息区域333(图中包括F1-F4一共四个标记全息区域333)，分别用于被测镜面像差补偿、对准CGH与干涉仪、对准被测镜面与CGH。此外，本实施例光学面形局部大误差的补偿干涉测量装置还可以采用其他方式的补偿干涉测量。
本实施例光学面形局部大误差的补偿干涉测量装置在工作时，干涉仪11发出的测试光束经球面镜头14后汇聚于球面镜头14的焦点31，再经补偿器33后以法向入射被测镜面34，经被测镜面34反射后经原路返回干涉仪11并与参考光束干涉；内部光路系统13将干涉图成像到探测器12的像面上，内部光路系统13可包含光学变倍功能，将局部干涉图变倍成像到探测器12的像面上；也可以更换更大f数的干涉仪球面镜头14，将局部干涉图变倍成像到探测器12的像面上。
如图3所示，本实施例还提供一种前述补偿干涉测量装置的应用方法，包括：
S1：利用补偿器33上的对准全息区域和标记全息区域，调整补偿器33、被测镜面34的空间位置和姿态，使得补偿器33和被测镜面34按照光学设计模型对准干涉仪11及其探测器12以及内部光路系统13、球面镜头14，满足零位补偿干涉测量条件，此时测试光束对准被测镜面34的几何中心区域35，且测试光束覆盖被测镜面34的全口径范围，测量被测镜面34全口径的面形误差得到被测镜面34全口径的面形误差数据42并保存，参见图4；
S2：插入针孔板16，使球面镜头14的焦点位于针孔板16的针孔161内；
S3：保持补偿器33和被测镜面34不动，调整内部光路系统13的光学变倍功能或更换更大f数的球面镜头14，将局部干涉图变倍成像到探测器12的像面上；
S4：如图5所示，通过二维姿态调整平台21和三维平移台22组合调整实现干涉仪11及其探测器12以及内部光路系统13、球面镜头14一起绕球面镜头14的焦点31转动，如图6所示，使得测试光束聚焦光斑162通过针孔161后，对准被测镜面34上局部大误差的区域36，此时局部大误差的干涉图43中的干涉条纹变得可解析；
S5：撤去针孔板16，测量局部大误差的测量数据44并保存；
S6：跳转执行步骤S2直至所有待测的局部大误差均已完成测量并保存；
S7：利用子孔径拼接算法将被测镜面34全口径的面形误差数据42与局部大误差的测量数据44拼接在一起，得到局部大误差可解析的全口径面形误差45。
步骤S7中的子孔径拼接算法可以根据需要采用现有的子孔径拼接算法，例如作为一种可选的实施方式，本实施例中采用的子孔径拼接算法为论文“Shanyong Chen,ShengyiLi,and Yifan Dai.Subaperture Stitching Interferometry:Jigsaw Puzzles in 3DSpace.Spotlight vol.SL15,SPIE Press.18May 2016”中公开的子孔径拼接算法。
需要说明的是，本实施例补偿干涉测量装置及其应用方法也适用于使用透镜式补偿器、反射式补偿器或折反射式等其他形式的补偿器的情形，此时因为没有对准全息区域可供光路的对准装调用，可借助其他手段如激光跟踪仪或经纬仪等进行光路对准。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种光学面形局部大误差的补偿干涉测量装置，其特征在于，包括干涉仪(11)、二维姿态调整平台(21)和三维平移台(22)，所述干涉仪(11)安装固定在二维姿态调整平台(21)上，所述二维姿态调整平台(21)安装固定在三维平移台(22)上，所述干涉仪(11)内部设有探测器(12)以及内部光路系统(13)，所述干涉仪(11)的出光口设有球面镜头(14)，且所述干涉仪(11)的外部光路上安装有针孔板(16)和补偿器(33)。
2.根据权利要求1所述的光学面形局部大误差的补偿干涉测量装置，其特征在于，所述二维姿态调整平台(21)包括相互连接的俯仰平台(211)和偏摆平台(212)，所述俯仰平台(211)和偏摆平台(212)两者中的一者与干涉仪(11)连接固定、另一者与三维平移台(22)连接固定。
3.根据权利要求1所述的光学面形局部大误差的补偿干涉测量装置，其特征在于，所述三维平移台(22)包括按照指定顺序依次相连的Z向调焦平台(221)、X向平移台(222)和Y向升降台(223)，所述Z向调焦平台(221)、X向平移台(222)和Y向升降台(223)三者中位于顶部的其一与二维姿态调整平台(21)连接固定。
4.根据权利要求1所述的光学面形局部大误差的补偿干涉测量装置，其特征在于，所述补偿器(33)为CGH补偿器，所述补偿器33上设有测试全息区域(331)、对准全息区域(332)和标记全息区域(333)。
5.根据权利要求1～4中任意所述的光学面形局部大误差的补偿干涉测量装置的应用方法，其特征在于，包括：
S1：利用补偿器(33)上的对准全息区域和标记全息区域，调整补偿器(33)、被测镜面(34)的空间位置和姿态，使得补偿器(33)和被测镜面(34)按照光学设计模型对准干涉仪(11)及其探测器(12)以及内部光路系统(13)、球面镜头(14)，满足零位补偿干涉测量条件，此时测试光束对准被测镜面(34)的几何中心区域(35)，且测试光束覆盖被测镜面(34)的全口径范围，测量被测镜面(34)全口径的面形误差得到被测镜面(34)全口径的面形误差数据(42)并保存；
S2：插入针孔板(16)，使球面镜头(14)的焦点位于针孔板(16)的针孔(161)内；
S3：保持补偿器(33)和被测镜面(34)不动，调整内部光路系统(13)的光学变倍功能或更换更大f数的球面镜头(14)，将局部干涉图变倍成像到探测器(12)的像面上；
S4：通过二维姿态调整平台(21)和三维平移台(22)组合调整实现干涉仪(11)及其探测器(12)以及内部光路系统(13)、球面镜头(14)一起绕球面镜头(14)的焦点(31)转动，使得测试光束聚焦光斑(162)通过针孔(161)后，对准被测镜面(34)上局部大误差的区域(36)，此时局部大误差的干涉图(43)中的干涉条纹变得可解析；
S5：撤去针孔板(16)，测量局部大误差的测量数据(44)并保存；
S6：跳转执行步骤S2直至所有待测的局部大误差均已完成测量并保存；
S7：利用子孔径拼接算法将被测镜面(34)全口径的面形误差数据(42)与局部大误差的测量数据(44)拼接在一起，得到局部大误差可解析的全口径面形误差(45)。
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