CN112504177A - 多功能立式零位重叠扫描干涉测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多功能立式零位重叠扫描干涉测量装置，包括主控单元、驱动控制电路和气浮隔振底座，气浮隔振底座上分别设有立柱和四维运动调整平台，立柱上设有垂直升降轴且垂直升降轴上装有激光波面干涉仪，激光波面干涉仪的光输出通路上设有可拆卸的CGH五维运动组合调整平台，CGH五维运动组合调整平台位于四维运动调整平台的正上方，CGH五维运动组合调整平台、四维运动调整平台的控制端均分别通过驱动控制电路与主控单元相连，激光波面干涉仪的控制端与主控单元相连。本发明能对大口径平面、球面、凸非球面实现高精度、高效率测量，可灵活地对平面、球面以及非球进行零位测量，结合自动化控制实现了大口径光学面形的高效，高精度检测。

Description

多功能立式零位重叠扫描干涉测量装置

技术领域

本发明属于干涉拼接测量领域，具体涉及一种多功能立式零位重叠扫描干涉测量装置，适用于大口径平面、球面、凸非球面的多功能立式零位重叠扫描干涉测量。

背景技术

由于非球面镜在简化光电信息采集系统结构，减轻系统质量等方面的突出作用，非球面光学系统广泛应用于民用和军用的光电仪器中。大口径的凸非球面镜更是作为空间及地基望远镜系统中的次镜，发挥着不可替代的作用。随着非球面镜的大量应用，口径和相对口径越来越大，光学镜面的测量问题也日益凸显。采用波面干涉测量可以精确获得待测镜面的面型误差，但是对于大口径、高陡度的非球面镜而言，干涉仪无法对其进行直接测量，应用无像差点法零位测试或像差补偿测量法则需要比待测镜更大口径的辅助镜或补偿镜，本身也带来极大的检测和制造难题，因此人们想出分区域重叠扫描测量大型光学镜面面形来获得全口径面型误差。

采用这种重叠扫描干涉测量的方法，可遍历大口径球面，得到覆盖被测面的面形信息。也可将单个扫描区域的非球面度减小到干涉仪的垂直测量范围内，用球面干涉仪即可直接解析干涉条纹，可以直接对非球面度不大的非球面进行干涉测量。但是对于一些大口径的高陡度非球面则会划分出上百个重叠扫描区域，大大增加了测量难度。而对单个扫描区域的像差进行补偿实现零位测量则可以大大提高非球面零位补偿的重叠扫描干涉测量的测量范围和检测精度。

美国专利“US 6956657B2”中提出一种可直接对平面、球面以及数十微米离轴量的非球面进行非零位测试的扫描区域拼接工作站(SSI)。SSI由高精度的六轴CNC控制平台和标准的4/6英寸商用斐索干涉仪等组成，成功将干涉测量技术、精确数控技术和拼接算法结合在一起。在用户输入了被测面的口径、曲率半径、选择合适的透射镜头并划分定义了扫描区域布局之后，该工作站可自动控制各运动轴实现扫描区域测量过程中的名义运动，并在扫描区域对准后进行干涉条纹的自动调零，并进行数据的采集和拼接。但该系统测量非球面的能力有限，且只能进行非零位的拼接测量。

牟柯冰等在中国专利申请号“201710111478.5”“立式球面干涉拼接测量装置及其调整方法”的实施方案中提出将干涉仪用支架吊装起来，使干涉仪垂直于地面，使被测球面的轴线与干涉仪出射光的轴线重合，通过调整被测镜实现全口径测量，消除了移动干涉仪带来的误差，同时能够更加快速、准确的完成对被测球面的调整和测量但是该法只能测量球面，并不适用于凸非球面镜。

李圣怡等在中国专利申请号“200710034359.0”(大口径大相对孔径非球面镜中高频误差检测装置与方法)中提出了一种非球面镜中高频误差检测装置与方法，采用五轴运动调整平台实现被测非球面镜上部分区域的干涉测量，采用区域数据拼接算法，补偿测量过程中的六自由度位姿误差、最佳拟合球半径误差以及干涉仪成像的横向比例误差。其中波面干涉仪通过调焦平台实现调焦运动，利用偏摆反射镜将水平测量光路偏摆为竖直方向，被测非球面镜通过三维运动调整平台(两维直线运动和一个绕对称轴的回转运动)实现镜面上不同区域的测量。该装置的主要缺点是偏摆反射镜增加了测量对准难度，引入了测量误差；光路不够灵活，受结构限制，只适用于较小范围的一类非球面镜；另外被测非球面镜参与多个运动调整，不利于保证大型镜面测量的精度和稳定性。

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，提供一种多功能立式零位重叠扫描干涉测量装置，本发明能对大口径平面、球面、凸非球面实现高精度、高效率测量，可灵活地对平面、球面以及非球进行零位测量，结合自动化控制实现了大口径光学面形的高效，高精度检测。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种多功能立式零位重叠扫描干涉测量装置，包括主控单元、驱动控制电路和气浮隔振底座，所述气浮隔振底座上分别设有立柱和用于放置被测元件的四维运动调整平台，所述立柱上设有垂直升降轴且垂直升降轴上装有激光波面干涉仪，所述激光波面干涉仪的光输出通路上设有可拆卸的CGH五维运动组合调整平台，所述CGH五维运动组合调整平台位于四维运动调整平台的正上方，所述CGH五维运动组合调整平台、四维运动调整平台的控制端均分别通过驱动控制电路与主控单元相连，所述激光波面干涉仪的控制端与主控单元相连。

可选地，所述立柱包括底座，所述底座上设有沿竖直方向布置的导轨，所述垂直升降轴安装在导轨上，所述激光波面干涉仪安装在Z轴直线运动平台上。

可选地，所述导轨的顶部设有平衡气缸，所述平衡气缸的中部通过转轴固定在导轨的顶部且可自由转动，所述平衡气缸的一端通过牵引绳与激光波面干涉仪相连、另一端通过牵引绳与导轨或底座相连。

可选地，所述四维运动调整平台包括X轴直线运动轴、Y轴直线运动轴、第一转动轴和第二转动轴，所述X轴直线运动轴、Y轴直线运动轴两者层叠布置形成被测元件的水平面内的两维平移调节机构，所述第一转动轴用于调整被测元件绕中心轴的自转，所述第二转动轴用于调整被测镜的偏摆，所述第一转动轴通过第二转动轴安装在两维平移调节机构上，或者所述第二转动轴通过第一转动轴安装在两维平移调节机构上。

可选地，所述CGH五维运动组合调整平台包括中部带有通孔的三维调整机构，所述三维调整机构在通孔的上侧设有支撑框架，所述三维调整机构在通孔的上侧设有三个球窝，所述球窝中嵌设有三个球头螺钉，所述支撑框架安装在球头螺钉上，所述支撑框架上设有带有对准条纹的全息CGH部件。

可选地，所述三维调整机构包括层叠布置的X轴直线运动轴、Y轴直线运动轴以及Z轴直线运动轴。

此外，本发明还提供一种前述多功能立式零位重叠扫描干涉测量装置的应用方法，包括将大口径平面镜作为被测元件进行测量的步骤：(a)将全息CGH部件从CGH五维运动组合调整平台上移除、激光波面干涉仪安装标准平面镜头，将大口径平面镜置于四维运动调整平台上，首先通过四维运动调整平台的偏摆调整，将大口径平面镜基本调至水平放置，然后微调激光波面干涉仪的标准平面镜头，使激光波面干涉仪输出的平行光束与大口径平面镜垂直；(b)调整四维运动调整平台水平面内X、Y方向的两维平移，使大口径平面镜的不同扫描位置依次与干涉仪的标准平面镜头对准，通过四维运动调整平台的偏摆调整与标准平面镜头的微调，完成大口径平面镜的零位扫描测量。

可选地，还包括将大口径球面镜作为被测元件进行测量的步骤：(a)将全息CGH部件从CGH五维运动组合调整平台上移除、激光波面干涉仪安装标准球面镜头，将大口径球面镜置于四维运动调整平台上，首先调整四维运动调整平台的偏摆，将被测球面镜调至水平；然后调整四维运动调整平台的水平面内X、Y方向的两维平移，同时调整垂直升降轴使激光波面干涉仪沿着Z轴方向升降，观察反射光斑，找到大口径球面镜的表面像；(b)调整四维运动调整平台使大口径球面镜绕中心轴旋转，激光波面干涉仪的反射光斑始终在干涉仪十字交叉线的中间点附近，使得四维运动调整平台的轴线与激光波面干涉仪的标准球面镜头的轴线重合，且都通过大口径球面镜的球心位置；(c)首先调整垂直升降轴使激光波面干涉仪沿Z轴正方向平动，平动距离为大口径球面镜的曲率半径R，微调激光波面干涉仪的Z向距离使反射光斑最小，完成中心区域的扫描测量；再调整四维运动调整平台使大口径球面镜偏摆和绕心旋转，对外围扫描区域进行测量。

可选地，还包括将大口径凸非球面镜作为被测元件进行测量的步骤：(a)将全息CGH部件安装到CGH五维运动组合调整平台上，在测量光路中使用针对大口径凸非球面镜的像差设计的多块全息CGH部件，利用全息CGH部件的光调制功能进行区域像差补偿，激光波面干涉仪选择标准平面镜头，产生标准的平面测量光束经CGH五维运动组合调整平台中的全息CGH部件对像差进行补偿后平面波前被转换为与非球面精确匹配的非球面波前；(b)将大口径凸非球面镜置于四维运动调整台上，全息CGH部件固定于CGH五维运动组合调整平台中，通过对全息CGH部件的五维运动组合调整平台的两维偏心调整和偏摆、俯仰调整实现全息CGH部件与激光波面干涉仪的标准平面镜头的对准，针对全息CGH部件上设计制造的对准条纹，通过各向微调实现对准区域条纹为零，完成了全息CGH部件与激光波面干涉仪的标准平面镜头的对准；全息CGH部件与激光波面干涉仪的标准平面镜头的对准后，通过调整激光波面干涉仪的垂直运动使扫描区域的条纹最少，实现零位测量；(c)通过调整大口径凸非球面镜位置和姿态，使其不同区域对准激光波面干涉仪的标准平面镜头，相应更换与待测区域匹配的全息CGH部件，同样使全息CGH部件与激光波面干涉仪的标准平面镜头对准后，结合激光波面干涉仪和全息CGH部件的垂直运动调整，实现被测非球面的全口径零位重叠扫描测量。

可选地，还包括主控单元实现扫描区域的对准和扫描区域条纹自动解算及调零的步骤：(a)在被测非球面的几何中心建立参考坐标系，在四维运动调整平台的旋转中心建立固接坐标系，确定被测非球面的参数：口径参数D、曲率参数R和厚度参数d等以及扫描区域的划分参数：同一离轴距离的扫描区域几何中心所在圆半径r；(b)利用串联机器人运动学的基本原理，已知干涉仪相对于末端被测非球面的位形，解算各扫描区域定位、对准过程中各轴名义调整运动的运动量和运动方向，并在matlab中编写自动化程序，设计GUI交互窗口，实现测量区域自动准确定位；(c)通过激光波面干涉仪测量得到当前系统像差的Zernike多项式拟合系数，和Zemax光学设计软件中系统仿真得到的理想Zernike多项式系数作差得到像差的变化量，获取扫描区域的像差变化量；(d)在Zemax软件中对当前光学系统测量过程进行建模,对被测非球面引入偏心、倾斜和离焦等微量失调，通过系统仿真获取失调前后的Zernike系数变化量，求解被测非球面失调量和Zernike系数变化量之间的关系，得到两者之间的最小二乘解，该最小二乘解即为系统的灵敏度矩阵；(e)应用最小二乘算法求解实际测量中的像差变化量与灵敏度矩阵数学模型的关系，通过多次迭代与优化求解获得系统的失调量，直至像差收敛至指定精度；将求解得到的失调量通过编程产生驱动信号，进而驱动电机实现扫描区域定位过程名义运动的自动补偿，实现扫描区域的干涉条纹自动调零。

和现有技术相比，本发明具有下述优点：

1、本发明CGH五维运动组合调整平台位于四维运动调整平台的正上方，相对传统的卧式测量光路，采用了改进的立式测量光路，被测镜装夹方便，节约专用夹具设计制造的时间和经济成本、降低装夹变形，装调方便，特别适用于大型光学镜面。

2、本发明激光波面干涉仪的光输出通路上设有可拆卸的CGH五维运动组合调整平台，具备灵活布置测量光路结构，不采用补偿结构时，可对大口径平面和球面直接测量，采用补偿结构时，利用多块CGH进行扫描区域像差补偿实现全口径零位测量，提升了重叠扫描干涉测量的范围和检测精度。

3、本发明装置通过主控单元结合其余部件，能够实现扫描区域的自动对准与调零，大大提高了检测效率。

附图说明

图1为本发明实施例中多功能立式零位重叠扫描干涉测量装置示意图。

图2为本发明实施例中干涉仪垂直运动调整立柱示意图。

图3为本发明实施例中被测元件四维运动调整平台方案图。

图4为本发明实施例中CGH五维运动组合调整平台方案图。

图5为本发明实施例中被测面为平面和球面的测量方案图。

图6为本发明实施例中被测面为非球面的测量方案图。

图7为本发明实施例中系统运动布局简图。

图8为本发明实施例中多功能立式零位重叠扫描干涉测量装置系统框图。

图9为本发明实施例中被测面扫描区域划分方案图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本实施例多功能立式零位重叠扫描干涉测量装置包括主控单元6、驱动控制电路7和气浮隔振底座8，气浮隔振底座8上分别设有立柱9和用于放置被测元件(参见图1中的标号4)的四维运动调整平台5，立柱9上设有垂直升降轴91且垂直升降轴91上装有激光波面干涉仪2，激光波面干涉仪2的光输出通路上设有带有可拆卸的全息CGH部件的CGH五维运动组合调整平台3，CGH五维运动组合调整平台3位于四维运动调整平台5的正上方，CGH五维运动组合调整平台3、四维运动调整平台5的控制端均分别通过驱动控制电路7与主控单元6相连，激光波面干涉仪2的控制端与主控单元6相连。

参见图1，本实施例中的主控单元6采用主控计算机实现，主控计算机上装有辅助装调程序和处理测量数据程序。此外，主控单元6也可以采用嵌入式设备实现。

如图2所示，立柱9包括底座92，底座92上设有沿竖直方向布置的导轨93，垂直升降轴91安装在导轨93上，激光波面干涉仪2安装在Z轴直线运动平台91上。本实施例中，底座92为大理石底座，导轨93为大理石导轨。Z轴直线运动平台91为现有直线运动机构，主要由步进电机、电机座、弹性联轴器、精密滚珠丝杠、丝杠支撑单元、滑块和直线导轨组成，步进电机安装在电机座上，步进电机的输出轴通过弹性联轴器与精密滚珠丝杠相连，精密滚珠丝杠安装在丝杠支撑单元上，精密滚珠丝杠上带有螺纹配合的滑块,滑块滑动布置在直线导轨中，通过步进电机驱动精密滚珠丝杠转动，就会使得滑块、直线导轨之间发生相对移动。本实施例中，Z轴直线运动平台91的Z轴运动精度均达到0.01mm。

如图2所示，导轨93的顶部设有平衡气缸94，平衡气缸94的中部通过转轴固定在导轨93的顶部且可自由转动，平衡气缸94的一端通过牵引绳与激光波面干涉仪2相连、另一端通过牵引绳与导轨93或底座92相连。平衡气缸94在激光波面干涉仪2的垂直运动时起到运动缓冲的作用，同时防止激光波面干涉仪2非正常下滑。

本实施例中四维运动调整平台5可实现X轴、Y轴和两个转动轴的自由度调节。如图3所示，四维运动调整平台5包括X轴直线运动轴51、Y轴直线运动轴52、第一转动轴53(T1轴)和第二转动轴54(T2轴)，X轴直线运动轴51、Y轴直线运动轴52两者层叠布置形成被测元件的水平面内的两维平移调节机构，第一转动轴53用于调整被测元件绕中心轴的自转，第二转动轴54用于调整被测镜的偏摆，第一转动轴53通过第二转动轴54安装在两维平移调节机构上，或者第二转动轴54通过第一转动轴53安装在两维平移调节机构上。两个直线运动轴调整被测镜水平面内的两维平移，转动轴T1调整被测镜绕中心轴的自转，转动轴T2调整被测镜的偏摆，不使用CGH进行补偿时，配合垂直运动的激光波面干涉仪即可完成大口径平面、球面的拼接测量。在配合使用CGH进行扫描区域的像差补偿时，即可完成大口径非球面的重叠扫描干涉拼接测量。其中，X轴直线运动轴51、Y轴直线运动轴52的结构与Z轴直线运动平台91的结构相同。

本实施例中CGH五维运动组合调整平台3可实现三维直线运动和两维俯仰、偏摆运动的调节。如图4所示，CGH五维运动组合调整平台3包括中部带有通孔31的三维调整机构32，三维调整机构32在通孔31的上侧设有支撑框架33，三维调整机构32在通孔31的上侧设有三个球窝，球窝中嵌设有三个球头螺钉34，支撑框架33安装在球头螺钉34上，支撑框架33上设有带有对准条纹的全息CGH部件。通过三个球窝、球头螺钉34的方式，旋转对应的球头螺钉调整其支撑高度可分别实现CGH的俯仰与偏摆运动。同时CGH五维运动组合调整平台3还与激光波面干涉仪2一起固定到垂直升降轴91的升降溜板上，可沿垂直方向同步升降，该一体化结构能较为方便地调整激光波面干涉仪2和全息CGH部件与被测光学镜面之间的轴向距离。

如图4所示，三维调整机构32包括层叠布置的X轴直线运动轴321、Y轴直线运动轴322以及Z轴直线运动轴323。X轴直线运动轴321、Y轴直线运动轴322以及Z轴直线运动轴323的结构与Z轴直线运动平台91的结构相同，运动精度为0.01mm。Z轴直线运动轴323可调整CGH与波面干涉仪镜头之间的相对距离。需要说明的是，X轴直线运动轴321、Y轴直线运动轴322以及Z轴直线运动轴323的堆叠顺序可以根据需要进行选择。

本实施例中，激光波面干涉仪2采用菲索(Fizeau)型6英寸激光波面干涉仪，可根据具体的测量任务选择合适的参考镜(平面镜头或球面镜头组)。

综上所述，本实施例多功能立式零位重叠扫描干涉测量装置的机械结构部分，包括激光波面干涉仪2的垂直升降轴91，以及为了满足重叠扫描测量名义运动调整需要的四维运动调整平台5，包括水平方向的两维平移调整和一个倾斜调整及绕中心轴的自转。全息CGH部件因其可以精确产生任一测量所需波前的特性，被广泛应用于非球面的测量。本实施例装置即利用全息CGH部件的像差补偿能力实现非球面的重叠扫描零位干涉测量，为了全息CGH部件与激光波面干涉仪2之间的对准，CGH五维运动组合调整平台3需要满足两个偏心方向的平移及俯仰、偏摆调整，为适应不同的球面镜头，激光波面干涉仪2与激光波面干涉仪2之间的距离也要可调，因此CGH五维运动组合调整平台3是一个五维的调整机构，且为了测量调整的方便，全息CGH部件可与激光波面干涉仪2沿升降轴同步升降。

此外，本实施例还提供一种前述多功能立式零位重叠扫描干涉测量装置的应用方法，如图5所示，包括将大口径平面镜作为被测元件进行测量的步骤：(a)将全息CGH部件从CGH五维运动组合调整平台3上移除、激光波面干涉仪2安装标准平面镜头，将大口径平面镜置于四维运动调整平台5上，首先通过四维运动调整平台5的偏摆调整，将大口径平面镜基本调至水平放置，然后微调激光波面干涉仪2的标准平面镜头，使激光波面干涉仪2输出的平行光束与大口径平面镜垂直；(b)调整四维运动调整平台5水平面内X、Y方向的两维平移，使大口径平面镜的不同扫描位置依次与干涉仪的标准平面镜头对准，通过四维运动调整平台5的偏摆调整与标准平面镜头的微调，完成大口径平面镜的零位扫描测量。参见图5，针对激光波面干涉仪2选择标准球面镜头a，产生标准球面测量光束b，被测球面c置于四维运动调整平台5上。通过被测球面的两维平动、绕心转动及偏摆运动实现全口径重叠扫描，通过激光波面干涉仪2的垂直运动调整实现调焦，完成零位扫描。

此外，如图6所示，本实施例中还包括将大口径球面镜作为被测元件进行测量的步骤：(a)将全息CGH部件从CGH五维运动组合调整平台3上移除、激光波面干涉仪2安装标准球面镜头，将大口径球面镜置于四维运动调整平台5上，首先调整四维运动调整平台5的偏摆，将被测球面镜调至水平；然后调整四维运动调整平台5的水平面内X、Y方向的两维平移，同时调整垂直升降轴91使激光波面干涉仪2沿着Z轴方向升降，观察反射光斑，找到大口径球面镜的表面像；(b)调整四维运动调整平台5使大口径球面镜绕中心轴旋转，激光波面干涉仪2的反射光斑始终在干涉仪十字交叉线的中间点附近，使得四维运动调整平台5的轴线与激光波面干涉仪2的标准球面镜头的轴线重合，且都通过大口径球面镜的球心位置；(c)首先调整垂直升降轴91使激光波面干涉仪2沿Z轴正方向平动，平动距离为大口径球面镜的曲率半径R，微调激光波面干涉仪2的Z向距离使反射光斑最小，完成中心区域的扫描测量；再调整四维运动调整平台5使大口径球面镜偏摆和绕心旋转，对外围扫描区域进行测量。

参见图6，当对大口径非球面进行零位重叠扫描干涉测量时，应在测量光路中加上CGH五维运动组合调整平台3，补偿元器件为针对被测非球面进行设计的多块全息CGH部件。测量选择标准平面镜头，产生标准的平面测量光束。经CGH五维运动组合调整平台3中的全息CGH部件对像差进行补偿后平面波前被转换为与被测非球面精确匹配的非球面波前完成零位测量。被测非球面置于四维运动调整平台5上，全息CGH部件固定于CGH五维运动组合调整平台3中，通过CGH五维运动组合调整平台3的两维偏心调整和偏摆、俯仰调整实现全息CGH部件与激光波面干涉仪2的标准平面镜头的对准。全息CGH部件上设计制造了对准条纹，通过各向微调实现对准区域条纹为零，即完成了全息CGH部件与激光波面干涉仪2的标准平面镜头的对准。全息CGH部件与激光波面干涉仪2的标准平面镜头的对准后，通过调整干涉仪的垂直运动即可实现零位测量。通过调整被测非球面镜位置和姿态，使待测非球面的不同部分对准干涉仪镜头，相应更换与待测区域匹配的CGH相位板，同样使CGH与干涉仪镜头对准后，结合干涉仪和CGH的垂直运动调整，即可实现被测非球面的全口径零位重叠扫描测量。在非球面的测量中，如采用球面镜头，除上述调整步骤外，全息CGH部件不但需要与标准球面镜头对准，还需调整全息CGH部件与球面镜头之间的相对距离，补偿调整机构中设计有垂直微调机构，可满足不同球面镜头的测量调整需求。

此外，本实施例中还包括将大口径凸非球面镜作为被测元件进行测量的步骤：(a)将全息CGH部件安装到CGH五维运动组合调整平台3上，在测量光路中使用针对大口径凸非球面镜的像差设计的多块全息CGH部件，利用全息CGH部件的光调制功能进行区域像差补偿，激光波面干涉仪2选择标准平面镜头，产生标准的平面测量光束经CGH五维运动组合调整平台3中的全息CGH部件对像差进行补偿后平面波前被转换为与非球面精确匹配的非球面波前；(b)将大口径凸非球面镜置于四维运动调整台5上，全息CGH部件固定于CGH五维运动组合调整平台3中，通过对全息CGH部件的五维运动组合调整平台的两维偏心调整和偏摆、俯仰调整实现全息CGH部件与激光波面干涉仪2的标准平面镜头的对准，针对全息CGH部件上设计制造的对准条纹，通过各向微调实现对准区域条纹为零，完成了全息CGH部件与激光波面干涉仪2的标准平面镜头的对准；全息CGH部件与激光波面干涉仪2的标准平面镜头的对准后，通过调整激光波面干涉仪2的垂直运动使扫描区域的条纹最少，实现零位测量；(c)通过调整大口径凸非球面镜位置和姿态，使其不同区域对准激光波面干涉仪2的标准平面镜头，相应更换与待测区域匹配的全息CGH部件，同样使全息CGH部件与激光波面干涉仪2的标准平面镜头对准后，结合激光波面干涉仪2和全息CGH部件的垂直运动调整，实现被测非球面的全口径零位重叠扫描测量。

此外，如图7所示，本实施例中还包括主控单元6实现扫描区域的对准和扫描区域条纹自动解算及调零的步骤：(a)在被测非球面的几何中心建立参考坐标系，在四维运动调整平台5的旋转中心建立固接坐标系，确定被测非球面的参数：口径参数D、曲率参数R和厚度参数d等以及扫描区域的划分参数：同一离轴距离的扫描区域几何中心所在圆半径r；(b)利用串联机器人运动学的基本原理，已知干涉仪相对于末端被测非球面的位形，解算各扫描区域定位、对准过程中各轴名义调整运动的运动量和运动方向，并在matlab中编写自动化程序，设计GUI交互窗口，实现测量区域自动准确定位；(c)通过激光波面干涉仪2测量得到当前系统像差的Zernike多项式拟合系数，和Zemax光学设计软件中系统仿真得到的理想Zernike多项式系数作差得到像差的变化量，获取扫描区域的像差变化量；(d)在Zemax软件中对当前光学系统测量过程进行建模,对被测非球面引入偏心、倾斜和离焦等微量失调，通过系统仿真获取失调前后的Zernike系数变化量，求解被测非球面失调量和Zernike系数变化量之间的关系，得到两者之间的最小二乘解，该最小二乘解即为系统的灵敏度矩阵；(e)应用最小二乘算法求解实际测量中的像差变化量与灵敏度矩阵数学模型的关系，通过多次迭代与优化求解获得系统的失调量，直至像差收敛至指定精度；将求解得到的失调量通过编程产生驱动信号，进而驱动电机实现扫描区域定位过程名义运动的自动补偿，实现扫描区域的干涉条纹自动调零。

本实施例中多功能立式零位重叠扫描干涉测量装置的系统框图如图8所示。本实施例中控制系统分为重叠扫描自动定位控制和自动调零控制两个部分，根据干涉仪视场和所测面参数，进行扫描区域的划分，确定扫描台目标移动量及拼接方向等拼接参数，通过MATLAB编写自动化程序驱动电机实现扫描区域的快速对准，对准之后，将干涉仪所测面形数据自动保存，并导入失调像差模型求解失调量，进而驱动电机进行名义运动的补偿，实现自动调零。

以口径为320mm、顶点曲率c＝1/1023.762的高次凸非球面为例，使用本多功能立式零位重叠扫描干涉测量装置测量非球面大镜时的操作步骤如下所示：

其矢高方程为：

上式中，z是矢高坐标，r是径向坐标，圆锥常数k＝0，四阶项和六阶项系数分别为A＝1.868×10-10,B＝5.48×10-16。320mm孔径上的非球面度约为34μm。激光波面干涉仪2选择平面镜头组，综合考虑了激光波面干涉仪2的测量口径和扫描区域的有效重叠面积，在保证全口径覆盖的前提下，将待测镜面划分为19个重叠扫描区域：中心扫描区域加上外围两圈扫描区域，第一圈和第二圈分别有扫描区域6个和12个。第一圈上的扫描区域有4°的离轴角，离轴距离为71mm,第二圈上的扫描区域有8°的离轴角，离轴距离为140mm。第一圈和第二圈扫描区域在空间上分别以30°和60°角均匀分布，如图9所示。中心子孔径、第一圈子孔径及第二圈子孔径对应的扫描区域分别需要一块对应的全息CGH部件的进行扫描区域像差的补偿，因此共需要三块全息CGH部件CGH-0～CGH-1。第一步：将被测凸非球面镜安装到四维运动调整平台5上，调整四维运动调整平台5，使激光波面干涉仪2发出的测试光束透射过CGH后能够入射到被测镜的中心扫描区域上。CGH相位板的中心φ130mm为测量区域，用于扫描区域的像差补偿，φ130-φ140mm为辅助对准区域，刻有对准条纹，调整CGH五维运动组合调整平台3使全息CGH部件与激光波面干涉仪2对准。第二步：激光波面干涉仪2发出的测试光束经被测凸非球面镜反射后回到激光波面干涉仪2，并与激光波面干涉仪2内部的参考光束发生干涉，调整被测镜及激光波面干涉仪2的位姿使干涉条纹为零条纹，完成中心扫描区域的测量，并记录下各运动轴的位置和干涉仪的测量数据。第三步：更换相应的全息CGH部件，同时通过被测镜四维运动调整平台5调整被测镜相对于激光波面干涉仪2的位姿，完成除中心扫描区域外的第一圈及第二圈扫描区域的测量，并记录各运动轴的位置和各扫描区域的测量结果。利用扫描区域拼接与迭代算法对各重叠扫描区域的测量结果进行拼接，即可得到在全口径上包含中高频误差的面形图。

综上所述，本实施例装置可灵活布置测量光路结构，不采用补偿结构时，可对大口径平面和球面直接测量。采用补偿结构时，利用多块计算机生成全息图(ComputerGenerated Holograms，CGH)进行扫描区域像差补偿可实现大口径非球面的全口径零位测量。相应的测量方法为利用被测面参数及扫描区域划分参数，结合机器人运动学，实现扫描区域的自动对准，并根据对准后干涉仪所采集的面形数据自动解算名义运动失调量，对机械运动误差进行补偿，实现干涉条纹的自动调零。该重叠扫描测量装置可灵活地对平面、球面以及非球进行零位测量，结合自动化控制实现了大口径光学面形的高效，高精度检测。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多功能立式零位重叠扫描干涉测量装置，其特征在于，包括主控单元(6)、驱动控制电路(7)和气浮隔振底座(8)，所述气浮隔振底座(8)上分别设有立柱(9)和用于放置被测元件的四维运动调整平台(5)，所述立柱(9)上设有垂直升降轴(91)且垂直升降轴(91)上装有激光波面干涉仪(2)，所述激光波面干涉仪(2)的光输出通路上设有带有可拆卸的全息CGH部件的CGH五维运动组合调整平台(3)，所述CGH五维运动组合调整平台(3)位于四维运动调整平台(5)的正上方，所述CGH五维运动组合调整平台(3)、四维运动调整平台(5)的控制端均分别通过驱动控制电路(7)与主控单元(6)相连，所述激光波面干涉仪(2)的控制端与主控单元(6)相连。

2.根据权利要求1所述的多功能立式零位重叠扫描干涉测量装置，其特征在于，所述立柱(9)包括底座(92)，所述底座(92)上设有沿竖直方向布置的导轨(93)，所述垂直升降轴(91)安装在导轨(93)上，所述激光波面干涉仪(2)安装在Z轴直线运动平台(91)上。

3.根据权利要求2所述的多功能立式零位重叠扫描干涉测量装置，其特征在于，所述导轨(93)的顶部设有平衡气缸(94)，所述平衡气缸(94)的中部通过转轴固定在导轨(93)的顶部且可自由转动，所述平衡气缸(94)的一端通过牵引绳与激光波面干涉仪(2)相连、另一端通过牵引绳与导轨(93)或底座(92)相连。

4.根据权利要求1所述的多功能立式零位重叠扫描干涉测量装置，其特征在于，所述四维运动调整平台(5)包括X轴直线运动轴(51)、Y轴直线运动轴(52)、第一转动轴(53)和第二转动轴(54)，所述X轴直线运动轴(51)、Y轴直线运动轴(52)两者层叠布置形成被测元件的水平面内的两维平移调节机构，所述第一转动轴(53)用于调整被测元件绕中心轴的自转，所述第二转动轴(54)用于调整被测镜的偏摆，所述第一转动轴(53)通过第二转动轴(54)安装在两维平移调节机构上，或者所述第二转动轴(54)通过第一转动轴(53)安装在两维平移调节机构上。

5.根据权利要求1所述的多功能立式零位重叠扫描干涉测量装置，其特征在于，所述CGH五维运动组合调整平台(3)包括中部带有通孔(31)的三维调整机构(32)，所述三维调整机构(32)在通孔(31)的上侧设有支撑框架(33)，所述三维调整机构(32)在通孔(31)的上侧设有三个球窝，所述球窝中嵌设有三个球头螺钉(34)，所述支撑框架(33)安装在球头螺钉(34)上，所述支撑框架(33)上设有带有对准条纹的全息CGH部件。

6.根据权利要求5所述的多功能立式零位重叠扫描干涉测量装置，其特征在于，所述三维调整机构(32)包括层叠布置的X轴直线运动轴(321)、Y轴直线运动轴(322)以及Z轴直线运动轴(323)。

7.一种权利要求1～6中任意一项所述的多功能立式零位重叠扫描干涉测量装置的应用方法，其特征在于，包括将大口径平面镜作为被测元件进行测量的步骤：(a)将全息CGH部件从CGH五维运动组合调整平台(3)上移除、激光波面干涉仪(2)安装标准平面镜头，将大口径平面镜置于四维运动调整平台(5)上，首先通过四维运动调整平台(5)的偏摆调整，将大口径平面镜基本调至水平放置，然后微调激光波面干涉仪(2)的标准平面镜头，使激光波面干涉仪(2)输出的平行光束与大口径平面镜垂直；(b)调整四维运动调整平台(5)水平面内X、Y方向的两维平移，使大口径平面镜的不同扫描位置依次与干涉仪的标准平面镜头对准，通过四维运动调整平台(5)的偏摆调整与标准平面镜头的微调，完成大口径平面镜的零位扫描测量。

8.根据权利要求7所述的多功能立式零位重叠扫描干涉测量装置的应用方法，其特征在于，还包括将大口径球面镜作为被测元件进行测量的步骤：(a)将全息CGH部件从CGH五维运动组合调整平台(3)上移除、激光波面干涉仪(2)安装标准球面镜头，将大口径球面镜置于四维运动调整平台(5)上，首先调整四维运动调整平台(5)的偏摆，将被测球面镜调至水平；然后调整四维运动调整平台(5)的水平面内X、Y方向的两维平移，同时调整垂直升降轴(91)使激光波面干涉仪(2)沿着Z轴方向升降，观察反射光斑，找到大口径球面镜的表面像；(b)调整四维运动调整平台(5)使大口径球面镜绕中心轴旋转，激光波面干涉仪(2)的反射光斑始终在干涉仪十字交叉线的中间点附近，使得四维运动调整平台(5)的轴线与激光波面干涉仪(2)的标准球面镜头的轴线重合，且都通过大口径球面镜的球心位置；(c)首先调整垂直升降轴(91)使激光波面干涉仪(2)沿Z轴正方向平动，平动距离为大口径球面镜的曲率半径R，微调激光波面干涉仪(2)的Z向距离使反射光斑最小，完成中心区域的扫描测量；再调整四维运动调整平台(5)使大口径球面镜偏摆和绕心旋转，对外围扫描区域进行测量。

9.根据权利要求8所述的多功能立式零位重叠扫描干涉测量装置的应用方法，其特征在于，还包括将大口径凸非球面镜作为被测元件进行测量的步骤：(a)在CGH五维运动组合调整平台(3)加上全息CGH部件，在测量光路中使用针对大口径凸非球面镜的像差设计的多块全息CGH部件，利用全息CGH部件的光调制功能进行区域像差补偿，激光波面干涉仪(2)选择标准平面镜头，产生标准的平面测量光束经CGH五维运动组合调整平台(3)中的全息CGH部件对像差进行补偿后平面波前被转换为与非球面精确匹配的非球面波前；(b)将大口径凸非球面镜置于四维运动调整台(5)上，全息CGH部件固定于CGH五维运动组合调整平台(3)中，通过对全息CGH部件的五维运动组合调整平台的两维偏心调整和偏摆、俯仰调整实现全息CGH部件与激光波面干涉仪(2)的标准平面镜头的对准，针对全息CGH部件上设计制造的对准条纹，通过各向微调实现对准区域条纹为零，完成了全息CGH部件与激光波面干涉仪(2)的标准平面镜头的对准；全息CGH部件与激光波面干涉仪(2)的标准平面镜头的对准后，通过调整激光波面干涉仪(2)的垂直运动使扫描区域的条纹最少，实现零位测量；(c)通过调整大口径凸非球面镜位置和姿态，使其不同区域对准激光波面干涉仪(2)的标准平面镜头，相应更换与待测区域匹配的全息CGH部件，同样使全息CGH部件与激光波面干涉仪(2)的标准平面镜头对准后，结合激光波面干涉仪(2)和全息CGH部件的垂直运动调整，实现被测非球面的全口径零位重叠扫描测量。

10.根据权利要求9所述的多功能立式零位重叠扫描干涉测量装置的应用方法，其特征在于，还包括主控单元(6)实现扫描区域的对准和扫描区域条纹自动解算及调零的步骤：(a)在被测非球面的几何中心建立参考坐标系，在四维运动调整平台(5)的旋转中心建立固接坐标系，确定被测非球面的参数：口径参数D、曲率参数R和厚度参数d等以及扫描区域的划分参数：同一离轴距离的扫描区域几何中心所在圆半径r；(b)利用串联机器人运动学的基本原理，已知干涉仪相对于末端被测非球面的位形，解算各扫描区域定位、对准过程中各轴名义调整运动的运动量和运动方向，并在matlab中编写自动化程序，设计GUI交互窗口，实现测量区域自动准确定位；(c)通过激光波面干涉仪(2)测量得到当前系统像差的Zernike多项式拟合系数，和Zemax光学设计软件中系统仿真得到的理想Zernike多项式系数作差得到像差的变化量，获取扫描区域的像差变化量；(d)在Zemax软件中对当前光学系统测量过程进行建模,对被测非球面引入偏心、倾斜和离焦等微量失调，通过系统仿真获取失调前后的Zernike系数变化量，求解被测非球面失调量和Zernike系数变化量之间的关系，得到两者之间的最小二乘解，该最小二乘解即为系统的灵敏度矩阵；(e)应用最小二乘算法求解实际测量中的像差变化量与灵敏度矩阵数学模型的关系，通过多次迭代与优化求解获得系统的失调量，直至像差收敛至指定精度；将求解得到的失调量通过编程产生驱动信号，进而驱动电机实现扫描区域定位过程名义运动的自动补偿，实现扫描区域的干涉条纹自动调零。

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