CN112525099B - 一种大口径平面干涉仪旋转平移法绝对检验的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大口径平面干涉仪旋转平移法绝对检验的装置及方法，该装置包括碳化硅平面反射镜及其承载机构和平移机构；承载机构可以实现碳化硅平面反射镜的360°旋转，平移机构可以实现碳化硅平面反射镜及承载机构在水平方向上的位移。采用8次旋转加1次平移的方法对口径在600mm至2000mm之间的平面干涉仪进行绝对检验，使得绝对检验精度PV值优于百分之一波长。

Description

一种大口径平面干涉仪旋转平移法绝对检验的装置及方法

技术领域

本发明属于光学检测领域，具体涉及一种大口径平面干涉仪旋转平移法绝对检验的装置及方法。

背景技术

测量光学表面面形的方法分为相对检验和绝对检验。相对检验，就是通过相对比较的方法来测量光学表面面形，常用的有光学干涉测量，通过两两平面反射的波面形成的干涉条纹来判读平面的质量，但是此方法受到了参考面面形精度的制约。绝对检验可以实现面形的绝对测量，保证并提高测量的精确性。在对面形要求较高的场合，平面绝对检验可以获得绝对的面形结果，可以很好地将绝对检验的实际数据替换参考面上假设的理想平面数据，提高测量的准确性。

绝对检验方法分为液体平面法、三平晶互检法、两平晶互检法。具体的包括经典三面互检法、Fritz提出的Zernike多项式拟合法、奇偶函数法、两平晶三面互检法、斜入射法、旋转平移法等。

液体平面法是将液体表面作为干涉测量的标准平面。理论上液体表面的曲率半径与地球表面曲率半径相等，在一定的口径范围内可近似认为液体表面为理想的平面，但是液面面形状态较不稳定，在实际测量过程中实验室温度的变化、气流、灰尘等仍然会对液面面形产生影响，并且仅适用于立式干涉仪所以此方法难以在生产中实际应用。

经典的三面互检法采用两个透射平晶A和B，一个参考平晶。测试时，三平晶两两一组分别置于参考面和被测面位置进行干涉测量，其中处于参考面的透射平晶A与B分别与参考平晶进行一次干涉测量，透射平晶A、B沿x轴翻转180后再与参考平晶进行一次测量，可求得轴线上的面形分布。在此基础上增加一次透射平晶或参考平晶的旋转，就可多得一条轴线上的面形分布。以此类推，旋转n次就能求得n条直径上的轮廓误差。要得到整个面的面形，则需进行多次旋转测量，获得全角度轴线上的面形分布。

为获得整个面的面形，在经典三面互检法的基础上，Fritz提出用Zernike多项式对波面进行表征，并增加一次透射平晶的旋转测量。由于Zernike多项式各项与像差相对应的特性，常被作为基底函数对干涉测试波面进行拟合。拟合采用的Zernike多项式项数越多，波面拟合结果越精确。但是采用Zernike多项式拟合波面会丢失面形中的中高频信息，面形恢复结果存在误差。

奇偶函数法同样需要两个透射平晶，一个参考平晶。测试时，参考平晶分别旋转45°，90°，180°，依次进行0°，45°，90°，180°方向上的四次测量。将多次测量结果分解为奇奇、奇偶、偶奇、偶偶函数的组合，其中奇奇函数在极坐标系下又可分解为无穷项不同基频正弦函数的组合，通常取前两项。而后通过翻转或旋转分别求解平面面形的分量。分解奇奇函数并取有限项会不可避免地丢失中高频成分，影响面形恢复结果。

两平晶三面互检法相比经典三面互检法需要一个参考平晶和一个透射平晶。测量时参考平晶置于干涉仪参考位置，分别与透射平晶的前表面、后表面、沿y轴翻转后的后表面以及绕z轴旋转一定角度后的后表面进行四次干涉测量。测量过程中，参考平晶始终没有移动过，改善了三平晶绝对检验中需要反复更换参考镜的问题。

斜入射绝对检验面向口径大于干涉仪的镜面，需要干涉仪自己的参考平晶和透射平晶，同样采用Zernike多项式拟合波面。首先测得参考平晶和透射平晶的面形数据，然后将待测平面镜倾斜插入光路进行干涉测量，接着将参考平晶旋转54°或将待测平面镜旋转54°，进行第三次测量，然后求解面形。

旋转平移法需要一个参考平晶和一个透射平晶。此方法将被测波面分解成旋转对称成分和旋转非对称成分，通过N次旋转透射平晶、每次旋转角度为360°/N，求解波面中的旋转非对称成分；通过平移被测件实现伪剪切，求解波面中的旋转对称成分。与传统绝对检验方法相比，该方法既能够恢复整个波面，又不需要对整个波面进行Zernike多项式拟合，保留了中频成分，降低了拟合误差，提高了面形恢复精度。

一般来说，绝对检验中，干涉仪主机发出的光束透过透射平晶、在参考平晶的工作面上反射，因此透射平晶的两个工作面都很重要、且材料要求透射率高、折射率均匀分布，多由熔石英材料制成。参考平晶只需一个工作面，起反射作用，故本专利提出采用碳化硅平面反射镜作为参考平晶对干涉仪主机和透射平晶进行绝对检验。

在小口径平面镜的绝对检测中，由于镜体自重较小，重力引起的面形变化小，但是对于大口径平面镜而言，镜体自重动辄上百千克，重力引起的面形变化不可忽视，必然会对测量结果产生影响。因此反复安装和旋转平晶都是不太现实的。另一个问题在于，大口径平面镜的加工制造难度大，对于三平晶互检法来说，拥有两个透射平晶的难度高，因此在大口径平面镜的绝对检测中，减少使用透射平晶的数量、减少翻转、旋转次数以降低变形引入的误差是必然趋势。

碳化硅材料具有较高的比刚度、导热系数及热稳定性，在镜体的轻量化方面具有明显的优势，镜面在重力作用下面形变化小，可以进行多次旋转，在较大的温度范围内镜面面形变化小；加之碳化硅材料具有较好的光学加工特性、较低的价格，20世纪80年代就已引起科学研究者的重视。国内中国科学院长春光学精密机械与物理研究所及中国科学院上海硅酸盐研究所已掌握两种大口径轻质碳化硅反射镜的制备方法体系。前者采用凝胶注模成型结合反应烧结制备碳化硅平面反射镜；后者采用压力成型结合常压烧结碳化硅的方法制备反射镜，二者现均已完成口径超过1.45m量级轻质碳化硅平面反射镜镜坯的研制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大口径平面干涉仪旋转平移法绝对检验的装置及方法，解决了大口径平面镜绝对检验过程中，由于镜面自重以及旋转引入的面型误差问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种大口径平面干涉仪旋转平移法绝对检验的装置，包括碳化硅平面反射镜、承载机构和平移机构；其中，碳化硅平面反射镜装夹于承载机构上，承载机构将碳化硅平面反射镜进行360°旋转，承载机构与平移机构连接，平移机构带动承载机构在水平面移动，进而带动碳化硅平面反射镜对大口径平面干涉仪进行绝对检验。

一种基于大口径平面干涉仪旋转平移法绝对检验的装置的检验方法，步骤如下：

步骤1：转动翻转轴，使夹持装置翻转至与水平面平行，将碳化硅平面反射镜置于装置的夹持装置上，旋转碳化硅平面反射镜，使碳化硅平面反射镜的圆周侧壁上的对准刻线对准夹持装置上的0°对准刻线；再次转动翻转轴，使夹持装置及碳化硅平面反射镜翻转至垂直于水平面的位置；通过驱动组件驱动第二导轨带动连接平台和连接平台顶面的承载机构移动至任意一个定位装置处，转入步骤2；

步骤2：共光轴依次设置待测干涉仪主机、透射平晶、碳化硅平面反射镜，转入步骤3；

步骤3：在步骤1移动后的定位装置处进行第一次干涉测量，获得初始位置处的面形数据T(x，y)：

T(x，y)＝W(x，y)+V(x，y)

式中，W(x，y)表示被测波面，V(x，y)表示系统误差，T(x，y)表示干涉测试结果；

其中被测波面W(x，y)又分解为旋转非对称成分W^AS(x，y)和旋转对称成分W^S(x，y)，即

W(x，y)＝W^S(x，y)+W^AS(x，y)

转入步骤4；

步骤4：保持连接平台及其顶面的承载机构位置不变，转动翻转轴，使夹持装置与碳化硅平面反射镜翻转至与水平面平行位置，顺时针将碳化硅平面反射镜旋转45°，使镜体圆周侧壁上的对准刻线与夹持装置上的45°对准刻线对准，转入步骤5；

步骤5：转动翻转轴，使碳化硅平面反射镜及其夹持装置回到垂直于水平面的位置，进行第二次干涉测量，得到面形数据T_45°(x，y)，转入步骤6；

步骤6：返回步骤4，分别获得0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°八个位置处的干涉测量结果

其中

表示碳化硅平面反射镜的旋转角度，转入步骤7；

步骤7：通过驱动组件驱动第二导轨带动连接平台和连接平台顶面的承载机构移动至另一个定位装置处，在此位置再进行一次干涉测量，获得面形数据

其中t表示平移距离；

步骤8：根据8次旋转测量结果求解被测波面中的旋转非对称成分W^AS(x，y)；根据同一角度下平移前后的干涉测量结果求解被测波面中的旋转对称成分W^S(x，y)。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)碳化硅材料具有较高的比刚度、导热系数及热稳定性、较好的光学加工特性、较低的价格。由碳化硅材料制成的大口径平面镜镜体轻，重力作用下面形变化小，有效地减小了镜面旋转引入的面形变化，误差不超过2nm，使得旋转平移法绝对检验在大口径干涉仪中的应用成为可能，能够满足PV值百分之一波长的绝对检验精度。

(2)采用8次旋转加1次平移法对大口径干涉仪进行绝对检验，保留了干涉测量结果中面形中高频成分，被测波面中的旋转对称成分小，面形恢复结果精度高。

(3)采用夹线对准实现对旋转角度的精确控制，使得实验一米口径碳化硅平面反射镜的旋转角度误差小于等于10″。

附图说明

图1为本发明旋转平移绝对检验方法的测试光路示意图。

图2为本发明碳化硅平面反射镜夹持装置的承载机构示意图。

图3为本发明碳化硅平面反射镜夹持装置的平移机构示意图。

图4为本发明夹线对准示意图，其中图(a)为夹持装置三维图，图(b)为碳化硅平面反射镜与夹持装置对准状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

为了解决大口径平面镜绝对检验过程中，由于镜面自重以及旋转引入的面型误差，本发明提出了一种采用可旋转平移的碳化硅平面反射镜实现大口径平面干涉仪绝对检验的方法及装置。

结合图1～图4，本发明所述的一种大口径平面干涉仪旋转平移法绝对检验的装置，包括碳化硅平面反射镜1、承载机构和平移机构；其中，碳化硅平面反射镜1装夹于承载机构上，承载机构将碳化硅平面反射镜进行360°旋转，承载机构与平移机构连接，平移机构带动承载机构在水平面移动，进而带动碳化硅平面反射镜1对大口径平面干涉仪进行绝对检验。

其中，所述承载机构包括夹持装置2、翻转轴5、底座8、两个第一支撑组件6和两个第二支撑组件7。

其中，每个第二支撑组件7顶面固连一个第一支撑组件6构成支撑座，两个支撑座对称固定在底座8顶面，夹持装置2形状与碳化硅平面反射镜1外形匹配，碳化硅平面反射镜1固定在夹持装置2的前端面，翻转轴5穿过夹持装置2，且两端分别通过轴承与两个第一支撑组件6转动连接。

其中，所述翻转轴5不与所述碳化硅平面反射镜1发生接触。

其中，所述夹持装置2的前端面均匀分布八对夹线对准刻度，相邻两对夹线对准刻度之间的间隔为45°，角度误差≤10”。

其中，所述碳化硅平面反射镜1的径厚比不低于10:1，镜体圆周侧壁上刻有两条间隔为45°的对准刻线，用于旋转辅助对准。

其中，所述平移机构包括：底板10、驱动组件13、第二导轨15、连接平台18、两个第三支撑组件12、两个定位装置14和两根第一导轨16。

其中，底板10固定在地面上；第二导轨15两端分别通过第三支撑组件12与底板10顶面固连，两根第一导轨16对称且平行设置在第二导轨15两侧；连接平台18位于第一导轨16和第二导轨15顶面，且与第一导轨16和第二导轨15的滑块17固连，实现第一导轨16和第二导轨15同步运动；驱动组件13固定在底板10上，且与第二导轨15连接，驱动组件13驱动第二导轨15运动，进而带动连接平台18和连接平台18顶面的承载机构移动；两个定位装置14间隔固定在第二导轨15上，用于限定连接平台18左右移动距离。

其中，所述大口径平面干涉仪旋转平移法绝对检验的装置可对口径在600mm至2000mm之间的平面干涉仪进行绝对检验，绝对检验精度PV值优于百分之一波长。

一种基于所述大口径平面干涉仪旋转平移法绝对检验的装置的检验方法，步骤如下：

步骤1：转动所述翻转轴5，使夹持装置2翻转至与水平面平行，将1m口径的碳化硅平面反射镜1置于装置的夹持装置2上，旋转碳化硅平面反射镜1，使碳化硅平面反射镜1的圆周侧壁上的对准刻线对准夹持装置2上的0°对准刻线。再次转动翻转轴5，使夹持装置2及碳化硅平面反射镜1翻转至垂直于水平面的位置。通过驱动组件13驱动第二导轨15带动连接平台18和连接平台18顶面的承载机构移动至任意一个定位装置14处；

步骤2：共光轴依次设置待测干涉仪主机、透射平晶、碳化硅平面反射镜1。

步骤3：在步骤1移动后的定位装置14处进行第一次干涉测量，获得初始位置处的面形数据T(x，y)：

T(x，y)＝W(x，y)+V(x，y)

式(1)中，W(x，y)，V(x，y)，T(x，y)分别表示被测波面，系统误差和干涉测试结果。

其中被测波面W(x，y)又可分解为旋转非对称成分WAS(x，y)和旋转对称成分WS(x，y)。

W(x，y)＝W^S(x，y)+W^AS(x，y)

步骤4：保持连接平台18及其顶面的承载机构位置不变，转动翻转轴5，使夹持装置2与碳化硅平面反射镜1翻转至与水平面平行位置，顺时针将碳化硅平面反射镜1旋转45°，使镜体圆周侧壁上的对准刻线与夹持装置2上的45°对准刻线对准。

步骤5：转动翻转轴5，使碳化硅平面反射镜1及其夹持装置2回到垂直于水平面的位置，进行第二次干涉测量，得到面形数据T_45°(x，y)。

步骤6：重复七次步骤4和步骤5，获得0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°八个位置处的干涉测量结果

其中

表示碳化硅平面反射镜1的旋转角度。

步骤7：通过驱动组件13驱动第二导轨15带动连接平台18和连接平台18顶面的承载机构移动至另一个定位装置14处，在此位置再进行一次干涉测量，获得面形数据

其中t表示平移距离。两个定位装置14之间的距离为1500mm，即碳化硅平面镜1相对平移了500mm，此时t＝500。

步骤8：根据8次旋转测量结果求解被测波面中的旋转非对称成分W^AS(x，y)。根据同一角度下平移前后的干涉测量结果求解被测波面中的旋转对称成分W^S(x，y)。

其中，

表示8次旋转测量结果的平均值，W^8kθ(x，y)表示被测波面中的45°旋转对称成分。

用(3)式减去(4)式，得：

由于采用8次旋转测量，(6)式中的

成分足够小，可以被忽略，即可得到

其中，

和

分别表示旋转和平移以后的被测波面和干涉测试结果。

同一角度

下平移前后的测试结果相减，即可消去系统误差V(x，y)，并得到如下方程：

结合式(1)，即可求得W^S(x，y)。

已求得

和W^S(x，y)，便可获得被测波面的面形W(x，y)。

在实际测试中，碳化硅平面反射镜及干涉仪的口径不限于1米。平移距离不局限于500mm。在实际加工中，可根据需要控制定位装置在第二导轨上的位置，进而更改平移距离。

Claims (5)

1.一种基于大口径平面干涉仪旋转平移法绝对检验的装置的绝对检验方法，其特征在于，大口径平面干涉仪旋转平移法绝对检验的装置包括碳化硅平面反射镜(1)、承载机构和平移机构；其中，碳化硅平面反射镜(1)装夹于承载机构上，承载机构将碳化硅平面反射镜进行360°旋转，承载机构与平移机构连接，平移机构带动承载机构在水平面移动，进而带动碳化硅平面反射镜(1)对大口径平面干涉仪进行绝对检验；

所述承载机构包括夹持装置(2)、翻转轴(5)、底座(8)、两个第一支撑组件(6)和两个第二支撑组件(7)；每个第二支撑组件(7)顶面固连一个第一支撑组件(6)构成支撑座，两个支撑座对称固定在底座(8)顶面，夹持装置(2)形状与碳化硅平面反射镜(1)外形匹配，碳化硅平面反射镜(1)固定在夹持装置(2)的前端面，翻转轴(5)穿过夹持装置(2)，且两端分别通过轴承与两个第一支撑组件(6)转动连接；

所述平移机构包括底板(10)、驱动组件(13)、第二导轨(15)、连接平台(18)、两个第三支撑组件(12)、两个定位装置(14)和两根第一导轨(16)；其中，底板(10)固定在地面上；第二导轨(15)两端分别通过第三支撑组件(12)与底板(10)顶面固连，两根第一导轨(16)对称且平行设置在第二导轨(15)两侧；连接平台(18)位于第一导轨(16)和第二导轨(15)顶面，且与第一导轨(16)和第二导轨(15)的滑块(17)固连，实现第一导轨(16)和第二导轨(15)同步运动；驱动组件(13)固定在底板(10)上，且与第二导轨(15)连接，驱动组件(13)驱动第二导轨(15)运动，进而带动连接平台(18)和连接平台(18)顶面的承载机构移动；两个定位装置(14)间隔固定在第二导轨(15)上，用于限定连接平台(18)左右移动距离；

检验步骤如下：

步骤1：转动翻转轴(5)，使夹持装置(2)翻转至与水平面平行，将碳化硅平面反射镜(1)置于装置的夹持装置(2)上，旋转碳化硅平面反射镜(1)，使碳化硅平面反射镜(1)的圆周侧壁上的对准刻线对准夹持装置(2)上的0°对准刻线；再次转动翻转轴(5)，使夹持装置(2)及碳化硅平面反射镜(1)翻转至垂直于水平面的位置；通过驱动组件(13)驱动第二导轨(15)带动连接平台(18)和连接平台(18)顶面的承载机构移动至任意一个定位装置(14)处，转入步骤2；

步骤2：共光轴依次设置待测干涉仪主机、透射平晶、碳化硅平面反射镜(1)，转入步骤3；

步骤3：在步骤1移动后的定位装置(14)处进行第一次干涉测量，获得初始位置处的面形数据T(x,y)：

T(x,y)＝W(x,y)+V(x,y)

式中，W(x,y)表示被测波面，V(x,y)表示系统误差，T(x,y)表示干涉测试结果；

其中被测波面W(x,y)又分解为旋转非对称成分W_AS(x,y)和旋转对称成分W_S(x,y)，即

W(x,y)＝W_S(x,y)+W_AS(x,y)

转入步骤4；

步骤4：保持连接平台(18)及其顶面的承载机构位置不变，转动翻转轴(5)，使夹持装置(2)与碳化硅平面反射镜(1)翻转至与水平面平行位置，顺时针将碳化硅平面反射镜(1)旋转45°，使镜体圆周侧壁上的对准刻线与夹持装置(2)上的45°对准刻线对准，转入步骤5；

步骤5：转动翻转轴(5)，使碳化硅平面反射镜(1)及其夹持装置(2)回到垂直于水平面的位置，进行第二次干涉测量，得到面形数据T_45°(x,y)，转入步骤6；

步骤6：返回步骤4，分别获得0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°八个位置处的干涉测量结果

其中

表示碳化硅平面反射镜(1)的旋转角度，转入步骤7；

步骤7：通过驱动组件(13)驱动第二导轨(15)带动连接平台(18)和连接平台(18)顶面的承载机构移动至另一个定位装置(14)处，在此位置再进行一次干涉测量，获得面形数据

其中t表示平移距离；

步骤8：根据8次旋转测量结果求解被测波面中的旋转非对称成分W_AS(x,y)；根据同一角度下平移前后的干涉测量结果求解被测波面中的旋转对称成分W_S(x,y)。

2.根据权利要求1所述的基于大口径平面干涉仪旋转平移法绝对检验的装置的绝对检验方法，其特征在于：翻转轴(5)不与碳化硅平面反射镜(1)发生接触。

3.根据权利要求1所述的基于大口径平面干涉仪旋转平移法绝对检验的装置的绝对检验方法，其特征在于：所述夹持装置(2)的前端面均匀分布八对夹线对准刻度，相邻两对夹线对准刻度之间的间隔为45°，角度误差≤10”。

4.根据权利要求1或3所述的基于大口径平面干涉仪旋转平移法绝对检验的装置的绝对检验方法，其特征在于：所述碳化硅平面反射镜(1)的径厚比不低于10:1，镜体圆周侧壁上刻有两条间隔为45°的对准刻线，用于旋转辅助对准。

5.根据权利要求1所述的基于大口径平面干涉仪旋转平移法绝对检验的装置的绝对检验方法，其特征在于：采用8次旋转加1次平移的方法对口径在600mm至2000mm之间的平面干涉仪进行绝对检验，使得绝对检验精度PV值优于百分之一波长。

Images