CN116336935A - 一种多轴激光干涉仪光轴空间位置定位系统及定位方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多轴激光干涉仪光轴空间位置定位系统及定位方法，包括XYZ三轴激光干涉仪光轴互相垂直装调和XYZ三轴激光干涉仪光轴空间共交装调；其中光轴互相垂直装调是将转台独立计量框架移入空间坐标系垂直参考镜，依据显示终端显示位移信息和能量信号，依次对转台独立计量框架Z、Y、X轴激光干涉仪的倾斜调整，直至位移信息为最小时和能量信号为最大；光轴空间共交装调是将标准参考球移到转台独立计量框架上方，依次对转台独立计量框架Z、Y、X轴激光干涉仪的平移调整，直至位移信息最小和能量信息最大。本发明操作简便、激光干涉仪空间位姿调整快速，可实现多轴激光干涉仪光轴在空间位置高精度定位。
Description
技术领域
本发明属于大口径光学元件面形精度检测装置光学系统精密装调技术领域，涉及一种多轴激光干涉仪光轴空间位置定位系统及定位方法。
背景技术
非球面元件具有校正像差、改善像质、扩大视场、增大作用距离、减少光能损失、缩短系统总体长度，减轻系统的重量，进而获得高质量的图像效果和高品质的光学特性等优点。该类元件在加工过程中非球面面形快速扫描检测装置越来越被用来检测来面形。而转台独立计量框架作为中非球面面形快速扫描检测装置的核心部件，主要用于检测测量过程中激光干涉仪测量相对光学元件坐标系的微位移情况，见图1。转台独立计量框架的XYZ三轴激光干涉仪光轴空间位置控制精度尤为重要。转台独立计量框架在空间坐标系分别分布XYZ三个轴向激光干涉仪测头，而XYZ轴激光干涉仪光轴方向空间位置要求互相垂直且光轴相交于坐标系原点o。但是由于设计、制造上的误差，激光干涉仪难以确保直接将激光干涉仪光轴方向空间互相正交，造成转台独立计量框架检测测量过程中激光干涉仪测量相对样品坐标系的微位移误差，导致理论设计数据和检测数据之间匹配基准偏差过大，后续数据处理的难度增大，严重影响非球面的检测精度。XYZ轴激光干涉仪光轴在空间位置正交精度是影响光学元件面形精度检测装置测量精度瓶颈问题。因此，这使得目前迫切需要一种多轴激光干涉仪光轴空间位置定位方法。
针对中心对准方法，我国发明专利“申请号CN106033147B，一种光学目标模拟器与球形整流罩中心对准系统”，公布了一种组合种光学目标模拟器与球形整流罩中心对准系统。该系统采用自准直光学系统及模拟器测试球罩进行中心对准，但该方法在中心对准时，需要引头球形整流罩与模拟器测试球罩共球心，这对引头球形整流罩与模拟器测试球罩对位置和姿态精度要求极高，难以快速对引头球形整流罩与模拟器测试球罩进行调整，难以保证对心精度。
综上，为了提高多轴激光干涉仪光轴在空间位置正交精度，本专利发明一种多轴激光干涉仪光轴空间位置定位系统及定位方法。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：解决多轴激光干涉仪光轴在空间位置正交精度问题，提出一种多轴激光干涉仪光轴空间位置定位系统及定位方法，，实现操作简便、激光干涉仪空间位姿调整快速，实现多轴激光干涉仪光轴在空间位置高精度定位，从而提高非球面面形快速扫描检测装置的检测精度。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种多轴激光干涉仪光轴空间位置定位系统，包括XYZ三轴激光干涉仪光轴互相垂直装调装置和XYZ三轴激光干涉仪光轴空间共交装调工装，光轴互相垂直装调装置包括显示终端5、控制器6、空间坐标系垂直参考镜7；控制器6通过光纤分别与Z轴干涉仪1、Y轴干涉仪3、X轴干涉仪4连接；显示终端5通过电缆与控制器6连接；控制器6读取Z轴干涉仪1、Y轴干涉仪3、X轴干涉仪4对空间坐标系垂直参考镜7的距离的实时测试信号，控制器6根据所测试的实时信号进行数据处理，并将距离实时数值和激光能量信息在显示终端5展示；光轴空间共交装调工装包括标准参考球12，布置在XYZ三轴激光干涉仪所在转台独立计量框架的一侧，满足转台独立计量框架装调过程中XYZ三轴激光干涉仪与标准参考球12不发生干涉，实现Z轴干涉仪1、Y轴干涉仪3、X轴干涉仪4光轴与标准参考球12球心同心。
其中，所述空间坐标系垂直参考镜7，其包括Z向标准平晶8、X向标准平晶9、空间坐标系垂直参考镜框架10、Y向标准平晶11；Z向标准平晶8、X向标准平晶9与Y向标准平晶11为高精度标准平晶，面型精度优于1/50λ，标准平面镜长度、宽度与转台独立计量框架干涉仪工作范围相适应；空间坐标系垂直参考镜框架10的镂空结构保证转台独立计量框架干涉仪空间垂直装调过程中无光线遮拦，便于操作调整激光干涉仪，同时须保证装调过程中Z向标准平晶8、X向标准平晶9、Y向标准平晶11不会出现因空间坐标系垂直参考镜框架10刚性不好导致的垂直度变化；Z向标准平晶8、X向标准平晶9与Y向标准平晶11经过位姿调整安装在空间坐标系垂直参考镜框架10，组成空间坐标系垂直参考镜7。
其中，所述空间坐标系垂直参考镜7可实现X向标准平晶9与Y向标准平晶垂直，X向标准平晶9与Z向标准平晶8垂直，X向标准平晶9与Z向标准平晶8垂直，垂直精度可满足5″，为转台独立计量框架的XYZ三轴激光干涉仪光轴垂直装调提供基准。
本发明还提供了XYZ三轴激光干涉仪光轴空间共交装调工装，为标准参考球12，其外形尺寸为四分之一标准光学球壳，内表面镀反射银膜，内表面面型精度优于1/30λ，内表面球半径大于转台独立计量框架的外形尺寸，确保转台独立计量框架装调过程中激光干涉仪与标准参考球不发生干涉，从而实现Z轴干涉仪1、Y轴干涉仪3、X轴干涉仪4光轴与标准参考球12球心同心。
本发明提供一种多轴激光干涉仪光轴空间位置定位方法，其包括以下步骤：
步骤1：搭建转台独立计量框架XYZ三轴激光干涉仪光轴互相垂直装调光路，将空间坐标系垂直参考镜固定在水平光学平台，用光纤连接控制器与XYZ三轴激光干涉仪，用电缆连接控制器与显示终端；
步骤2：将转台独立计量框架移入空间坐标系垂直参考镜，通过调整转台独立计量框架干涉仪支撑座，使转台独立计量框架XYZ三轴激光干涉仪目视基本正对空间坐标系垂直参考镜中的XYZ向标准平晶；
步骤3：控制器与显示终端上电，显示终端显示位移信息和能量信息，此时人工对转台独立计量框架Z轴激光干涉仪的倾斜进行调整，同时观察直至显示终端显示位移信息为最小时和能量信息为最大时，Z轴激光干涉仪调整完毕。
重复步骤3完成转台独立计量框架X轴激光干涉仪与Y轴激光干涉仪调整。
步骤4：将空间坐标系垂直参考镜从转台独立计量框架XYZ三轴激光干涉仪光轴互相垂直装调光路拆离，搭建XYZ三轴激光正交干涉仪光轴空间共交装调光路，将标准参考球移近转台独立计量框架上方，移入通过调整将标准参考球，使转台独立计量框架XYZ三轴激光干涉仪光轴交点基本处于球心位置。
步骤5：人工对转台独立计量框架Z轴激光干涉仪的平移进行调整，同时观察直至显示终端显示位移信息为最小时和能量信息为最大时，Z轴激光干涉仪调整完毕。
重复步骤5完成转台独立计量框架X轴激光干涉仪与Y轴激光干涉仪调整。
步骤6：对XYZ三轴激光干涉仪与转台独立计量框架干涉仪支撑座进行固联，固联完成后将标准参考球上拆离，调整完毕。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的多轴激光干涉仪光轴空间位置定位系统及定位方法，有益效果体现在以下几个方面：
(1)本发明利用空间坐标系垂直参考镜装置代替试错完成XYZ三向激光正交干涉仪光轴互相垂直装调，相较于试错，具有效率高、准确性好的优势；
(2)本发明利用标准参考球完成XYZ三轴激光干涉仪光轴空间共交装调，当三个激光干涉仪的光轴方向与标准参考的半径方向重合时，实现XYZ三轴激光干涉仪光轴共心相交；
(3)本发明采用的装置结构简单、装调方法简便，正交精度高；
(4)本发明中采用的空间位置定位方法，为实现非球面检测装置面形检测高精度打下基础。
附图说明
图1是本发明的装调对象—某转台独立计量框架中XYZ三轴激光正交干涉仪结构示意图。
图2是XYZ三轴激光正交干涉仪光轴互相垂直装调示意图。
图3是空间坐标系垂直参考镜示意图。
图4是XYZ三轴激光正交干涉仪光轴空间共交装调示意图。
图5为图2和图4装调的组合示意图。
图中：1、Z轴激光干涉仪；2、转台独立计量框架干涉仪支撑座；3、X轴激光干涉仪；4、Y轴激光干涉仪；5、显示终端；6、控制器；7、空间坐标系垂直参考镜；8、Z向标准平晶；9、X向标准平晶；10、空间坐标系垂直参考镜框架；11、Y向标准平晶；12、标准参考球。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
针对某非球面光学元件检测装置转台独立计量框架XYZ轴激光干涉仪光轴在空间位置正交精度装调技术存在的问题，为实现多轴激光干涉仪光轴在空间位置高精度定位的装调，本实施例提供一种高精度装调及合理可行的方案。
如图1所示，为某非球面光学元件检测装置转台独立计量框架中XYZ三轴激光正交干涉仪结构示意图，包括Z轴激光正交干涉仪1、转台独立计量框架干涉仪支撑座2、X轴激光干涉仪3、Y轴激光干涉仪4。
如图2和图5所示，为XYZ三轴激光正交干涉仪光轴互相垂直装调示意图，图3示出了空间坐标系垂直参考镜示意图，其中示出了显示终端5、控制器6、空间坐标系垂直参考镜7；控制器6通过光纤分别与Z轴干涉仪1、Y轴干涉仪3、X轴干涉仪4连接；显示终端5通过线缆与控制器6连接；控制器读取Z轴干涉仪1、Y轴干涉仪3、X轴干涉仪4对空间坐标系垂直参考镜7的距离的实时测试信号，控制器6根据所测试的实时信号进行数据处理，并将距离实时数值和激光能量信息在显示终端5展示。转台独立计量框架与空间坐标系垂直参考镜7布置在工作台上。
空间坐标系垂直参考镜7包括Z向标准平晶8、X向标准平晶9、空间坐标系垂直参考镜框架10，Z向标准平晶8、X向标准平晶9、空间坐标系垂直参考镜框架10为高精度标准平晶，面型精度优于1/50λ，标准平面镜长度、宽度与转台独立计量框架干涉仪工作范围相适应；空间坐标系垂直参考镜框架10为镂空结构，设有Z向标准平晶8、X向标准平晶9与Y向标准平晶11安装孔，空间坐标系垂直参考镜框架10的镂空结构保证转台独立计量框架干涉仪空间垂直装调过程中无光线遮拦，便于操作调整激光干涉仪，同时须保证装调过程中Z向标准平晶8、X向标准平晶9、Y向标准平晶11不会出现因空间坐标系垂直参考镜框架10刚性不好导致的垂直度变化；Z向标准平晶8、X向标准平晶9与Y向标准平晶11经过位姿调整安装在空间坐标系垂直参考镜框架10，组成空间坐标系垂直参考镜7。
空间坐标系垂直参考镜7可实现X向标准平晶9与Y向标准平晶垂直，X向标准平晶9与Z向标准平晶8垂直，X向标准平晶9与Z向标准平晶8垂直，垂直精度可满足5″，为XYZ三轴激光干涉仪光轴垂直提供基准。
标准参考球12外形尺寸为四分之一标准光学球壳，内表面镀反射银膜，内表面面型精度优于1/30λ，内表面球半径大于转台独立计量框架的外形尺寸，确保转台独立计量框架装调过程操作调整激光干涉仪与标准参考球不发生干涉，从而实现Z轴干涉仪1、Y轴干涉仪3、X轴干涉仪4光轴与标准参考球12球心同心。
如图2、4、5所示，基于上述用于转台独立计量框架XYZ轴激光干涉仪光轴在空间位置正交装调的装置，本实施例还提供一种转台独立计量框架XYZ轴激光干涉仪光轴空间位置定位的方法，包括以下步骤：
步骤1：搭建转台独立计量框架XYZ三轴激光干涉仪光轴互相垂直装调光路，将空间坐标系垂直参考镜固定在水平光学平台，用光纤连接控制器与XYZ三轴激光干涉仪，用电缆连接控制器与显示终端；
步骤2：将转台独立计量框架移入空间坐标系垂直参考镜，通过调整转台独立计量框架干涉仪支撑座，使转台独立计量框架XYZ三轴激光干涉仪目视基本正对空间坐标系垂直参考镜中的XYZ向标准平晶；
步骤3：控制器与显示终端上电，显示终端显示位移信息和能量信息，此时人工对转台独立计量框架Z轴激光干涉仪的倾斜进行调整，同时观察直至显示终端显示位移信息为最小时和能量信息为最大时，Z轴激光干涉仪调整完毕。
重复步骤3完成转台独立计量框架X轴激光干涉仪与Y轴激光干涉仪调整。
步骤4：将空间坐标系垂直参考镜从转台独立计量框架XYZ三轴激光干涉仪光轴互相垂直装调光路拆离，搭建XYZ三轴激光正交干涉仪光轴空间共交装调光路，将标准参考球移近转台独立计量框架上方，移入通过调整将标准参考球，使转台独立计量框架XYZ三轴激光干涉仪光轴交点基本处于球心位置。
步骤5：人工对转台独立计量框架Z轴激光干涉仪的平移进行调整，同时观察直至显示终端显示位移信息为最小时和能量信息为最大时，Z轴激光干涉仪调整完毕。
重复步骤5完成转台独立计量框架X轴激光干涉仪与Y轴激光干涉仪调整。
步骤6：对XYZ三轴激光干涉仪与转台独立计量框架干涉仪支撑座进行固联，固联完成后将标准参考球上拆离，调整完毕。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种多轴激光干涉仪光轴空间位置定位系统，其特征在于，包括XYZ三轴激光干涉仪光轴互相垂直装调装置和XYZ三轴激光干涉仪光轴空间共交装调工装，光轴互相垂直装调装置包括显示终端(5)、控制器(6)、空间坐标系垂直参考镜(7)；控制器(6)通过光纤分别与Z轴干涉仪(1)、Y轴干涉仪(3)、X轴干涉仪(4)连接；显示终端(5)通过电缆与控制器(6)连接；控制器(6)读取Z轴干涉仪(1)、Y轴干涉仪(3)、X轴干涉仪(4)对空间坐标系垂直参考镜(7)的距离的实时测试信号，控制器(6)根据所测试的实时信号进行数据处理，并将距离实时数值和激光能量信息在显示终端(5)展示；光轴空间共交装调工装包括标准参考球(12)，布置在XYZ三轴激光干涉仪所在转台独立计量框架的一侧，满足转台独立计量框架装调过程中XYZ三轴激光干涉仪与标准参考球(12)不发生干涉，实现Z轴干涉仪(1)、Y轴干涉仪(3)、X轴干涉仪(4)光轴与标准参考球(12)球心同心。
2.如权利要求1所述的多轴激光干涉仪光轴空间位置定位系统，其特征在于，所述空间坐标系垂直参考镜(7)包括空间坐标系垂直参考镜框架(10)和布置在空间坐标系垂直参考镜框架(10)上三个轴向面上的Z向标准平晶(8)、X向标准平晶(9)、Y向标准平晶(11)。
3.如权利要求2所述的多轴激光干涉仪光轴空间位置定位系统，其特征在于，所述Z向标准平晶(8)、X向标准平晶(9)与Y向标准平晶(11)为标准平晶。
4.如权利要求3所述的多轴激光干涉仪光轴空间位置定位系统，其特征在于，所述空间坐标系垂直参考镜框架(10)的三个轴向面上均设置镂空结构，镂空结构的外侧布置Z向标准平晶(8)、X向标准平晶(9)与Y向标准平晶(11)。
5.如权利要求4所述的多轴激光干涉仪光轴空间位置定位系统，其特征在于，所述空间坐标系垂直参考镜(7)中，X向标准平晶(9)与Y向标准平晶(11)垂直，X向标准平晶(9)与Z向标准平晶(8)垂直，Y向标准平晶(11)与Z向标准平晶(8)垂直，垂直精度满足5″，为转台独立计量框架的XYZ三轴激光干涉仪光轴垂直装调提供基准。
6.如权利要求5所述的多轴激光干涉仪光轴空间位置定位系统，其特征在于，所述标准参考球(12)外形尺寸为四分之一标准光学球壳，内表面镀反射银膜，内表面球半径大于转台独立计量框架的外形尺寸。
7.一种多轴激光干涉仪光轴空间位置定位方法，其特征在于，采用权利要求6所述的多轴激光干涉仪光轴空间位置定位系统对转台独立计量框架XYZ三轴激光干涉仪进行光轴垂直正交装调。
8.如权利要求7所述的多轴激光干涉仪光轴空间位置定位方法，其特征在于，光轴垂直正交装调包括以下步骤：
步骤1：搭建XYZ三轴激光干涉仪光轴互相垂直装调装置，将空间坐标系垂直参考镜固定在水平光学平台，用光纤连接控制器与XYZ三轴激光干涉仪，用电缆连接控制器与显示终端；
步骤2：将转台独立计量框架移入空间坐标系垂直参考镜，通过调整转台独立计量框架干涉仪支撑座，使转台独立计量框架XYZ三轴激光干涉仪目视基本正对空间坐标系垂直参考镜中的XYZ向标准平晶；
步骤3：控制器与显示终端上电，显示终端显示位移信息和能量信息，此时人工对转台独立计量框架Z轴激光干涉仪的倾斜进行调整，同时观察直至显示终端显示位移信息为最小时和能量信息为最大时，Z轴激光干涉仪调整完毕；
重复步骤3完成转台独立计量框架X轴激光干涉仪与Y轴激光干涉仪调整；
步骤4：将空间坐标系垂直参考镜从转台独立计量框架XYZ三轴激光干涉仪光轴互相垂直装调光路拆离，搭建XYZ三轴激光正交干涉仪光轴空间共交装调光路，将标准参考球移近转台独立计量框架上方，移入通过调整将标准参考球，使转台独立计量框架XYZ三轴激光干涉仪光轴交点基本处于球心位置；
步骤5：人工对转台独立计量框架Z轴激光干涉仪的平移进行调整，同时观察直至显示终端显示位移信息为最小时和能量信息为最大时，Z轴激光干涉仪调整完毕；
重复步骤5完成转台独立计量框架X轴激光干涉仪与Y轴激光干涉仪调整；
步骤6：对XYZ三轴激光干涉仪与转台独立计量框架干涉仪支撑座进行固联，固联完成后将标准参考球上拆离，调整完毕。
9.一种基于权利要求1-6中任一项所述的多轴激光干涉仪光轴空间位置定位系统在大口径光学元件面形精度检测光学系统装调技术领域中的应用。
10.如权利要求7或8所述的多轴激光干涉仪光轴空间位置定位方法在大口径光学元件面形精度检测光学系统装调技术领域中的应用。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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