一种大型光学平面的干涉测量装置与方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种大型光学平面的干涉测量装置与方法，装置包括干涉仪两轴直线运动调整平台、位于调整平台前方的被测平面镜两维倾斜调整平台、装设于干涉仪两轴直线运动调整平台上的激光波面干涉仪、以及与激光波面干涉仪连接的内装测量数据处理算法程序的主控计算机。利用该装置通过主控计算机按照测量数据处理算法可将得到的多幅部分区域的误差面形图拼接成全口径上包含中高频段的误差面形图，包括初始位姿确定方法、重叠区域数据提取算法以及区域数据拼接算法。本发明专利技术是一种低成本、高精度、高效率的大型光学平面的干涉测量装置与方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属光学测试
，主要涉及一种针对大型光学平面的干涉测 量装置与方法。技术背景随着光学加工和检测技术的不断发展，大口径光学系统在天文、空间光 学和军事等领域得到了愈来愈广泛的应用，其中用作光路准直或偏转的平面反射镜的口径也越来越大。另一方面，天文望远镜中常用的大口径抛物面主 镜的无像差点法干涉测量也需要高精度的大型光学平面镜。在大型光学平面的抛光加工阶段，面形误差主要是利用激光波面干涉仪 进行测量。但是常用的激光波面干涉仪可测量的平面有效口径不能大于其参 考镜头的口径，导致大型光学平面的干涉测量成为传统干涉测量的一个难题。市场上激光波面干涉仪产品多是4" (100mm)或6" (150mm) 口径，测量更大口径的光学平面必须引入扩束镜等附加装置，并且通常不能移相测 量，例如美国Zygo公司生产的32" (800ram) 口径波面干涉仪。另一种可选 方案是采用Ritchey-Common测量方法，参看Zygo公司波面干涉仪产品说明 书，需要附加一个大型光学球面反射镜，并且可能引入轴外像差影响测量精 度。上述两种方法目前普遍使用，但是会极大地增加生产成本，不易在生产 实践中推广使用。同时，上述两种方法测量的横向分辨率都相对较低，不能 满足高分辨率测量的要求。刘立人等在中国专利申请号"99113590.3""镜片大口径自动扫描测量 仪"中，提出一种镜片大口径自动扫描测量仪，主要用于镜片或隐形镜片大 口径范围中光学中心位置、球面屈光度、柱面屈光度及轴向、棱镜度及底轴 等光学性质的测量，而不涉及镜片面形误差的测量。栾竹等在中国专利申 请号"03116349. l""大口径波面干涉测量仪"中利用剪切干涉原理专利技术了 一种大口径、适用于光源相干长度小、波差小于一个波长的波面测量，不涉 及大型光学平面的面形测量方法。美国QED公司在"An automated sub即erture stitching interferometer workstation for spherical and aspherical surfaces", P. E. Murphy， andG.W. Forbes, Proc. SPIE， Vol. 5188， 296-307， 2003和美国专禾U "US 6956657B2"中提出一种非球面镜面形误差测量的子孔径拼接方法，将被测 非球面镜划分为若干更小口径的子孔径，子孔径的测量范围可以覆盖全口 径，并且各子孔径间稍有重叠；通过6轴运动平台调整被测非球面镜或干涉 仪，对子孔径进行干涉测量，然后采用拼接算法得到全口径的检测结果，算 法主要补偿了干涉仪成像畸变误差、参考波面误差以及子孔径之间的倾斜、 离焦误差。算法不需迭代，由硬件精度保证可靠性。这种方法主要用于200mm 口径以下的平面镜、球面镜和适度非球面镜，对于大型光学平面，只需要两 轴直线运动调整，并且运动调整平台的行程增大，而精度要求不变，必须采 用新的光路和结构设计。Zygo公司Evans等在美国专利"US 7221461B2"中提出一种适用于大型环形光学平面的干涉测量方法和装置，采用三个位移传感器测量被测平面相 对波面干涉仪的运动误差，采用波面干涉仪测量被测平面上子孔径的面形， 然后从中分离出运动误差，拼接得到被测平面上全口径的面形。它不要求子 孔径之间有重叠区，拼接算法简单。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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提出一种低成本、 高精度、高效率的大型光学平面的干涉测量装置与方法。为了实现上述目的，本专利技术提出的大型光学平面的干涉测量装置，包括 干涉仪两轴直线运动调整平台、位于调整平台前方的被测平面镜两维倾斜调 整平台、装设于干涉仪两轴直线运动调整平台上的激光波面干涉仪、以及与 激光波面干涉仪连接的内装测量数据处理算法程序的主控计算机。所述干涉 仪两轴直线运动调整平台用于调整波面干涉仪在YZ平面内的位置，实现被 测平面镜上多个部分区域的干涉零位测量，主控计算机根据测量数据处理算 法将测量得到的多幅部分区域的误差面形图拼接成全口径上包含中高频段 的误差面形图，包括初始位姿确定方法，重叠区域数据提取算法以及区域数据拼接算法。所述干涉仪两轴直线运动调整平台包括水平方向Y轴运动组件和叠加在 Y轴组件上的竖直方向Z轴运动组件，Y轴组件由交流伺服电机及其编码器、 弹性联轴器、滚珠丝杠和滚动导轨副以及Z轴组件安装板组成；Z轴组件由 交流伺服电机及其编码器、弹性联轴器、滚珠丝杠和滚动导轨副以及干涉仪 安装板组成；Y轴组件和Z轴组件运动精度达到亚毫米级，它们均可采用现 有技术。所述被测平面镜两维倾斜调整平台包括被测平面镜安装平台和装设于 其上的YZ平面内的两维倾斜调整机构，被测平面镜安装平台由支座、悬挂 钢带以及吊环螺钉组成，悬挂钢带通过吊环螺钉固定在支座上；两维倾斜调 整机构包括呈直角三角形分布的三个调整螺纹副。本专利技术的大型光学平面的干涉测量装置，与李圣怡等在中国专利申请号 "200710034359.0 "中测量大口径非球面镜的五轴运动平台不同，其主要 特点是测量过程中只需要两轴直线运动调整。本专利技术的大型光学平面的干涉测量装置，与QED公司测量200mm 口径 以下平面镜的六轴运动平台不同，其主要特点是测量过程中只需要两轴直线 运动调整，容易实现，并且运动精度要求不高，因而成本低。为了保证测量 结果的可靠性，与之配套的测量数据处理算法必须迭代优化，并且收敛范围 要大。采用所述本专利技术装置的大型光学平面的干涉测量方法如下第一步通过干涉仪两轴直线运动调整平台调整激光波面干涉仪在YZ 平面内的位置，使得干涉仪发出的测试激光束照射在被测平面镜上；第二步通过被测平面镜两维倾斜调整平台调整被测平面镜在YZ平面 内的两维倾斜，用激光波面干涉仪测量被测平面镜上被照射的部分区域的面 形，数据存盘，记录干涉仪两轴直线运动调整平台的位移量；第三步按照被测平面镜部分区域划分方案，重复第二步直到所有部分 区域测量完毕，将干涉仪两轴直线运动调整平台的位移量记录和激光波面干 涉仪的测量数据输入到主控计算机用测量数据处理算法进行处理，将测量得 到的多幅部分区域的误差面形图拼接成全口径上包含中高频段的误差面形 图。所述测量数据处理算法为现有算法，包括初始位姿确定方法，重叠区域数据提取算法以及区域数据拼接算法。与现有技术相比，本专利技术的优点在于1、本专利技术的大型光学平面的干涉测量装置与方法通过干涉仪两轴直线 运动调整平台实现多个部分区域的干涉零位测量，通过测量数据处理算法拼 接得到全口径上的面形误差，同时提高了横向分辨率，因而可以获得大型光 学平面的中高频误差； 2、本专利技术的干涉仪两轴直线运动调整平台结构简单，直线运动精度在 亚毫米量级即可，从而降低了成本，并且被测平面镜在测量过程中除二维倾 斜微调外，不需要任何运动，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大型光学平面的干涉测量装置，其特征在于：它包括干涉仪两轴直线运动调整平台、位于调整平台前方的被测平面镜两维倾斜调整平台、装设于干涉仪两轴直线运动调整平台上的激光波面干涉仪、以及与激光波面干涉仪连接的内装测量数据处理算法程序的主控计算机。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李圣怡，戴一帆，陈善勇，丁凌艳，郑子文，刘晓东，尹自强，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]