本发明专利技术公开了一种基于多特征匹配和平均法的球面绝对测量方法，该方法通过对一个“猫眼”位置干涉测量和多个共焦位置干涉测量结果进行数据处理直接获得与参考面误差无关的被测球面光学元件面形误差信息。多特征匹配根据设置在被测球面光学元件表面的多个特征标记在共焦位置测量数据中形成的特征形状进行准确的旋转角度控制和数据匹配，然后将多组由“猫眼”位置测量、被测球面光学元件某一共焦位置测量和与之相对旋转180度后共焦位置测量组成的三位置法计算结果进行平均处理，以提高被测球面光学元件绝对面形误差的准确性。本发明专利技术无需复杂的调整机构和辅助对准装置，同时可避免反复进行光路调整，在实际操作中的方便性和绝对测量结果的准确性之间保持了较好的平衡，具有较大的应用价值。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种球面绝对测量方法，属于先进光学制造与检测
技术介绍
球面光学元件在光学系统中有着非常广泛的应用，如何实现高精度球面光学元件面形的检测仍然存在一定挑战。菲索型相移干涉仪为目前面形检测的主流设备。干涉测量的基本原理是携带有被测光学元件面形误差信息的测试光与参考面反射回的参考光发生干涉，进而对干涉图进行数据处理以计算出反映测量误差信息的相位值，通过将参考面作为理想的测量“标尺”进行相对测量，因此干涉仪面形检测精度主要受到参考面精度影响。 绝对测量方法通过对多次干涉相对测量结果进行数据处理以分离出被测光学元件面形误差信息，是一种提升干涉检测精度的有效手段。实现球面绝对测量通常有两种策略，一种是标定参考面面形误差，然后从被测球面光学元件的相对测量结果中减去参考面面形误差即可得到与参考面自身精度无关的绝对测量结果。常用的参考面标定方法有随机球平均法、奇偶分解法和双通道自标定方夕去。P. E. Parks 等人(P. E. Parks, C. J. Evans, L. Shao, “Calibration of interferometer transmission spheres,，，，Optical Fabrication and Testing Workshop, OSA Technical Digest Series 12，80-83，1998.)提出了一种标定标准镜头参考面面形误差的随机球法， 该方法通过对一个标定球在大量随机位置进行相对测量，然后进行平均数据处理，标定球的误差随着测量次数的增加趋于零，平均处理结果将主要反映标准镜头面形误差信息。 Ulf Griesmann 等人(Ulf Griesmann, Quandou wang, Johannes Soons，et al. “A simple ball average for reference sphere calibrations", Proc. SPIE,5869 :58690S1-S8, 2005.)报道了一种随机球法的实施装置。随机球法只能用于产生会聚光束的凹标准镜头的误差标定° R. Schreiner 等人(R. Schreiner, J. Schwider, Nlindlein, et al. "Absolute testing of the reference surface of a Fizeau interferometer through even/odd decompositions, ”Appl. Opt. 47，6134-6141，2008.)提出了一种基于半屏的奇偶分解法，可以标定出参考面面形误差。后来,Jan Burke等人(Jan Burke, David S. ffu, "Calibration of spherical reference surfaces for Fizeau interferometry -.a comparative study of methods, ”Appl. Opt. 49，6014-6023，2010.)提出了基于半屏的双通道自标定方法，可以快速标定出参考面的偶误差。实现球面绝对测量的另一种策略是对多次相对干涉仪测量结果进行数据处理直接分离出被测球面光学元件的面形误差，通常方法有三位置法和平移旋转法。1973年， A.E.Jensen (Α. Ε. Jensen，“Absolute calibration method for laser Twyman-Green wave-front testing interferometers, ” J. Opt. Soc. Am. 63 :1313A，1973.)首先提出了一种可实现球面绝对测量的三位置法，该方法对被测球面光学元件在共焦位置、旋转180度后共焦位置、“猫眼”位置进行相对测量，然后通过数据处理分离出被测球面光学元件面形误差，该方法对调整误差较为敏感。1990年，Bruce E. Truax等人(Bruce Ε. Truax,Absoluteinterferometric testing of spherical surfaces,Proc. SPIE 1400,61-68,1990.)报道了三位置法的理论公式推导。后来，美国Zygo公司L. A. Selberg(L. A. Selberg,"Absolute testing of spherical surfaces,，，Optical Fabrication and Testing Workshop, OSATechnical Digest Series 13，181-184，1994.)将上述三位置法扩展为五位置法，该方法在被测球面光学元件共焦位置0、90、180、270度四个位置和“猫眼”位置进行相对测量， 然后通过数据处理分离出被测球面光学元件面形误差，该方法可以一定程度上减小被测光学元件在旋转过程中调整误差影响。在上个世纪90年代，Zygo公司(Manual，Two Sphere Application Booklet,Zygo Corporation, 1996.)基于上述五位置法理论研究成果开发出了名为“Two-Sphere”的商业化应用软件包，该软件包需要将测量数据中心作为数据处理的基准点，在实际实施中采用一个特殊的叉丝。三位置法和五位置法主要挑战在于采用“猫眼”测量位置，测试波前将在该位置发生光路反转导致不满足共光路条件；此外猫眼位置的调整误差将导致数据处理过程中出现错误的坐标匹配，进而产生不准确的计算结果。此外， 如何保证在多次共焦位置测量时具有正确的旋转角度也存在一定困难。为了满足精确共焦位置测量要求，Karl Edmund Elssner 等人(Karl Edmund Elssner, R. Burow, J. Grzanna, et al. "Absolute sphericity measurement, "Appl. Opt. 28,4649-4661,1989.) 艮道了一种八维调整装置，但是随着被测光学元件数值孔径的增大其调整变得更加困难。为了简化三位置测量方法，K. Creath 等人(K. Creath and J. ffyant,"Testing spherical surfaces a fast, quasi-absolute technique, "Appl. Opt. 31,4350-4354,1992.)报道了基于一个 “猫眼”位置测量和一个共焦位置测量的两位置准绝对测量方法，但是该方法只能标定出被测光学元件的偶误差。在国内也开展了一些基于三位置法的球面绝对测量方法的理论和实验研究，未见实际工程应用报道。此夕卜，Bernd Dorband 等人(Bernd Dorband, Giinther Seitz，“Interferometric testing of optical surfaces at its current limit，，，Optik，112 (9) :392_398，200L ) 报道了一种平移旋转法，该方法对被测球面光学元件在共焦位置不同旋转角度和横向平移时本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种基于多特征匹配和平均法的球面绝对测量方法，其特征在于球面绝对测量的步骤如下：第一步：在菲索型相移干涉仪的光轴上依序安装标准镜头、被测球面光学元件、六维调整架，被测球面光学元件、六维调整架置于电控平移台上，电控平移台和驱动器分别与计算机控制及数据处理系统连接，菲索型相移干涉仪与计算机控制及数据处理系统连接；在被测球面光学元件上设置三个及以上特征标记；第二步：计算机控制及数据处理系统驱动驱动器控制电控平移台在光轴方向移动被测球面光学元件到标准镜头中参考面的曲率半径位置处，利用六维调整架调整被测球面光学元件的位置，用以实现“猫眼”位置零检测，并保存该“猫眼”位置测量数据；第三步：计算机控制及数据处理系统驱动驱动器控制电控平移台在光轴方向移动被测球面光学元件到共焦位置处；被测球面光学元件为凹球面的共焦位置为参考面和被测球面光学元件的曲率半径之和，被测球面光学元件为凸球面的共焦位置为参考面和被测球面光学元件的曲率半径之差；利用六维调整架调整被测球面光学元件的位置以实现该共焦位置零检测，并保存该共焦位置测量数据；通过计算机控制及数据处理系统对测量数据中多个特征标记进行几何中心位置和形状参数分析计算；第四步：通过六维调整架中的精密转台将被测球面光学元件旋转１８０／Ｎ度并进行位置调整，以实现该共焦位置零检测，保存该共焦位置测量数据；计算机控制及数据处理系统对该测量数据中多个特征标记进行几何中心位置和形状参数分析计算，确定与第三步中多个特征标记确定的相对旋转角度误差是否满足误差容限要求；如果满足误差容限要求，则进行第五步；若不满足，则重复该第四步直至达到要求；第五步：通过六维调整架中精密转台将被测球面光学元件继续按同一方向旋转１８０／Ｎ度并进行精密位置调整，以实现该共焦位置零检测，保存该共焦位置测量数据；通过计算机控制及数据处理系统对该测量数据中多个特征标记进行几何中心位置和形状参数分析计算，确定与第四步中多个特征标记确定的相对旋转角度误差是否满足误差容限要求，若不满足则重复该步骤直至达到要求，若满足误差容限要求则继续按同一方向旋转１８０／Ｎ度，重复该步骤直至以１８０／Ｎ度为增量包括第四步中所述的首次旋转在内共计旋转２Ｎ－１次，此时被测光学元件所处位置与初始位置角度为１８０／Ｎ度或３６０－１８０／Ｎ度；第六步：将第二步到第五步所获得的一次“猫眼”位置测量和２Ｎ次共焦位置测量数据分为Ｎ组，每组由“猫眼”位置、被测球面光学元件某一共焦位置和与之相对旋转１８０度后共焦位置共三位置组成，其中第１组由“猫眼”位置测量、０度共焦位置测量和１８０度共焦位置测量组成；第２组由“猫眼”位置测量、１８０／Ｎ度共焦位置测量和１８０×（Ｎ＋１）／Ｎ度共焦位置测量组成；第Ｎ组由“猫眼”位置测量、３６０×（Ｎ－１）／２Ｎ度共焦位置测量和３６０×（２Ｎ－１）／２Ｎ度共焦位置测量组成；中间各组根据上述规律类推，其中Ｎ＝１，２，３，４，５…，然后由计算机控制及数据处理系统进行数据处理，用以分离出与参考面无关的Ｎ组被测球面光学元件的面形误差信息；第七步：由计算机控制及数据处理系统将Ｎ组由三位置法计算的被测球面光学元件面形误差数据旋转到同一方向，利用平均法进行数据平均处理，得到更为准确的被测球面光学元件面形误差，实现球面绝对测量。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：侯溪，杨鹏，伍凡，范斌，万勇建，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：90
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