CN102305596A - 在球面面形干涉检测中旋转误差控制装置及其方法 - Google Patents

在球面面形干涉检测中旋转误差控制装置及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种在球面面形干涉检测中旋转误差控制装置及其方法。 包括自准直仪和六个自由度运动的被检面装置在同一光轴上顺次设有目镜、第二分划板、半透半反镜、物镜、六个自由度运动的被检面装置；半透半反镜上方顺次设有第一分划板、会聚透镜、光源；导轨上从下到上依次设有X轴运动平台、Z轴运动平台、Y轴运动平台、控制二维倾斜平台、U型旋转台和平行平板；控制二维倾斜平台侧面设有U型旋转台；U型旋转台上设有平行平板。本发明克服了球面检测由于机构的装调误差而导致旋转误差难以控制的技术问题，对高质量光学元件的检测与加工具有重要的应用价值。

Description

在球面面形干涉检测中旋转误差控制装置及其方法
技术领域
本发明涉及光学元件的干涉测量技术领域，尤其涉及一种在球面面形干涉检测中旋转误差控制装置及其方法。                      
背景技术
随着光学成像技术的发展，光学球面面形的检测精度需求也越来越高。球面干涉检测技术可以快速实现球面光学元件高精度的检测，为此球面面形的干涉检测技术被不断改进并得到广泛应用。1973年Jensen提出了一种适合于实时干涉仪的绝对校准方法，既基于菲索干涉***的三步检测法：第一步检测猫眼位置；第二步检测0度位置；第三步检测180度位置。该方法可以去除参考镜的误差和干涉仪的附加波像差 , 从而提高了被检面的检测精度，在这种方法中需要三次独立的测量，最终得到被检面面形。该方法有实时性高，精度高等特点一直以来便是球面面形绝对检测的一种主要方法。在实际检测中，由于检测装置机构的装调误差以及加工工艺，很难控制球面面形干涉绝对检测的旋转误差，即相对于0度检测位置来说，180度检测位置处的被检面绕光轴旋转180度误差大，影响了球面面形检测的精度。但随着球面光学元件的高精度检测要求的提高，球面面形干涉检测中旋转误差限制了球面高精度检测的发展，目前尚无合适的在球面面形检测中控制旋转误差的装置。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种在球面面形干涉检测中旋转误差控制装置及其方法。
在球面面形干涉检测中旋转误差控制装置包括自准直仪和六个自由度运动的被检面装置，自准直仪包括光源、会聚透镜、第一分划板、半透半反镜、第二分划板、目镜、物镜；在同一光轴上顺次设有目镜、第二分划板、半透半反镜、物镜、六个自由度运动的被检面装置；半透半反镜上方顺次设有第一分划板、会聚透镜、光源；六个自由度运动的被检面装置包括X轴运动平台、Z轴运动平台、Y轴运动平台、控制二维倾斜平台、U型旋转台、导轨和平行平板；导轨上从下到上依次设有X轴运动平台、Z轴运动平台、Y轴运动平台、控制二维倾斜平台、U型旋转台和平行平板；控制二维倾斜平台侧面设有U型旋转台；U型旋转台上设有平行平板。
所述的平行平板材料是前后两面的偏角为                                                
Figure 963732DEST_PATH_IMAGE001
的平板玻璃。
在球面面形干涉检测中旋转误差控制方法是：光源的发散光经会聚透镜成像聚焦于第一分划板，再经半透半反镜反射到物镜产生平行光，入射至平行平板，若平行平板与平行光垂直，反射光沿原路返回，再经物镜聚焦于第二分划板，第二分划板上有刻度，调节平行平板与自准直仪的相对位置，在目镜后观察聚焦十字线在第二分划板中的位置，若被检面装置上的旋转台的旋转角度有偏差，入射平行光与平行平板的表面不垂直，在目镜后观察到十字线与第二分划板的中心刻度不重合，接下来，U型旋转旋转台，使用平行平板的另一个表面来反射从自准直仪出射的平行光，直到旋转至观察到十字线的中心与第二分划板的中心重合；六个自由度运动的被检面装置实现六维自由度运动，分别是光轴方向的移动z，垂轴方向的移动x，y；绕x轴方向的转动
Figure 399130DEST_PATH_IMAGE002
、绕y轴方向的转动
Figure 621164DEST_PATH_IMAGE003
，绕光轴z方向的转动
Figure 971374DEST_PATH_IMAGE004
，其中z方向的自由度控制被检面轴向运动，x、y方向的自由度控制被检面与参考面共光轴，绕x轴方向的转动
Figure 441450DEST_PATH_IMAGE002
、绕y轴方向的转动
Figure 560716DEST_PATH_IMAGE003
的自由度控制被检面的姿态，绕光轴z方向的转动
Figure 750389DEST_PATH_IMAGE004
的自由度控制180度位置的被检面相对于0度位置绕光轴自身旋转180度。
本发明的被检面装置能实现被检面六维自由度运动，在实际检测中，可大大降低由于被检面位置误差和姿态误差对最终检测结果的影响。本发明基于可实现六维***的被检面装置，在球面检测中实现高旋转精度，使得旋转误差最小化，提高了测量精度，对于高精度的球面检测具有应用价值。旋转控制精度主要取决于旋转工作台转轴精度、自准直仪读数精度、平行玻璃平镜前后表面的精度。转轴精度是由机构中本身旋转台决定，本发明使用的自准直仪可实现1’’的读数精度，由于加工工艺的限制，平行平板前后两表面不能理想平行，平行平板的加工工艺可以控制到5’’的平行度。
附图说明     
图1为在球面面形干涉检测中旋转误差控制装置结构示意图；
图2为本发明的拥有六个自由度运动的被检面装置结构示意图；
图中，光源1、会聚透镜2、第一分划板3、半透半反镜4、第二分划板5、目镜6、物镜7、六个自由度运动的被检面装置8、X轴运动平台9、Z轴运动平台10、Y轴运动平台11、控制二维倾斜平台12、U型旋转台13、导轨14、平行平板15、自准直仪16。
具体实施方式
如图1、2所示，在球面面形干涉检测中旋转误差控制装置包括自准直仪17和六个自由度运动的被检面装置8，自准直仪包括光源1、会聚透镜2、第一分划板3、半透半反镜4、第二分划板5、目镜6、物镜7；在同一光轴上顺次设有目镜6、第二分划板5、半透半反镜4、物镜7、六个自由度运动的被检面装置8；半透半反镜4上方顺次设有第一分划板3、会聚透镜2、光源1；六个自由度运动的被检面装置8包括X轴运动平台9、Z轴运动平台10、Y轴运动平台11、控制二维倾斜平台12、U型旋转台13、导轨14和平行平板15；导轨14上从下到上依次设有X轴运动平台9、Z轴运动平台10、Y轴运动平台11、控制二维倾斜平台12、U型旋转台13和平行平板15；控制二维倾斜平台12侧面设有U型旋转台13；U型旋转台13上设有平行平板15。
所述的平行平板15材料是前后两面的偏角为的平板玻璃。
在球面面形干涉检测中旋转误差控制方法是：光源1的发散光经会聚透镜2成像聚焦于第一分划板3，再经半透半反镜4反射到物镜7产生平行光，入射至平行平板15，若平行平板15与平行光垂直，反射光沿原路返回，再经物镜7聚焦于第二分划板5，第二分划板5上有刻度，调节平行平板15与自准直仪的相对位置，在目镜6后观察聚焦十字线在第二分划板5中的位置，若被检面装置8上的旋转台13的旋转角度有偏差，入射平行光与平行平板15的表面不垂直，在目镜后观察到十字线与第二分划板的中心刻度不重合，接下来，U型旋转旋转台13，使用平行平板15的另一个表面来反射从自准直仪出射的平行光，直到旋转至观察到十字线的中心与第二分划板的中心重合；六个自由度运动的被检面装置8实现六维自由度运动，分别是光轴方向的移动z，垂轴方向的移动x，y；绕x轴方向的转动、绕y轴方向的转动
Figure 829575DEST_PATH_IMAGE003
，绕光轴z方向的转动
Figure 127833DEST_PATH_IMAGE004
，其中z方向的自由度控制被检面轴向运动，x、y方向的自由度控制被检面与参考面共光轴，绕x轴方向的转动
Figure 452635DEST_PATH_IMAGE002
、绕y轴方向的转动
Figure 822436DEST_PATH_IMAGE003
的自由度控制被检面的姿态，绕光轴z方向的转动的自由度控制180度位置的被检面相对于0度位置绕光轴自身旋转180度。
结合Zygo数字波面干涉仪，使用F/0.65的参考镜，检测F/0.68的被检镜，在球面面形干涉检测中旋转误差控制装置的使用方法如下:
1）将被检面装置、自准直仪安置在Zygo数字波面干涉仪前适当位置，安装参考镜和被检镜。
2）移动被检面装置，使得待测镜头和参考镜头共焦，判断共焦的标准仍是从被检镜头反射和参考镜头反射后的两个亮点重合在十字线的中心位置；将自准直仪安装在适当位置，转动旋转台，对待测镜头进行0度位置检测使得在自准直仪中分划板的中心能看到平板玻璃反射回来的十字线。调节被检镜直到Zygo数字波面干涉仪显示器上的干涉图上的条纹数最小，同时保证在自准直仪中分划板的中心能看到平板玻璃反射回来的十字线。配合Zygo数字波面干涉仪软件***进行多次测量，记录数据。
3）将旋转台旋转180度，对待测镜头进行180度位置检测，判断依据为：由于平行平板也同样旋转180度，在自准直仪中分划板的中心能看到平板玻璃反射回来的十字线。调节被检镜直到Zygo数字波面干涉仪显示器上的干涉图上的条纹数最小，同时保证在自准直仪中分划板的中心能看到平板玻璃反射回来的十字线。配合Zygo数字波面干涉仪软件***进行多次测量，记录数据。
4）将实验数据进行处理，所得结果如表1所示。
表1 利用旋转误差控制装置测得被检面的PV值和RMS值
。

Claims (3)

1.一种在球面面形干涉检测中旋转误差控制装置，其特征在于包括自准直仪(16)和六个自由度运动的被检面装置(8)，自准直仪包括光源(1)、会聚透镜(2)、第一分划板(3)、半透半反镜(4)、第二分划板(5)、目镜(6)、物镜(7)；在同一光轴上顺次设有目镜(6)、第二分划板(5)、半透半反镜(4)、物镜(7)、六个自由度运动的被检面装置(8)；半透半反镜(4)上方顺次设有第一分划板(3)、会聚透镜(2)、光源(1)；六个自由度运动的被检面装置(8)包括X轴运动平台(9)、Z轴运动平台(10)、Y轴运动平台(11)、控制二维倾斜平台(12)、U型旋转台(13)、导轨(14)和平行平板(15)；导轨(14)上从下到上依次设有X轴运动平台(9)、Z轴运动平台(10)、Y轴运动平台(11)、控制二维倾斜平台(12)、U型旋转台(13)和平行平板(15)；控制二维倾斜平台(12)侧面设有U型旋转台(13)；U型旋转台(13)上设有平行平板(15)。
2.根据权利要求1所述的一种在球面面形干涉检测中旋转误差控制装置，其特征在于所述的平行平板(15)材料是前后两面的偏角为                                                
Figure 201110106476X100001DEST_PATH_IMAGE001
的平板玻璃。
3.一种使用如权利要求1所述装置的在球面面形干涉检测中旋转误差控制方法，其特征在于光源(1)的发散光经会聚透镜(2)成像聚焦于第一分划板(3)，再经半透半反镜(4)反射到物镜(7)产生平行光，入射至平行平板(15)，若平行平板(15)与平行光垂直，反射光沿原路返回，再经物镜(7)聚焦于第二分划板(5)，第二分划板(5)上有刻度，调节平行平板(15)与自准直仪的相对位置，在目镜(6)后观察聚焦十字线在第二分划板(5)中的位置，若被检面装置(8)上的旋转台(13)的旋转角度有偏差，入射平行光与平行平板(15)的表面不垂直，在目镜后观察到十字线与第二分划板的中心刻度不重合，接下来，U型旋转旋转台(13)，使用平行平板(15)的另一个表面来反射从自准直仪出射的平行光，直到旋转至观察到十字线的中心与第二分划板的中心重合；六个自由度运动的被检面装置(8)实现六维自由度运动，分别是光轴方向的移动z，垂轴方向的移动x，y；绕x轴方向的转动
Figure 84912DEST_PATH_IMAGE002
、绕y轴方向的转动
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，绕光轴z方向的转动
Figure 836967DEST_PATH_IMAGE004
，其中z方向的自由度控制被检面轴向运动，x、y方向的自由度控制被检面与参考面共光轴，绕x轴方向的转动
Figure 95648DEST_PATH_IMAGE002
、绕y轴方向的转动的自由度控制被检面的姿态，绕光轴z方向的转动的自由度控制180度位置的被检面相对于0度位置绕光轴自身旋转180度。
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