CN1038781C - 高精度大孔径移相式数字平面干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度大孔径移相式数字平面干涉仪，它主要由立式菲索干涉仪、扩展装置、移相器及驱动源、控制源、图像采集***和微机等组成。其优点是仪器的有效检测孔径为Φ245mm，准确度为λ/50(峰-谷值)，***光学质量为λ/20，扩展孔径达到Φ500mm，准确度为λ/20。本仪器可自动校正移相器的非线性位移误差，并采用带阻尼扳的液面作为校正仪器***误差的基准平面，使仪器检测精度得到提高，特别适用于大口径光学平面玻璃的检测。

Description

高精度大孔径移相式数字平面干涉仪

本发明涉及一种平面干涉计量仪器，特别是一种高精度大孔径移相式数字平面干涉仪。

目前，采用移相干涉术原理进行平面检测的仪器，如美国Zygo公司的Mark型干涉仪，它的***中主要采用了一个卧式菲索型干涉仪，利用两只压电晶体在驱动源的驱动下水平推动参考平面位移，同时微机控制光电探测器和数据采集卡对位移的干涉图光强进行采样和数据存贮，最后利用移相干涉术的一般原理，复原出被测相位。该仪器测量孔径为4英寸(Φ102mm)情况下，测量准确度为λ/50(峰一谷值)，附加透镜装置可以测球面面形。通过利用远焦扩展***，使测试孔径扩展到12英寸(Φ300mm)，相应的测量精度下降为λ/10。Mark型干涉仪存在的主要不足是：①检测孔径小，只有4英寸(Ω102mm)，扩展后也只能达到12英寸(Φ300mm)，并目由于它的扩展是采用远焦***，此种仪器的精度只能达到λ/10，不能满足高精度、大孔径测量要求；②该仪器的***误差的绝对校正方法是利用三面互检，这种方法受到三面互检装置精度和方法本身精度的限制，使得仪器的初始校正就存在有误差，最终影响到仪器测量精度的提高；另外产品出厂是个带三块平板和三面互检装置的，因此用户无法自校正；③压电品体没行使用能产生非线性的补偿电压的控制源，因此对压电晶***移带来的非线性误差无法消除，又因为仪器使用移相干涉术复原波面，对压电晶体的位移误差比较敏感，所以使得仪器的精度受到很大影响；④价格昂贵，因为我国目前尚无这样大孔径平面测量仪器，如靠进口则每台要17万美元，如带远焦扩束***使孔径扩展到12英寸(Φ300mm)价格要达到25万美元。

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足而提供一种在一般的工作环境下能采用液面作为校正仪器***误差的绝对基准；能自动校正移相器的非线性位移误差以及能使检测孔径更大且扩展到Φ500mm的高精度大孔径移相式数字平面干涉仪。

本发明所述的高精度大孔径移相式数字平面干涉仪，它主要包括菲索型干涉仪、激光器、移相器及驱动源、图像采集***、微机及辅助设备，移相器位于菲索型干涉仪中参考平面镜的底部，并由驱动源驱动托住参考平面镜一起位移，图像采集***由CCD摄像机、图像采集卡和监视器组成，其中CCD摄像机的靶面与干涉仪的出瞳面共轭，CCD摄像机输出端与图像采集卡相连接，图像采集卡插在微机主机板槽中，受微机控制，图像采集卡还与监视器相接，其特征是移相器还由一个控制源控制，控制源的输入端与微机相接并由微机控制，输出端与驱动源相接，同步触发口与图像采集卡相接；菲索干涉仪为立式结构，校正仪器***误差的基准平面为液面，液面内放有阻尼板；在干涉仪中的参考平面镜的下方，有一个多功能工作台，它是由自平衡支撑台、旋转盘、丝杠传动机构和水平调节机构组成，为了克服大孔镜被测平板由自重而引起的垂矢导致面形的变形，采用九点支撑的自平衡支撑台，自平衡支撑台由台板和三块三角板组成，三角板的三个角上都装有支撑钉，三角板底面中心有一个活动连接的销钉，台板沿三个圆周等分线钻有一排定位孔，三角板分别位于台板的三个圆周等分线上，并通过销钉和定位孔与台板活动连接，旋转盘位于自平衡支撑台下方与之相连接，水平调节机构由底板和千分螺杆组成，丝杠传动机构固定在水平调节机构中的底板上，并位于旋转盘的下面。本发明是将光、机、电、算相结合，并集硬软件于一体，采用立式菲索干涉仪结构，使仪器的检测孔径达到Φ250mm，有效孔径为Φ245mm，本发明还根据子孔径重叠干涉检验复原全孔径面形的新方法，利用一个多功能工作台装置实现了仪器测量孔径由Φ245mm扩展到Φ500mm的大孔径下面的检测。另外，本发明的***误差校正采用液面，特别是在液面内加入防震的阻尼板与仪器隔震***相配合，从而使得液面在一般工作环境中作为干涉仪器校正***误差的绝对基准成为可能，保证了仪器测量的高精度，为保证仪器的检测精度，本发明还采取了以下措施，在移相器(PZT)上，采用了一个能产生非线性补偿的电压信号控制源，使得PZT的非线性位移误差得到校正，同时在移相干涉术的算法上又采用了对移相器的位移误差不敏感的新算法——重叠平均法，使得相位复原精度得到保证，提高了仪器的测量精度。本发明所述的移相式数字平面干涉仪，在出厂之前或用户认为需要时，首先利用液面作为绝对基准，通过移相干涉术获得仪器的***误差的修正值，把这一组修正值存贮在微机中，在以后的大平面实际检测中，每次都减去这组修正数据，就可以消除仪器本身不变的***误差。仪器的实际工作过程分两部分，一是仪器的初调，另一部分是检测过程，仪器的校正过程是这样的：先将被测平面或液盘放置在多功能工作台上，对仪器进行初调，由准直物镜出射的准直光束在参考平面镜的下表面反射和被测平面上表面或液面反射的光束经***传输后，成象在一个十字分划板上，再由CDD摄象机将其成像在靶面上，通过监视器来调整两支相干的光束所成的像点；使两像点在十字分划板的中央重合，这即是仪器的初调，然后将***中的一块可移动的反射镜通过手轮从调整光路移转到测量光路位置，此时，在监视器中就看到由参考平面和被测平面或液面两表面所形成的干涉条纹，通过精调多功能工作台的三个水平调整千分螺杆，使干涉条纹最简单，此刻干涉仪光路就调整完毕。平面或液面的测试过程是这样的：首先由微机对控制源进行初始参数设置(参数按移相器(PZT)校正后所获得的参数)，然后发出指令同时给控制源和图像采集卡；控制源按微机设置的时序和电压信号模式控制驱动电源驱动移相器(PZT)，PZT推动参考平面镜位移产生相位位移，CCD摄像机对干涉场进行多幅、列阵采样，然后由图象采集卡数字化存入图像帧存贮体内，这个过程采样和移相器的位移由微机控制同步进行，采样结束后由微机按照移相干涉术的算法算出被测平面或液面的面形，这里采用的是一种对移相器位移误差不敏感的新算法——重叠平均法，最后列表打印输出被测平面的光程差数据，形象、直观地给出被测面形的二维等值图、三维立体及一维平均平面面形偏差曲线。上述过程均由微机操作完成。

以上是本发明对小于Φ250mm的光学平板玻璃的检测过程，对于超过Φ250mm的大孔径光学平板玻璃的检测，是根据子孔径重叠干涉检验复原全孔径面形的新原理。将被测平面放置在多功能工作台上，并使被测平板的中心与工作台旋转中心重合以保证最佳支撑状态即由于大孔的光学平板玻璃自重引起的垂矢变形最小，然后根据被测平面的大小，由微机自动给出多功能工作台的一维位移参数和相应于各子孔径的角度参数。一维位移参数是工作台旋转中心与干涉仪孔径中心的偏移量，角度参数是指测量各子孔径面形时，被测镜所对应的旋转角度值。单个子孔径的测量方法与上述一致。在被测的所有子孔径面形测试完成后，利用子孔径重叠干涉检验复原全孔径面形新原理的数学模型，微机程序将自动消除各子孔径之间的相对倾斜和相对轴向位移，恢复出被测件的全口径面形，并输出最终结果。

本发明与现有技术相比其显著的优点是：①本仪器采用立式菲索干涉仪结构，使有效检测口径达到Φ245mm，并根据子孔径重叠干涉检验复原全孔径面形的新原理，采用一个多功能工作台的扩展装置，使仪器的检测孔径可由Φ245mm扩展到Φ500mm，实现了大孔径平面的高精度检测；②干涉仪采用液面为仪器***误差校正的基准平面，并在液面中加入了防震动的阻尼板，使得液面可以在一般工作环境下作为校正干涉仪***误差的第一基准，保证了仪器测量孔径在Φ245mm的情况下，光学***质量达λ/20，准确度达到λ/50，扩展至Φ500mm时，准确度达到λ/20，需要指出，用户可根据使用情况，随时利用液面进行自校正，消除***误差，保证仪器高精度；③本仪器采用一个能产生非线性补偿电压信号的控制源，使得移相器(PZT)的非线性位移误差得到校正，校正后非线性达到0.1％，同时又使用重叠平均法，使得相位复原精度得到进一步保证；④仪器价格降低，大约只需33万人民币。

本发明的具体结构由以下附图和实施例给出。

图1是本发明移相式数字平面干涉仪的原理框图。

图2.1和22是移相式数字平面干涉仪使用调整时的光路示意图。

图3.1和3.2是移相式数字平面干涉仪测量时的光路示意图。

图4是移相式数字平面干涉仪中多功能工作台的结构示意图。

图5是多功能工作台中自平衡支撑台的结构示意图。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

参见图1，根据本发明所述的高精度大孔径移相式数字平面干涉仪主要由菲索型立式干涉仪1、图像采集***2、移相器3、驱动源4、控制源5、AST/386微机6和打印机7以及绘图仪8组成。菲索立式干涉仪1采用He-Ne激光器9为激光光源，图像采集***2由CCD摄像机10、图像采集卡11和监视器12组成，CCD摄像机10的靶面应与干涉仪1的出瞳面共轭，输出端与图像采集卡11相接，图像采集卡11插在微机6主机板槽中，受微机控制，同时输出端还与监视器12相接。移相器3由三个压电晶体组成，它们均匀分布在菲索立式干涉仪中参考平面镜13的底部的边缘上并托住参考平面镜13，见图2和图3。驱动源4有三个电压输出端，分别控制三个压电晶体的伸长量，三个输出电压值可以分别调节，以保证三个压电晶体的伸长量达到一致；控制源5由主、从两个8031单片机组成，能产生非线性电压信号和正弦电压信号，用于补偿移相器3的非线性误差，使校正后的移相器非线性为0.1％，同时，控制源5通过RS232口与微机相接，并受控于微机6，使得移相器3和图像采集卡11的采样同步进行。参见图2、图3，参考平面镜13的孔径为Φ250mm，厚度为40mm，面形的平面度为λ/20，考虑到大孔平面光学零件产生的垂矢，所以参考平面镜13的面形有极少量的低光圈，采用K9玻璃制成；干涉仪1的第一基准平面选择液面14，用一个孔径Φ500mm的铝制盘，液体采用与玻璃反射率基本一致的液体石蜡(反射率为3.56％)，为了阻尼液体的震动，在液面14内还有一个布满棱形凸体的阻尼板16；在参考平面镜13的下面设置了一个多功能工作台17，参见图4，它是由自平衡支撑台、旋转盘18、丝杠传动机构19和水平调节机构20组成，参见图5，自平衡支撑台由台板21和三块三角板22组成，台板21与三角板22均由铝板制成，台板直径为350mm，沿120度圆周等分半径方向钻有一排定位孔23，三角板22的三个角上都装有支撑钉24，底面中心还有一个活动连接的销钉25，三角板22通过销钉25插在台板21的定位孔23内。见图4，自平衡支撑台位于旋转盘18上，旋转盘18可360°旋转，外部带刻度盘，精度为41旋转盘18固定在丝杠传动机构19外部的支撑座上，丝杠传动机构19的精度是0.02mm，行程是200mm，它固定在一个由底板和千分螺杆组成的水平调节机构20上。本发明在液面调整和测试时，将液面14和被测平板玻璃15分别放置在自平衡支撑台上即可，见图2和图3。

Claims (1)

1. 一种高精度大孔径移相式数字平面干涉仪，它主要包括菲索型干涉仪[1]，激光器[9]、图像采集***[2]、移相器[3]及驱动源[4]、微机[6]及辅助设备[7]、[8]，移相器[3]位于菲索型干涉仪[1]中参考平面镜[13]的底部，并由驱动源[4]驱动托住参考平面镜[13]一起位移，图像采集***[2]由CCD摄像机[10]、图像采集卡[11]和监视器[12]组成，其中CCD摄像机[10]的靶面与干涉仪[1]的出瞳面共轭，CCD摄像机[10]输出端与图像采集卡[11]相接，图像采集卡[11]插在微机[6]主机板槽中，受微机[6]控制，图像采集卡[11]还与监视器[12]相接；其特征是移相器[3]还由一个控制源[5]控制，控制源[5]的输入端与微机[6]相接，并由微机控制，输出端与驱动源[4]相接，同步触发口与图像采集卡[11]相接，菲索干涉仪为立式结构，校正仪器***误差的基准平面为液面[14]，液面[14]内放有阻尼板；在干涉仪[1]中的参考平面镜[13]的下方，有一个多功能工作台[17]，它是由自平衡支撑台、旋转盘[18]，丝杆传动机构[19]和水平调节机构[20]组成，自平衡支撑台由台板[21]和三块三角板[22]组成，三角板[22]的三个角上都装有支撑钉[24]，三角板[22]底面中心有一个活动连接的销钉[25]，台板[21]沿三个圆周等分线钻有一排定位孔[23]，三角板[22]分别位于台板[21]的三个圆周等分线上，并通过销钉[25]和定位孔[23]与台板[21]活动连接；旋转盘[18]位于自平衡支撑台下方与之相连接，水平调节机构[20]由底板和千分螺杆组成，丝杠传动机构[19]固定在水平调节机构[20]的底板上，并位于旋转盘[18]的下面。

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