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专利名称：一种子孔径拼接干涉仪系统及测量光学镜片面形的方法
技术领域：
本发明属于光学检测技术领域，涉及ー种用子孔径拼接測量光学面形的机构。
背景技术：
高精度干涉仪表面测量变得越来越重要，不但在传统的光学制造领域，而且在像光盘面或者半导体晶体面这样的新领域。PV值在亚纳米范围的检测精度要求越来越多。在高精度移相干涉仪中，主要測量參考面和待测面的相位差，測量结果既有待测面的面形误差，又有參考面的误差。移相干涉测量法的測量重复性精度非常高，但是测量的精度受限于參考面的精度。如果參考面的误差可以移除，整个干涉仪的测量精度就可以有较大提高。绝对测量方法就是在这种背景下提出的，通过在移相干渉法的基础上增加一定的操作，来移除參考面的误差，从而达到提高测量精度的目的。
随着科学技术的不断发展，大口径光学系统在天文光学、空间光学、空间目标探測与识别、惯性约束聚变(ICF)等高技术领域得到了越来越广泛的应用，因此大口径光学元件的制造需要与之精度相适应的检测方法和仪器。目前大口径光学元件的表面加工质量一般是使用大口径的移相干涉仪，这就要求要有一块与被测元件尺寸相同或者更大的标准面形，而这样ー个高精度的标准表面，不仅加工难度极大，而且制造周期长，制造成本高，这些都无形地増加了检测的成本和难度。为了寻求ー种低成本的检测手段，国外在20世纪80年代开展了子孔径拼接这一方案的研究，即使用小口径、高精度、高分辨率的干渉仪通过相关拼接技术来复原大口径光学元件的波前相位数据，这是一项新的高精度、大孔径面形检测手段，它既保留了干涉测量的高精度，又免去了使用与全孔径尺寸相同的标准波面，从而大大降低了成本，同时还可以获得大孔径干涉仪所截去的波面高频信息。2003年美国QED技术公司研制成功了 SSI自动拼接干涉仪，能够高精度检测口径200mm以内的平面、球面、适当偏离度的非球面。其拼接算法在继承了早期算法的优点外，还补偿了通常算法所校正的相对调整误差之外的系统误差，进ー步提高了拼接精度。国内，子孔径测试技术的研究开始于上世纪90年代初，主要用于大口径平面光学元件检测。南京理工大学把子孔径测试技术应用到相移平面干涉仪中，将测试口径范围从250mm 扩展到 500mm。90年代中后期，浙江大学现代光学仪器国家重点实验室用子孔径测试技术检验了某资源卫星的RC光学系统，并提出了拼接目标函数分析法，在减少子孔径间两两拼接造成误差累积和传递方面具有积极的意义。振动对精密光机系统有较大影响多种旋转及往复运动设备在工作状态下均会产生振动，这些振动会对精密光机系统造成多种不利影响1.振动会降低精密仪器的精度，2.数据采集重复性差，3.影响光机设备的使用寿命，4.对有些灵敏的继电器，振动甚至会引起其误操作，从而导致事故。移相干渉仪对环境中的振动噪声敏感，因为振动噪声将使得两相干光的光程差随机变化，探测器获得的干涉条纹出现抖动，变得�：�，条纹的对比度降低，产生频率为干涉条纹2倍空间频率的波纹误差。环境中的振动噪声主要有通过地表传播的机械振动和空气流动，振动的特征复杂，振动的频率从几赫兹到几千赫兹，振动幅度也各不相同。空气流动会使局部区域内空气密度不均匀，改变測量波的波前，带来误差。为减小空气流动引起的误差，要求干涉仪放在密闭恒温室空间内，在仪器进行高精度測量前，需要等待一段时间，以使内部的温度平衡和气流平衡，以减小因温差和人活动带来的气流运动。测试时室内人员不易过多，且不能走动，最好是人员事先对干涉仪进行设置然后离开实验室，让干涉仪稳定后自动进行測量，因为人的呼吸和体温都会带来空气流动。为减小机械振动带来的误差，要求将干涉仪放在混凝土浇注的地基上，并使用有防震垫的工作台(光学平台、大理石平台、气浮垫)，这样会大大衰减大幅的震动。为减小小幅振动的影响，研究人员进行大量的研究。Pablo D. Rui等人对光学平台上的振动进行实验研究指出，振动的幅度与振动频率成反比，振动的能量主要集中在100赫兹以下。1996年P. de Groot用简谐振动作为噪声模型，对轴向振动噪声的影响进行傅里叶分析，并对振动噪声的影响进行数值模拟，得到误 差RMS与振动频率关系。高精度测量过程中，振动，温度，气流波动，湿度等环境因素会影响测量的重复性和測量精度。气浮导轨定位精度高，但是气浮导轨有气膜波动，在垂直于待测镜方向会有振动，振动频率在IOOHz以内，对激光干涉仪的移相精度有较大影响。

发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种带有隔振效果的子孔径拼接干涉仪系统及测量光学镜片面形的方法，以实现在检测过程中隔离振动，減少气流和温度波动，同时在子孔径拼接过程中进行绝对测量。为达成所述目的，本发明提供一种子孔径拼接干渉仪系统，包括地面隔振单元、隔断层、填充物、第一主动隔振単元、平台、气浮导轨、第一平台、第二主动隔振単元、第二平台、移动机构、转台、待测光学镜片、激光干涉仪、衍架，透明罩，其中在地面隔振单元的坑内安置隔断层，隔断层，用干与周围地下物质隔断；在隔断层内放置有填充物，填充物，用于减少地面振动的传导；在地面隔振单元、隔断层、填充物上面放置第一主动隔振単元，第一主动隔振单元，用于将地面振动隔离；在第一主动隔振单元上放置平台；在平台的承载台面上放置气浮导轨；在气浮导轨上方放置第一平台；在第一平台上方放置第二主动隔振単元，第二主动隔振単元，用于隔离气浮导轨产生的气膜波动；在第二主动隔振单元上面放置第二平台；第二平台上方放置移动机构，第二平台，用于承载移动机构，同时第二平台的两侧有配重，用于降低承载重心；在移动机构上方放置转台；转台上方放置待测光学镜片，转台，控制待测光学镜片的转动，用于对待测光学镜片做绝对测量标定，把激光干渉仪參考面的误差测量出来；移动机构，控制待测光学镜片移动，用于调整待测光学镜片在X，I方向傾斜，用于调整待测光学镜片在X，1，Z方向位移參数；气浮导轨，用于控制气浮导轨上的第一平台、第二主动隔振单元、第二平台、移动机构、转台、待测光学镜片进行ニ维运动；激光干涉仪位于待测光学镜片的上方，用于测量待测光学镜片的待测平面的面形，激光干涉仪含有參考平面；衍架，用于固定激光干涉仪，并且衍架固定在平台上；透明罩，其固定在平台上；透明罩内部放置气浮导轨、第一平台、第二主动隔振单元、第二平台、移动机构、转台、待测光学镜片、激光干渉仪和衍架，用于使测量环境与周围空气隔离。为达成所述目的，本发明提供ー种使用子孔径拼接干涉仪测量光学镜片面形的方 法，所述测量光学镜片面形步骤如下第一歩调整第一主动隔振単元和第二主动隔振単元，通过振动測量器件观测振动振幅稳定后即开始下面步骤；第二步调整移动机构，消除待测光学镜片相对于激光干涉仪的參考平面的倾斜和位移误差，同时使激光干渉仪參考平面中心和待测光学镜片中心对准；第三步将待测光学镜片固定在转台中，将待测光学镜片的待测平面划分为η个子孔径，子孔径的大小与激光干涉仪的通光口径一致；首先待测平面对准激光干涉仪中心，此时中心点坐标定为(0，0)，定义此时为第一子孔径，控制激光干涉仪测量，测出此时的第一子孔径的面形信息为B1, B1表示待测光学镜片在中心位置第一子孔径时的面形信息；第四步使转台旋转待测光学镜片，利用奇偶函数法、角度剪切法或者角度等分旋转绝对測量算法对待测光学镜片进行绝对标定；将待测光学镜片的面形和激光干渉仪的參考面的面形分离，从而求出待测光学镜片的待测平面的对应子孔径面形信息B/和激光干涉仪的參考面的面形信息A ;第五步控制气浮导轨的第一层导轨沿X负方向移动距离r，移动距离r为激光干涉仪的參考平面的半径长度，这时子孔径圆心位置由(0，0)变为(r，O)，此时激光干涉仪的中心对准待测光学镜片的待测平面的第二子孔径圆心位置(r，0)，测出此时的第二子孔径的面形信息为B2，B2表示待测光学镜片在第二子孔径时的面形信息，继续控制气浮导轨移动，第一层导轨控制第二层导轨在X方向移动，第二层导轨控制第一平台在I方向移动，测量剩余的子孔径B3, B4,...，Bn;第六步根据η个子孔径的测量结果B1, Β^··Βη，同时将测量结果减去激光干涉仪的參考面的面形信息，得到去除參考面形后的子孔径面形B1’，Β2’…Βη’，最后对去除參考面形后的子孔径面形B/，Β2’…Βη’求和获得待测光学镜片的全孔径面形信息B = Β/+Β2’+···Βη，。本发明的有益效果提供一种带有隔振效果的子孔径拼接干涉仪机构是通过多层隔振处理，可以隔离地面振动对测量的影响，通过加上玻璃罩，在測量空间中充氮气，減少气流和温度波动，通过在气浮导轨上方加主动隔振単元，减少气膜波动对移相的影响。同时，机构可以做ニ维平移和旋转的运动，可以在拼接过程中实现绝对测量。


图I为本发明装置的结构示意图；图2为距离主要交通干道较近时，街道交通车辆的震动情况；图3为隔振地基(地面隔振单元)隔振效果图；图4为振动误差与振动频率的关系图；图5为本发明装置中气浮导轨的示意图；·
图6a为本发明中子孔径相对待测光学镜片的移动轨迹；图6b为本发明中第一个子孔径图形和第二个子孔径图形；图7为本发明使用子孔径拼接检测的待测平面；图8为本发明光学面形的检测方法过程流程具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并參照附图，对本发明进ー步详细说明。如图I表示本发明装置的结构示意图，由地面隔振单元I、隔断层2、填充物3、第一主动隔振単元4、平台5、气浮导轨6、第一平台7、第二主动隔振単元8、第二平台9、移动机构10、转台11、待测光学镜片12、激光干涉仪13、衍架14、透明罩15组成。其中在地面隔振单元I的坑内安置隔断层2，隔断层2，用干与周围地下物质隔断；在隔断层2内放置有填充物3，填充物3，用于减少地面振动的传导；在地面隔振单元I、隔断层2、填充物3的上面放置第一主动隔振単元4，第一主动隔振单元4，用于将地面振动隔离；在第一主动隔振单元4上放置平台5 ；在平台5的承载台面上放置气浮导轨6 ；在气浮导轨6上方放置第一平台7 ；在第一平台7上方放置第二主动隔振単元8，第二主动隔振単元8，用于隔离气浮导轨6产生的气膜波动；在第二主动隔振单元8上面放置第二平台9 ；第二平台9上方放置移动机构10，第二平台9，承载移动机构10，同时第二平台9的两侧有配重，用于降低承载重心；由于第二平台9放置在第二主动隔振单元8上方，如果第二平台9的中心不能降低到台面以下，第二主动隔振単元8在隔振过程中会产生晃动，导致隔振失败。因此，第二平台需配重，用于降低重心。在移动机构10上方放置转台11 ;转台11上方放置待测光学镜片12，转台11，用于控制待测光学镜片12的转动，用于对待测光学镜片12做绝对测量标定，把激光干涉仪13參考面的误差测量出来；移动机构10，控制待测光学镜片12移动，用于调整待测光学镜片12在X，y方向傾斜，用于调整待测光学镜片12在X，y，z方向位移參数；气浮导轨6，用于控制气浮导轨6上的第一平台7、第二主动隔振単元8、第二平台9、移动机构10、转台11、待测光学镜片12进行ニ维运动；激光干涉仪13位于待测光学镜片12的上方，用于测量待测光学镜片12的待测平面的面形，激光干涉仪13含有參考平面；衍架14，用于固定激光干涉仪13，并且衍架固定在平台5上；透明罩15，其固定在平台5上；透明罩内部放置气浮导轨6、第一平台7、第二主动隔振单元8、第二平台9、移动机构10、转台11、待测光学镜片12、激光干涉仪13和衍架14，用于使测量环境与周围空气隔离。隔振技术分为主动隔振技术与被动隔振技术。主动隔振技木对于本身是振源的设备，为了减小设备对周围的影响，使用隔振器将设备与基础隔尚开来，减小设备传导基础的カ，称为主动隔振。
被动隔振技木对于允许振动很小的防振的设备，为了减小周围振源对设备的影响，使用隔振器将设备与基础隔离开来，减小基础传到设备的振动，称为被动隔振。被动隔振也分为两种形式ー种是主动式、ー种是被动式；两者具有相同的隔振原理，都是需要隔振系统，使大部分振动为隔振系统所吸收，减轻振源对隔振对象的作用。主动式被动隔振也成伺服式，根据自适应控制原理，把系统对激振的响应反馈到控制系统中，控制系统及时改变隔振装置的特性，进ー步提高隔振效果，隔振的效果取决于伺服控制系统的设计；优点是及时响应减小振动，对任意频段的振动抑制效果都好，防共振性能高，应变性极强。被动式被动隔振是依靠隔振器自身结构特性降低振动能量，隔振的效果取决于隔振器的设计；优点是能有效隔离振动，对中高频段的振动抑制最好。被动隔振技术原理
_] ΓΓ
|[i-(/；/,)2J+4^2(/ y0)2其中Ta表示传递率，ξ表示系统阻尼，f表示环境频率,f(!表示固有频率。如图2所示，为振动传递率曲线。根据振动传递率公式可看出隔尚振动主要是必须使环境振动的频率与隔振系统的固有频率之比大于。当f/も=I时，振动传递率为最大，力传递有放大现象，此时整个隔振系统处于危险的共振状态；当///0=^时，传递率Ta= 1，此时隔振系统无隔振效果，传递カ也不放大；当/// >ム时，传递率Ta < 1，产生隔振效果。在光学精密测量时，通常取 8-10。由于实验室周围存在机动车，人流，设备等振动源，需要采用地面振动隔离单元隔离地面振动。图2为附近距离主要交通要道时街道交通车辆震动情況。图中看出，车辆振动频率接近干涉仪的敏感频率(I-IOOHz)，对干涉仪测量有较大影响，因此需要采用地面隔振单元I来隔离振动。系统固有频率系统作受迫振动时，激振力频率有任何微小改变均会使系统响应下降的现象。即激振カ频率等于系统的频率,使系统产生共振时的频率,又称共振频率、自然频率、自振频率，単位为赫兹(Hz)。设计使使用下式计算
权利要求
1.一种子孔径拼接干渉仪系统，其特征在于，包括地面隔振单元、隔断层、填充物、第一主动隔振単元、平台、气浮导轨、第一平台、第二主动隔振単元、第二平台、移动机构、转台、待测光学镜片、激光干涉仪、衍架，透明罩，其中 在地面隔振单元的坑内安置隔断层，隔断层，用干与周围地下物质隔断； 在隔断层内放置有填充物，填充物，用于减少地面振动的传导； 在地面隔振单元、隔断层、填充物上面放置第一主动隔振単元，第一主动隔振単元，用于将地面振动隔离； 在第一主动隔振単元上放置平台； 在平台的承载台面上放置气浮导轨； 在气浮导轨上方放置第一平台； 在第一平台上方放置第二主动隔振単元，第二主动隔振単元，用于隔离气浮导轨产生的气膜波动； 在第二主动隔振単元上面放置第二平台； 第二平台上方放置移动机构，第二平台，用于承载移动机构，同时第二平台的两侧有配重，用于降低承载重心； 在移动机构上方放置转台；转台上方放置待测光学镜片，转台，控制待测光学镜片的转动，用于对待测光学镜片做绝对测量标定，把激光干渉仪參考面的误差测量出来；移动机构，控制待测光学镜片移动，用于调整待测光学镜片在X，I方向傾斜，用于调整待测光学镜片在X，y，Z方向位移參数；气浮导轨，用于控制气浮导轨上的第一平台、第二主动隔振单元、第二平台、移动机构、转台、待测光学镜片进行ニ维运动； 激光干涉仪位于待测光学镜片的上方，用于测量待测光学镜片的待测平面的面形，激光干涉仪含有參考平面； 衍架，用于固定激光干涉仪，并且衍架固定在平台上； 透明罩，其固定在平台上；透明罩内部放置气浮导轨、第一平台、第二主动隔振単元、第ニ平台、移动机构、转台、待测光学镜片、激光干渉仪和衍架，用于使测量环境与周围空气隔离。
2.如权利要求I所述子孔径拼接干渉仪系统，其特征在于由地面隔振单元、隔断层和填充物共同作用形成对地面振动隔离，用于衰减地面振动。
3.如权利要求I所述子孔径拼接干渉仪系统，其特征在于所述第一主动隔振单元是空气弹簧、气浮腿、减振器中的ー种。
4.如权利要求I所述子孔径拼接干渉仪系统，其特征在于所述第二主动隔振单元是空气弹簧或者减振器。
5.如权利要求I所述子孔径拼接干渉仪系统，其特征在于地面隔振单元的固有频率为,第一主动隔振单元固有频率为f2,第二主动隔振单元固有频率为f3,需满足も> f2 >f3。
6.如权利要求I所述子孔径拼接干渉仪系统，其特征在于所述气浮导轨包括第一层导轨和第二层导轨，第一层导轨控制第二层导轨在X方向移动，第二层导轨控制第一平台在y方向移动。
7.如权利要求I所述子孔径拼接干渉仪系统，其特征在于测量过程中所述透明罩的内部充氮气或者氦气，或抽真空。
8.如权利要求I所述子孔径拼接干渉仪系统，其特征在于所述移动机构是五维调整架、六维调整架、八维调整架中的ー种。
9.如权利要求I所述子孔径拼接干渉仪系统，其特征在于所述第二平台两侧有配重，使整个平台的重心降到平台面以下。
10.ー种使用权利要求I所述的子孔径拼接干涉仪系统测量光学镜片面形的方法，其特征在于所述测量光学镜片面形步骤如下 第一歩调整第一主动隔振単元和第二主动隔振単元，通过振动測量器件观测振动振幅稳定后即开始下面步骤； 第二步调整移动机构，消除待测光学镜片相对于激光干涉仪的參考平面的倾斜和位移误差，同时使激光干渉仪參考平面中心和待测光学镜片中心对准； 第三步将待测光学镜片固定在转台中，将待测光学镜片的待测平面划分为η个子孔径，子孔径的大小与激光干涉仪的通光口径一致；首先待测平面对准激光干涉仪中心，此时中心点坐标定为(0，0)，定义此时为第一子孔径，控制激光干涉仪测量，测出此时的第一子孔径的面形信息为B1, B1表示待测光学镜片在中心位置第一子孔径时的面形信息； 第四歩使转台旋转待测光学镜片，利用奇偶函数法、角度剪切法或者角度等分旋转绝对测量算法对待测光学镜片进行绝对标定；将待测光学镜片的面形和激光干涉仪的參考面的面形分离，从而求出待测光学镜片的待测平面的对应子孔径面形信息B/和激光干涉仪的參考面的面形信息A ; 第五步控制气浮导轨的第一层导轨沿X负方向移动距离r，移动距离r为激光干涉仪的參考平面的半径长度，这时子孔径圆心位置由(0，0)变为(r，O)，此时激光干涉仪的中心对准待测光学镜片的待测平面的第二子孔径圆心位置(r，0)，测出此时的第二子孔径的面形信息为B2，B2表示待测光学镜片在第二子孔径时的面形信息，继续控制气浮导轨移动，第ー层导轨控制第二层导轨在X方向移动，第二层导轨控制第一平台在I方向移动，測量剰余的子孔径 B3, B4, . . .，Bn ; 第六步根据η个子孔径的测量结果B1, Β^··Βη，同时将测量结果减去激光干渉仪的參考面的面形信息，得到去除參考面形后的子孔径面形B/，Β2’…も’，最后对去除參考面形后的子孔径面形Β/，Β2’…Βη’求和获得待测光学镜片的全孔径面形信息B = B/ +Β2’ +…Βη，。
全文摘要
本发明是一种子孔径拼接干涉仪系统，包括在地面隔振单元、填充物，隔断层、第一主动隔振单元、平台、气浮导轨、第一平台、第二主动隔振单元、第二平台、移动机构、转台、待测光学镜片、气浮导轨、衍架、透明罩。本发明提供一种带有隔振效果的子孔径拼接干涉仪机构是通过多层隔振处理，可以隔离地面振动对测量的影响，通过加上玻璃罩，在测量空间中充氮气，减少气流和温度波动，通过在气浮导轨上方加主动隔振单元，减少气膜波动对移相的影响。同时，机构可以做二维平移和旋转的运动，可以在拼接过程中实现绝对测量。本发明还提供一种使用子孔径拼接干涉仪系统测量光学镜片面形的方法。
文档编号G01B11/24GK102865809SQ20121032558
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月5日 优先权日2012年9月5日
发明者贾辛, 徐富超, 谢伟民, 邢廷文 申请人:中国科学院光电技术研究所