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专利名称：基于多特征匹配和平均法的球面绝对测量方法
技术领域：
本发明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领域。
背景技术：
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进行相对测量，通过数据处理分别计算出被测球面光学元件面形误差的旋转对称和非对称部分，然后合成上述计算结果即可得到被测光学元件面形误差信息。平移旋转法避免使用“猫眼”位置，且具有非常大的应用范围。然而，该测量方法需要对大范围高精密六维调整装置以满足精密旋转和平移后的干涉零检测，同时数据处理方法较为复杂。综上所述，绝对测量方法是一种提高球面面形检测精度的有效方法。基于“猫眼” 位置测量和多次共焦位置测量的绝对测量方法可以实现被测球面面形的绝对测量，具有较大的实际应用价值，当前采用该原理的方法有三位置法和五位置法。三位置法需要采用复杂的八维调整架以实现正确的共焦位置测量调整；五位置法以测量数据中心作为基准点， 且要求旋转过程中干涉条纹不发生明显变化，这在实际操作中需要耗费大量时间进行光路反复调整。

发明内容
本发明的目的是克服现有基于“猫眼”测量和三次或五次共焦测量的球面绝对测量的技术缺陷，在实际测量中方便快速地实现具有正确旋转角度的共焦位置测量，为此本发明提出一种基于多特征匹配和平均法的球面绝对测量方法。
为实现上述目的，本发明提供的基于多特征匹配和平均法的球面绝对测量方法的技术方案包括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180X(N+1)/ N度共焦位置测量组成；第N组由“猫眼”位置测量、360X(N-1)/2N度共焦位置测量和 360 X (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。本发明与现有技术相比的优点在于
(1)本发明的方法中采用一次“猫眼”位置测量和2N次共焦位置测量，较传统的三位置或五位置法具有较大的可扩展性和适应性。(2)本发明的方法中采用组合N组三位置法计算结果，旋转到同一方向后的平均结果具有更高的准确性。(3)本发明的方法中采用多特征匹配进行旋转角度控制，操作简单且旋转角度精度较高。(4)本发明避免使用复杂的八维精密调整装置，同时可避免多次共焦位置测量时反复光路调整的麻烦。综上所述，本发明通过多特征匹配可以保证多个共焦位置测量时相对旋转角度的准确性，避免使用复杂精密调整装置和繁琐的光路调整过程。平均法用于组合N组三位置法计算结果以提高被测球面光学元件绝对测量结果的准确性。本发明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。


图1为本发明方法所采用的凹球面测量系统示意图；图2为本发明方法所采用的凸球面测量系统示意图；图3为本发明的六维调整架的结构图；图4a至图4e为本发明中的五位置法(N = 2)测量结果及特征识别和点匹配示意图；图5a至图5d为本发明中的不规则特征识别及区域匹配示意图；图6a至图6b为本发明中“猫眼”位置测量和共焦位置测量典型干涉图；图7为本发明中的五位置法(N = 2)示意图；图8为本发明中的检测和数据处理流程图。
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，并参照附图，对本发明进一步详细说明。图1为本发明方法所采用的凹球面测量系统示意图，图2为本发明方法所采用的凸球面测量系统示意图。该方法可以用在卧式和立式干涉测量系统中。本发明用于凹球面和凸球面检测的绝对测量系统结构相同，只是其被测球面光学元件口径和曲率半径范围存在不同，由标准镜头口径和相对口径决定。本发明通过对一个“猫眼”位置干涉测量和2N(N =1，2，3，4…)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。当N = 1时为传统的三位置法，当N = 2时为五位置法。多个特征匹配将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，平均法用来组合多次由“猫眼”位置测量、被测球面光学元件4在某一共焦位置测量和相对旋转180度后共焦位置测量组成的三位置法绝对球面测量方法，以提高球面绝对测量方法的准确性。如图1和图2所示，本发明方法采用的系统装置由菲索型相移干涉仪1、标准镜头 2、被测球面光学元件4、六维调整架5、电控平移台6、驱动器7和计算机控制及数据处理系统8组成。计算机控制及数据处理系统8经过驱动器7控制电控平移台6在菲索型相移干涉仪1光轴方向移动。如图3所示，本发明中的六维调整架5由自定中心镜架51、绕光轴中心360度旋转转台52、二维倾斜调整架53和三维平移台54组成。安装在旋转转台上的自定中心镜架51用于装卡被测光学元件4，旋转转台52后面分别随次安装二维倾斜调整架 53和三维平移台53。六维调整架5可以电控或手动调整。旋转转台52分辨率为0.01度以上，定位精度为0. 1度以上；三维平移台54精度为微米级。图8示出本发明的检测步骤和数据处理方法如下第一步将菲索型相移干涉仪1、标准镜头2、被测球面光学元件4、六维调整架5、 电控平移台6、驱动器7和计算机控制及数据处理系统8按图1或图2所示安装和连接好。 在菲索型相移干涉仪1的光轴上依序安装标准镜头2、被测球面光学元件4、六维调整架5， 被测球面光学元件4、六维调整架5置于电控平移台6上，电控平移台6和驱动器7分别与计算机控制及数据处理系统8连接，菲索型相移干涉仪1与计算机控制及数据处理系统8 连接；在被测球面光学元件4上设置三个及以上特征标记；在被测球面光学元件4上设置多个特征标记，该特征标记可以是对称的圆形，也可以是任意不规则形状，该特征标记将使得干涉测量结果中对应数据丢失。多个特征的匹配是将由计算机控制及数据处理系统8根据设置在被测球面光学元件4表面的多个特征标记在共焦位置测量数据中形成的特征进行几何中心位置和形状参数计算，进而对多个共焦位置测量间相对旋转角度进行控制；通常三个特征标记可以确定多个共焦位置测量间相对旋转角度，或更多的特征标记有利于提高旋转角度精度，但会丢失更多的有效测量数据，在实际操作中以满足误差容限要求作为特征标记数量优化选择依据。图4a为五位置法(N = 2)中被测球面光学元件4在“猫眼” 位置测量结果示意图，图4b-图4e为五位置法(N = 2)中被测球面光学元件4在0度、90 度、180度和270度共焦位置测量结果示意图，其中采用3个圆形标记作为基准。图5a-图 5b为采用多个不规则形状标记作为基准的共焦位置测量结果示意图，它们之间旋转角度为 180 度。第二步通过计算机控制及数据处理系统8经过驱动器7初步控制电控平移台6 在光轴方向移动被测球面光学元件4到标准镜头2中参考面3的曲率半径位置处，“猫眼” 位置如图1和图2中虚线位置所示。然后通过六维调整架5精密调整，将被测球面光学元件4调整到虚线处的位置，以实现该“猫眼”位置零检测，其典型干涉图如图6a所示，并保存该“猫眼”位置测量数据W。(x，y)。第三步通过计算机控制及数据处理系统8经过驱动器7初步控制电控平移台6 在光轴方向移动被测球面光学元件4到共焦位置处；被测球面光学元件4为凹球面的共焦位置为参考面3和被测球面光学元件4的曲率半径之和，被测球面光学元件4为凸球面的共焦位 置为参考面3和被测球面光学元件4的曲率半径之差；共焦位置如图1和图2中被测球面光学元件4实线位置所示。通过六维调整架5精密调整被测球面光学元件4位置以实现该共焦位置零检测，其典型干涉图如图6b所示，并保存该共焦位置测量数据\(x，y)。 通过计算机控制及数据处理系统8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。图4b-图4e中标识出了圆形标记的几何中心。第四步通过六维调整架5中精密转台52将被测球面光学元件4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W(18CI/N)(X，y)。通过计算机控制及数据处理系统8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。如图4b-如图4e所示，多特征匹配中对称分布的特征适合采用几何中心位置匹配； 如图5a-图5b所示，不规则特征适合采用区域匹配方法。要满足误差容限要求，则进行第五步，若不满足，则通过六维调整架调整被测光学元件位置，重复该步骤直至达到要求。两组对应基准点之间存在平移、旋转和变比变换关系，可以表示如下
权利要求
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180X (N+l)/N度共焦位置测量组成；第N组由“猫眼”位置测量、360X (N-I)/2N度共焦位置测量和360X (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。
2.根据权利要求1所述的基于多特征匹配和平均法的球面绝对测量方法，其特征在于还包括对多个特征的匹配是将由计算机控制及数据处理系统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进行几何中心位置和形状参数计算，进而对多个共焦位置测量间相对旋转角度进行控制；利用三个特征标记确定多个共焦位置测量间相对旋转角度，或更多的特征标记有利于提高旋转角度精度，但会丢失更多的有效测量数据，在实际操作中以满足误差容限要求作为特征标记数量优化选择依据。
3.根据权利要求2所述的基于多特征匹配和平均法的球面绝对测量方法，其特征在于多个特征的匹配中具有对称分布的特征适合采用几何中心位置匹配，多特征匹配中具有不规则特征适合采用区域匹配方法。
4.根据权利要求1所述的基于多特征匹配和平均法的球面绝对测量方法，其特征在于所述平均法是用来组合多次由“猫眼”位置测量、被测球面光学元件某一角度共焦位置测量和相对旋转180度后共焦位置测量组成三位置法绝对球面测量，用以提高球面绝对测量方法的准确性。
5.根据权利要求1所述的基于多特征匹配和平均法的球面绝对测量方法，其特征在于所述六维调整架通过电控或手动调整，它由自定中心镜架、绕光轴中心360度的旋转转台、二维倾斜调整架和三维平移台组成，自定中心镜架安装在绕光轴中心360度的旋转转台上，用于装卡被测球面光学元件；旋转转台后面分别安装二维倾斜调整架和三维平移台； 旋转转台分辨率为0. 01度以上，定位精度为0. 1度以上；三维平移台精度为微米级。
全文摘要
本发明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。
文档编号G01B11/24GK102221348SQ20111008266
公开日2011年10月19日 申请日期2011年4月2日 优先权日2011年4月2日
发明者万勇建, 伍凡, 侯溪, 杨鹏, 范斌 申请人:中国科学院光电技术研究所