非零位干涉系统中自由曲面待测件空间姿态调整方法
【专利摘要】本发明公开了一种非零位干涉系统中自由曲面待测件空间姿态调整方法。运用计算机仿真自由曲面待测件在理想空间姿态时的干涉图，将仿真干涉图叠加到CCD实时采集到的实际的自由曲面待测件的干涉图上，产生莫尔条纹；调节待测件的旋转姿态，使莫尔条纹变疏；解算叠加产生的莫尔条纹的相位值，直至相位值满足精度调整要求，停止待测件旋转姿态调节；根据实际待测件产生的干涉条纹的上下、左右疏密分布状态，对待测件上下、俯仰、左右、倾斜方向的空间姿态进行调节，直至实际待测件产生的干涉条纹的上下、左右疏密分布状态与仿真干涉条纹一致。提出的方法解决了非零位干涉系统测量过程中在无任何外部基准的情况下自由曲面待测件空间姿态精确调整问题。
【专利说明】非零位干涉系统中自由曲面待测件空间姿态调整方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光学精密测试领域，具体涉及一种非零位干涉系统中自由曲面待测件空间姿态调整方法，在实际测量过程中用于调整待测件的空间姿态，可以有效的减小因待测件空间姿态误差而导致的面形测量误差。
【背景技术】
[0002]在干涉测量中，由于待测件的位置误差引入的最后测量波面的畸变是不可忽视的，因此待测件的定位是非常重要的。在通常的球面元件面形的干涉测量中，球面元件在空间五维姿态的对准误差(上下、左右、倾斜、俯仰、轴向)会给最后的测量波面引入倾斜误差、离焦误差和初级彗差，这些引入的波面畸变可以通过泽尼克多项式拟合的方式从结果波面中分离出来。但是，对于非球面元件以及自由曲面元件，要通过简单的多项式拟合将其位置误差引入的波面误差分离出来是非常困难的。因此，目前世界上针对这一问题，主要是通过提高待测件的定位精度来减少其位置误差对最后测量结果的影响。
[0003]德国斯图加特大学的Goran Baer等人针对非零位干涉系统，对非球面待测件的空间五维姿态对准误差对测量结果的影响进行了详细的分析。由于自由曲面元件的非旋转对称性，因此相比球面、非球面元件，其在空间中的姿态要多一维度，即具有六维空间姿态(上下、左右、倾斜、俯仰、轴向和旋转)。所以，除了像球面、非球面元件一样，其五维空间姿态对最后测量结果有影响，其第六维度(旋转)姿态误差也会严重影响测量波面，因为自由曲面元件的自旋姿态也需精确定位。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是在使用非零位干涉系统测量自由曲面元件面形过程中精确调整待测件的空间姿态，以减小因待测件空间姿态误差引入的面形测量误差。
[0005]技术方案为:
[0006]一种非零位干涉系统中自由曲面待测件空间姿态调整方法，方法步骤如下:
[0007]第一步、运用计算生成虚拟波面技术，生成自由曲面待测件在理想空间姿态时的干涉图，即仿真干涉图。
[0008]第二步、将第一步得到的仿真干涉图叠加到CCD实时采集到的实际的自由曲面待测件的干涉图上，产生莫尔条纹。
[0009]第三步、调节六维调整装置的自旋控制旋钮将待测件旋转，使上述莫尔条纹变疏。
[0010]第四步、解算叠加产生的莫尔条纹的相位值，判断相位值是否小于π/2 ;若小于，则进行第五步调整；若大于，则返回第三步继续调整自由曲面待测件旋转姿态。
[0011]第五步、此时自由曲面待测件的自旋姿态调整完毕，根据实际自由曲面待测件产生的干涉条纹的疏密分布状态，进行如下调整:
[0012]5-1、若实际干涉条纹与仿真干涉条纹上下、左右方向疏密一致，则自由曲面待测件姿态调整完毕。
[0013]5-2、若实际干涉条纹与仿真干涉条纹上下方向疏密不一致，调节上下旋钮将自由曲面待测件向条纹过密的方向调节，再通过俯仰旋钮将自由曲面待测件向条纹过疏的方向调节使条纹中心再次回到干涉场中心，反复调节直至实际干涉条纹与仿真干涉条纹上下方向疏密一致。
[0014]5-3、若实际干涉条纹与仿真干涉条纹左右方向疏密不一致，调节左右旋钮将自由曲面待测件向条纹过密的方向调节，再通过倾斜旋钮将自由曲面待测件向条纹过疏的方向调节使条纹中心再次回到干涉场中心，反复调节直至实际干涉条纹与仿真干涉条纹左右方向疏密一致。
[0015]5-4、若实际干涉条纹与仿真干涉条纹上下、左右方向疏密均不一致，对自由曲面待测件依次进行5-2和5-3的调整。
[0016]上述5-4中，若实际干涉条纹与仿真干涉条纹上下、左右方向疏密均不一致，对自由曲面待测件依次进行5-3和5-2的调整。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为自由曲面待测件旋转4.5°后的干涉图与其不自旋的干涉图叠加形成的莫尔条纹。
[0018]图2为自由曲面待测件旋转2°后的干涉图与其不自旋的干涉图叠加形成的莫尔条纹。
[0019]图3非零位干涉系统中自由曲面待测件空间姿态调整方法流程图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
[0021]莫尔条纹技术经常用于对物体进行空间位移量及角度量的精确控制。莫尔条纹的间距W由产生莫尔条纹的两组干涉条纹的间距d和两组干涉条纹的相对旋转角度Θ决定:
[0022].Θ⑴
2 sin
2
[0023]当Θ很小时，式可以近似为:
[0024]W(2)
[0025]根据式(2)，当两组干涉条纹发生相对旋转时，就会在干涉场中产生莫尔条纹，旋转角度Θ越大，则视场中的莫尔条纹就会越多。如果两组干涉条纹完全对准，则视场中的莫尔条纹就会消失。根据这个原理我们就可以控制被测自由曲面的自旋角度。
[0026]结合图3，一种非零位干涉系统中自由曲面待测件空间姿态调整方法，方法步骤如下:
[0027]第一步、运用计算生成虚拟波面技术，生成自由曲面待测件在理想空间姿态时的干涉图，即仿真干涉图。
[0028]第二步、将第一步得到的仿真干涉图叠加到CCD实时采集到的实际的自由曲面待测件的干涉图上，产生莫尔条纹。(由于自由曲面待测件的实际空间姿态与理想空间姿态之间有偏差，则仿真干涉图叠加到CCD实时采集干涉图上后产生莫尔条纹。)
[0029]第三步、调节六维调整装置的自旋控制旋钮将待测件旋转，使上述莫尔条纹变疏。
[0030]第四步、解算叠加产生的莫尔条纹的相位值，判断相位值是否小于π/2 ;若小于，则进行第五步调整；若大于，则返回第三步继续调整自由曲面待测件旋转姿态。
[0031]第五步、此时自由曲面待测件的自旋姿态调整完毕，根据实际自由曲面待测件产生的干涉条纹的疏密分布状态，进行如下调整:
[0032]5-1、若实际干涉条纹与仿真干涉条纹上下、左右方向疏密一致，则自由曲面待测件姿态调整完毕。
[0033]5-2、若实际干涉条纹与仿真干涉条纹上下方向疏密不一致，调节上下旋钮将自由曲面待测件向条纹过密的方向调节，再通过俯仰旋钮将自由曲面待测件向条纹过疏的方向调节使条纹中心再次回到干涉场中心，反复调节直至实际干涉条纹与仿真干涉条纹上下方向疏密一致。
[0034]5-3、若实际干涉条纹与仿真干涉条纹左右方向疏密不一致，调节左右旋钮将自由曲面待测件向条纹过密的方向调节，再通过倾斜旋钮将自由曲面待测件向条纹过疏的方向调节使条纹中心再次回到干涉场中心，反复调节直至实际干涉条纹与仿真干涉条纹左右方向疏密一致。
[0035]5-4、若实际干涉条纹与仿真干涉条纹上下、左右方向疏密均不一致，对自由曲面待测件依次进行5-2和5-3的调整。
[0036]上述5-4中，若实际干涉条纹与仿真干涉条纹上下、左右方向疏密均不一致，对自由曲面待测件依次进行5-3和5-2的调整。
[0037]六维调整装置可以调整自由曲面待测件的六维空间姿态，即在空间直角坐标系中，沿x、y、z轴三维平移(即左右、上下、轴向三维方向平移)和绕x、y、z轴三维旋转(即俯仰、倾斜、旋转三维方向旋转)。六维调整装置实物可参照北京北光世纪仪器有限公司产品手册(2014-2015) 107页组合二十六，每一维姿态的调整均有相应的调节旋钮。
[0038]实施例1
[0039]下面将通过仿真来验证该方法的有效性及精度。
[0040]研制的倾斜波面非零位干涉系统采集到的全场干涉条纹有50根左右，因此条纹间距d为:
,N 1024
[0041]d - 一 =-= 20.5/o\
m 50(3)
[0042]式中N为CXD的像素数(取1024)，m为全视场条纹数目。根据式(2)，当干涉场中产生的莫尔条纹的相位控制在η /2，即W = 4096，则两组干涉条纹的相对旋转角度为0.28°。所以只要测量时将干涉场中的虚拟莫尔条纹的相位控制在η/2以内，则两组干涉条纹的相对旋转角度Θ就会控制在0.4°以内，自旋误差导致的误差波面PV小于λ/20。
[0043]结合图1和图2，对上述分析进行仿真。如图1所示，将被测自由曲面旋转4.5°后形成的干涉图与其不自旋时的干涉图叠加形成了莫尔条纹，莫尔条纹的数目为4根，按照式(2)与式(3)计算得到的莫尔条纹也是4根。图2是将待测件旋转2°后形成的干涉图与其不自旋时的干涉图叠加形成的莫尔条纹，莫尔条纹的数目为2根，按照式(2)与式(3)计算得到的莫尔条纹也是2根。仿真结果证明了如果两组干涉条纹的相对旋转角度Θ为0.25°时，则产生的莫尔条纹为1/4根即相位为π/2。
[0044]由此可见，该方法解决了自由曲面待测件在测量过程中无任何外部基准的情况下空间姿态的精确调整问题，尤其是自旋姿态的调整，从而使姿态误差引入的波面误差控制在λ /20 (PV值)以内。
【权利要求】
1.一种非零位干涉系统中自由曲面待测件空间姿态调整方法，其特征在于，方法步骤如下: 第一步、运用计算生成虚拟波面技术，生成自由曲面待测件在理想空间姿态时的干涉图，即仿真干涉图； 第二步、将第一步得到的仿真干涉图叠加到CCD实时采集到的实际的自由曲面待测件的干涉图上，产生莫尔条纹； 第三步、调节六维调整装置的自旋控制旋钮将待测件旋转，使上述莫尔条纹变疏；第四步、解算叠加产生的莫尔条纹的相位值，判断相位值是否小于η/2 ;若小于，则进行第五步调整；若大于，则返回第三步继续调整自由曲面待测件旋转姿态； 第五步、根据实际自由曲面待测件产生的干涉条纹的疏密分布状态，进行如下调整:5-1、若实际干涉条纹与仿真干涉条纹上下、左右方向疏密一致，则自由曲面待测件姿态调整完毕； 5-2、若实际干涉条纹与仿真干涉条纹上下方向疏密不一致，调节上下旋钮将自由曲面待测件向条纹过密的方向调节，再通过俯仰旋钮将自由曲面待测件向条纹过疏的方向调节使条纹中心再次回到干涉场中心，反复调节直至实际干涉条纹与仿真干涉条纹上下方向疏密一致； 5-3、若实际干涉条纹与仿真干涉条纹左右方向疏密不一致，调节左右旋钮将自由曲面待测件向条纹过密的方向调节，再通过倾斜旋钮将自由曲面待测件向条纹过疏的方向调节使条纹中心再次回到干涉场中心，反复调节直至实际干涉条纹与仿真干涉条纹左右方向疏密一致； 5-4、若实际干涉条纹与仿真干涉条纹上下、左右方向疏密均不一致，对自由曲面待测件依次进行5-2和5-3的调整。
2.根据权利要求1所述非零位干涉系统中自由曲面待测件空间姿态调整方法，其特征在于:上述5-4中，若实际干涉条纹与仿真干涉条纹上下、左右方向疏密均不一致，对自由曲面待测件依次进行5-3和5-2的调整。
【文档编号】G01B11/24GK104251672SQ201410539931
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年10月13日 优先权日:2014年10月13日
【发明者】沈华, 魏琰, 任寰, 李嘉, 朱日宏, 陈磊, 王念 申请人:南京理工大学