专利名称：大口径凸非球面两轴拼接测量装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光学检测技术领域，主要涉及一种大口径凸非球面两轴拼接测量 装置。
背景技术：
非球面光学元件具有提高系统成像质量、校正像差、增大系统的相对口径、 扩大视场角等优点，同时还能够简化光学系统、减小系统外形尺寸、减少重量、 降低光学系统成本、减少光能损失，因此在现代光学系统中得到了越来越广泛的 应用。特别是在空间相机、天文望远镜、地基空间目标探测与识别、激光武器系 统、惯性约束聚变等领域中，非球面器件已经成为决定系统性能的关键元件。
非球面表面面形质量高精度检测是广泛应用非球面的最关键技术之一，也是 高精度加工非球面的基础。随着光学加工和检测技术的不断发展，光学系统中采 用非球面愈来愈普遍。无论是天文研究，还是在军事及航天领域中，越来越多地 需要用到非球面元件，而且非球面元件的口径也越来越大。然而口径大于 O300 mm大口径非球面光学镜片检测是目前面临的一个关键性技术难题。
非球面的高精度定量检测方法主要有无像差点法、补偿器法和计算全息法、 子孔径拼接方法。由于计算全息元件尺寸的限制，对于大口径非球面的检测主要 采用无像差点法、补偿器法和子孔径拼接方法。
无像差法仅适用于检验反射式二次非球面，它由二次曲线围绕连接其几何焦 点的轴线旋转而成。除检验凹椭球面镜外，其余二次曲面的无像差检测均需要利 用辅助平面镜或球面镜。中国专利公开号CN 101241000，
公开日2008年8月 13日，发明名称为"高陡度凸二次非球面的无像差点法子孔径拼接测量方法" 公开了一种高陡度凸二次非球面的无像差点法子孔径拼接测量方法，将无像差法 与子孔径拼接方法相结合，扩张了非球面的检测口径，但是这种方法的检测对象 仍限于二次曲面反射面，且这种方法需要大口径的辅助镜面,尤其是检测凸非球 面，辅助镜面的口径往往是待测镜面的几倍。实际上该方法对于大口径深型非球
3面、凸非球面的检测仍无法实现的。'
对不具有无像差点对的非球面,往往采用补偿器零检验方法。目前零检验方 法中的补偿器一般都采用折射式的，不仅制作精度要求很高，在装调过程中相对 位置也要求非常精确，稍有偏差，就会对检测结果造成很大影响。Hubble望远镜 就是因为检测时补偿镜的位置有误差，导致主镜的二次项系数有误以致造成巨大 损失。凸非球面的口径较大时， 一般需要采用背检的方法，由于检测时光在凸非 球面的背面入射到非球面上，因此，除需制作零透镜之外,还要求制作非球面的 材料均匀性特别好，非球面的另一个表面也要加工到非常高的精度，这无疑增加 了费用和制作难度。尤其是对大口径凸非球面的检测，不仅检测费用高、周期长， 有时根本就无法检测。中国专利公开号CN 1587950，
公开日2005年3月2日， 发明名称为"一种用部分补偿透镜实现非球面面形的干涉测量方法"，该方案 公开了一种利用部分补偿透镜实现非球面面形的干涉测量方法，不要求补偿透镜 一定将被测非球面面形的大像差波面完全补偿，而是允许有不大于50个波长的 剩余波差，将传统的小波差干涉测量系统变为大波差干涉测量系统。该方法简化 补偿透镜的结构，降低了补偿镜的设计、加工难度，同时对某一补偿镜而言可在 一定程度上扩展其测量范围，即可检测非球面度较大的非球面，但仅限于中小口 径的非球面检测，而且补偿器的适用范H仍受限制，不同的非球面需要不同的补 偿器，且大口镜非球面需要大口径的补偿器，造价昂贵，其自身的安装检测的问 题仍未解决。
为了实现大口径光学元件的检测，子孔径拼接方法开始被广泛的研究子孔径 拼接干涉测量方法基于"以小拼大"的思想，将大口径镜面划分为若干相互重叠 的子孔径，每个子孔径可用标准干涉仪进行测量，并通过适当的算法将各个子孔 径测量结果拼接到一起，获得全口径上的面形误差分布。子孔径拼接方法可有效 增大垂直测量范围，提高横向分辨率，不需要补偿器就可直接测量大口径平面、 球面和包括非球面在内的光学镜面面形误差。
2003年美国QED技术公司研制成功了QED公司的子孔径拼接干涉仪工作
站SSI是子孔径拼接技术的一个里程碑。"An automated subaperture stitching
interferometer workstation for spherical and aspherieal surfaces, P,E. Murphy, and
G.W. Forbes, Proc. SPIE, Vol.5188,296-307， 2003 "和美国专利"US 6956657B2"
中，提出了QED的非球面面形误差检测子孔径拼接方法，通过6轴运动平台，
调整被测非球面或干涉仪，对子孔径进行干涉检测，然后采用拼接算法得到全口
径的拼接结果。该方法仅适用于口径200mm以下的平面、球面以及适度非球面
光学零件，无法用于大口径非球面特别是大口径凸面的检测，并且该系统需要一个6自由度的高精度工作台，运动自由度多，运动和定位精度精度要求高，控制 难度较大。
中国专利公开号CN101251435A，
公开日2008年8月27日，发明名称为"大型 光学镜面子孔径拼接工作站"，该方案公开了一种基于干涉仪五维运动调整和被 测镜两维倾斜调整的卧式光学镜面子孔径拼接工作站，但是该方案运动机构复 杂，运动自由度多，测量链过长，引入的误差源较多，精度控制难度较大，且针 对大口径非球面，特别是大口径凸非球面的检测能力不足。
发明内容
针对上述现有非球面检测装置存在的问题和不足，本发明提出一种大口径凸 非球面两轴拼接测量装置，该装置采用两轴台结构，利用立式超精密气浮回转台 控制被测件的轴向回转运动，利用卧式超精密回转轴控制干涉仪沿被测件的径向 扫描运动，二者配合可获得各个区域的子孔径数据，然后采用子孔径拼接方法可 实现被测镜全口径测量。
本发明的目的是这样实现的 一种大口径凸非球面两轴拼接测量装置，包括 隔振基座、光学波面干涉仪，在隔振基座上安装有立式超精密气浮回转台和卧式 超精密回转轴，卧式超精密回转轴上固定有Z型悬臂梁，Z型悬臂梁末端固定有 直线导轨，直线导轨上配置有光学波面干涉仪；立式超精密气浮回转台的回转轴 线与卧式超精密回转轴的回转轴线互为正交，且立式超精密气浮回转台的回转轴 线、卧式超精密回转轴的回转轴线、光学波面干涉仪的光轴，相交于一点。
卧式超精密回转轴可采用气浮轴系、或基于减摩材料的摩擦主轴、或精密滚 珠轴系。光学波面干涉仪的出射波前焦点和卧式超精密回转轴的回转轴线与立式 超精密气浮回转台的回转轴线的交点重合。光学波面干涉仪的光轴与直线导轨平 行。
本发明的大口径凸非球面两轴拼接测量装置，与现有非球面检测装置相比， 本发明具有以下创新之处 ，
1、采用两轴台结构，利用立式超精密气浮回转台控制被测件的轴向回转运动， 利用卧式超精密回转轴控制干涉仪沿被测件的径向扫描运动，立式超精密 气浮回转台的回转轴线与卧式超精密回转轴的回转轴线互为正交。二者配 合可获得各个区域的子孔径数据，然后采用子孔径拼接方法可实现被测镜
5全口径测量，这是区别于现有装置的创新点之一。 2、被测凸非球面的光轴与立式超精密气浮回转台的回转轴线重合。被测凸非 球面的近球面球心、光学波面干涉仪的出射波前焦点、立式超精密气浮回 转台的回转轴线和卧式超精密回转轴的回转轴线的交点，三点重合。在凸 非球面某位置测量时，可将光学波面干涉仪沿直线导轨调焦，使光学波面 干涉仪的测量波前与被测非球面表面匹配，拼接测量过程则完全由旋转运 动完成，具有很大的精度优势，这是区别于现有装置的创新点之二。
采用上述技术后，本发明的大口径凸非球面两轴拼接测量装置有如下特点和 良好效果
1、 该装置结构简单，易于实现，采用子孔径拼接方法，不需要额外的补偿器， 可以实现大口径凸非球面的拼接检测；
2、 运动自由度少，控制难度低。在测量过程中，只有立式超精密气浮回转台 的回转运动、卧式超精密回转轴的旋转运动，两个旋转运动；直线导轨的 直线运动，只作为辅助调整，测量链短，误差源少，且便于控制策略的实 现，可以有效的提高拼接测量的精度和效率。
3、 主要运动方式为旋转运动，精度优势大，运动和定位精度高，有利于检测 精度的提高。
图1是大口径凸非球面两轴拼接测量装置机构示意图。 图2是大口径凸非球面子孔径划分示意图
图中件号说明l隔振基座、2卧it超精密回转轴、3Z型悬臂梁、4直线导 轨、5光学波面干涉仪、6立式超精密气浮回转台、7被测件
具体实施例方式
以下结合附图对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明提出的大口径凸非球面两轴拼接测量装置，包括隔振基 座1、光学波面干涉仪5、被测件7，隔振基座1上安装有立式超精密气浮回转 台6和卧式超精密回转轴2，被测件7安装固定在立式超精密气浮回转台6上，卧式超精密回转轴2上固定有Z型悬臂粱3， Z型悬臂梁3末端固定有直线导轨 4，直线气浮导轨4上配置有光学波面干涉仪5。
所述的立式超精密气浮回转台6的回转轴线与卧式超精密回转轴2的回转轴 线互为正交，且立式超精密气浮回转台6的回转轴线、卧式超精密回转轴2的回 转轴线、光学波面干涉仪5的光轴，相交于一点。卧式超精密回转轴2可以是气 浮、基于减摩材料的摩擦主轴或精密滚珠轴系。
被测凸非球面的光轴与立式超精密气浮回转台6的回转轴线重合。被测凸非 球面的近球面球心与立式超精密气浮回转台6的回转轴线和卧式超精密回转轴2 的回转轴线的交点重合。
所述的直线导轨4， Z型悬臂梁3末端，可沿Z方向作直线运动，其主要作 用是调整光学波面干涉仪5，使其出射波前焦点与卧式超精密回转轴2的回转轴 线与立式超精密气浮回转台6的回转轴线的交点重合。在凸非球面某位置测量 时，可将光学波面干涉仪5沿直线导轨调焦，使光学波面干涉仪5的测量波前与 被测非球面表面匹配。直线导轨4的运动方向与被测凸非球面光轴平行。
所述的光学波面干涉仪5在初始位置时，其主光轴与立式超精密气浮回转台 6的回转轴线重合。光学波面干涉仪5在直线导轨4带动下可沿Z轴方向作直线 运动，干涉仪出射波前焦点和卧式超精密回转轴2的回转轴线与立式超精密气浮 回转台6的回转轴线的交点处重合。波面干涉仪5采用菲索(Fizeau)型波面干 涉仪，可根据具体被测镜选择参考镜的'类型和具体的F数。当更换参考镜时是， 需要控制直线导轨4，调整光学波面干涉仪5，使其出射波前焦点重新和卧式超 精密回转轴2的回转轴线与立式超精密气浮回转台6的回转轴线的交点重合。光 学波面干涉仪5与安装有干涉图像采集软件的计算机连接；该计算机还安装有子 孔径拼接处理软件，可实现子孔径数据的拼接处理，并有控制系统控制立式超精 密气浮回转台6和卧式超精密回转轴2的旋转运动。
本发明的工作原理
首先，被测的非球面被划分为若干适合参考镜测量的子孔径，如图2所示， 相邻的子孔径间有一定的重叠区域，所有的子孔径要能够覆盖整个被测大口径光 学镜面。
在测量大口径凸非球面镜时，被测镜被放置在立式超精密气浮回转台6的台 面上，被测的大口径凸非球面中心轴线与立式超精密气浮回转台6的回转轴线重合。控制卧式超精密回转轴2使光学波面干涉仪5位于初始位置，光学波面干涉 仪5主光轴与立式超精密气浮回转台6的回转轴线重合。调整直线导轨4将干涉 仪5调整到适当的位置，使光学波面干涉仪5的出射波前焦点和卧式超精密回转 轴2的回转轴线与立式超精密气浮回转台6的回转轴线的交点重合。调整被测件 7，获得清晰的初始位置的干涉条纹，干涉图像由安装有图像采集卡和干涉图像 采集分析软件的计算机采集并储存处理。根据子孔径拼接算法，可以对被测大口径凸非球面进行子孔径划分规划，分 别计算子孔径拼接测量过程，同一环带相邻两个被测子孔径、和相邻环带相邻个 被测子孔径间的重叠区域大小和相对位置变化，即分别确定立式超精密气浮回转 台6的单次旋转量和卧式超精密回转轴2的单次旋转量。当完成初始位置的测量，获得中心孔径的子孔径数据后，通过卧式超精密回 转轴2的控制系统，控制卧式超精密回转轴2旋转一定角度，使光学波面干涉仪 5处于第一环带的最佳测量位置，进行该环带的第一个子孔径数据采集。当采集 完第一个子孔径数据后，控制立式超精密气浮回转台6转动一定角度，进入该环 带的下一个子孔径测量，直至完成该环带所有子孔径测量。完成第一环带测量后， 控制卧式超精密回转轴2再旋转一定角度，使光学波面干涉仪5处于第二环带的 最佳测量位置，进行该环带的子孔径数据采集，以此类推，直至完成所有环带的 全部子孔径测量。所有子孔径数据在计算机中存储处理，利用干涉图像采集分析软件提取所有 子孔径数据信息，通过拼接算法进行多个子孔径拼接合成，输出成全口径波前， 实现大口径凸非球面的高精度测量。
权利要求
1、一种大口径凸非球面两轴拼接测量装置，包括隔振基座(1)、光学波面干涉仪(5)，其特征在于在隔振基座(1)上安装有立式超精密气浮回转台(6)和卧式超精密回转轴(2)，卧式超精密回转轴(2)上固定有Z型悬臂梁(3)，Z型悬臂梁(3)末端固定有直线导轨(4)，直线导轨(4)上配置有光学波面干涉仪(5)；立式超精密气浮回转台(6)的回转轴线与卧式超精密回转轴(2)的回转轴线互为正交，且立式超精密气浮回转台(6)的回转轴线、卧式超精密回转轴(2)的回转轴线、光学波面干涉仪(5)的光轴相交于一点。
2、 根据权利要求l所述的大口径凸非球面两轴拼接测量装置，其特征在于卧 式超精密回转轴(2)可采用气浮轴系、或基于减摩材料的摩擦主轴、或精 密滚珠轴系。
3、 根据权利要求l所述的大口径凸非球面两轴拼接测量装置，其特征在于光 学波面干涉仪(5)的出射波前焦点和卧式超精密回转轴(2)的回转轴线与 立式超精密气浮回转台(6)的回转轴线的交点重合。
4、 根据权利要求l所述的大口径凸非球面两轴拼接测量装置，其特征在于光 学波面干涉仪(5)的光轴与直线导轨(4)平行。
全文摘要
大口径凸非球面两轴拼接测量装置属于光学检测领域；包括隔振基座、光学波面干涉仪；还包括安装在隔振基座上的立式超精密气浮回转台和卧式超精密回转轴；卧式超精密回转轴上固定有Z型悬臂梁，其末端固定有直线导轨，直线导轨上配置光学波面干涉仪；立式超精密气浮回转台的回转轴线与卧式超精密回转轴的回转轴线正交，干涉仪光轴通过其交点；被测非球面的光轴与立式超精密气浮回转台的回转轴线重合，且非球面近球心点、干涉仪的测量波前焦点、卧式超精密回转轴的回转轴线与立式超精密气浮回转台的回转轴线的交点，三点重合或或立体同心度非常小；该方案机构简单，测量链短，利用回转运动的精度优势，可实现大口径凸非球面的高精度检测。
文档编号G01B11/24GK101666628SQ20091007294
公开日2010年3月10日 申请日期2009年9月22日 优先权日2009年9月22日
发明者俭 刘, 王伟波, 谭久彬 申请人:哈尔滨工业大学