一种平面光学元件旋转平移绝对检测中心对准方法与流程

本发明属于高精度光学元件面形检测技术领域,具体涉及一种平面光学元件旋转平移绝对检测中心对准方法。

背景技术：

随着现代光学技术的发展，光学系统发展迅猛。在光刻机、空间望远镜等为代表的大口径光学系统对光学元件面形加工质量要求越来越高，使得对光学元件面形检测精度要求不断提高。

干涉仪是面形检测中常用的一种方法，但干涉仪测量得到的面形结果中包含了参考面的面形信息，现有的旋转平移绝对检测法是通过对被测面分别进行旋转和平移操作，将参考面和被测面的面形错位叠加，再通过波面重建算法分别计算出被测面和参考面波面信息。现有方法存在的问题是：检测过程中由于旋转中心和光轴的对准精度不够高，旋转平移绝对检测中的旋转中心和参考平面中心存在对准误差，从而使实际旋转角度偏离设定的旋转角度，对旋转平移绝对测量的结果会造成影响。

技术实现要素：

本发明提供一种平面光学元件旋转平移绝对检测中心对准方法，以克服现有技术存在的旋转中心偏离，对旋转平移绝对测量结果造成影响的问题。

为了达到本发明的目的，本发明提供的一种平面光学元件旋转平移绝对检测中心对准方法，所采用的装置包括激光器、准直物镜、参考光学元件、旋转平台和调整机构，所述参考光学元件置于准直物镜的下端,被测光学元件安装在旋转平台上,旋转平台安装在调整机构上,旋转平台用于旋转被测光学元件使之位于不同角度的检测位置,调整机构用于调整被测光学元件的偏心以及倾斜,使得被测光学元件在不同的旋转角度位置下,干涉条纹均为零条纹；所述激光器发出的光经过扩束准直后以理想的平面波入射到被测光学元件的表面，被测光学元件和参考面的叠加波面形成干涉条纹，并返回到ccd相机中。

所述方法包括以下步骤：

步骤一，在被测光学元件上选取1个特征标记点,记下其初始位置处的像素坐标为(x1，y1)。

步骤二，通过旋转装置将被测光学元件旋转一定角度，记录在n次不同旋转角度下的特征标记点像素坐标分别为(x2,y2),....,(xn+1，yn+1)，其中n>＝2。

步骤三,在被测光学元件的旋转过程中，特征标记点的轨迹应是以旋转中心(a，b)为中心的圆，即(x-a)²+(y-b)²＝r²，整理得到，z＝2ax+2by+(r²-a²-b²)(其中z＝x²+y²)，构造矩阵方程z＝xa，将特征标记点的坐标(xj，yj)代入矩阵方程中，其中，

解此矩阵方程,得转换矩阵表示为a＝[x^t·x]^-1·[x^t·z]，解得旋转中心坐标(a，b)。

步骤四，在参考面选择i个边缘上的点，其像素坐标分别为(x1,y1)...(xi,yi)，将坐标点代入步骤三中的公式中，进行最小二乘法拟合得到参考面的中心坐标(a1,b1)，其中i>＝3。

步骤五，参考面中心和被测元件的旋转中心偏离的像素距离为(a1-a,b1-b)。通过调整装置将旋转装置在x，y方向上平移使得参考光学元件中心和旋转中心重合。

本发明与现有技术相比的优势在于：

1、本发明提出的选取被测面上特征标记点，通过采集特征标记点旋转任意角度3次及以上的像素位置坐标，通过最小二乘拟合得到参考光学元件中心和旋转装置的旋转中心，进而得到旋转中心偏离量，方法原理较为简单，实际操作也比较简单，可有效提高光学元件旋转中心和光轴的对准精度，提升检测结果精确度。

2、减少测量步骤：本发明所采用的方法，为求得被测面的旋转中心，仅需要关注一个特征点的位置坐标变换，采集三次及以上的任意角度旋转后的像素坐标，拟合出圆心，即被测面旋转中心。

3、本发明的方法从图像处理的层面和角度，对旋转中心进行修正，为波面重建提供较准确的波面信息，有效提高了修正的精确度。

附图说明

图1是本发明使用的装置结构示意图；

图2是被测面旋转中心和参考面中心存在偏差时，进行一次旋转后特征标记点的轨迹变化示意图。

图3是被测面旋转中心和参考面中心存在偏差时，进行无数次旋转后特征标记点的轨迹变化示意图。

附图标记说明如下：

1.激光器；2.准直物镜；3.参考面；4.被侧面；5.旋转平台；6.调整机构。

11.参考面位置和被测面初始位置；12.旋转一定角度后的被测面；13.参考面中心；14.特征标记点的轨迹；15.旋转中心。

具体实施方式

为使本发明的技术方案更加清楚明白,以下结合具体实施例和附图,对本发明做进一步地详细说明。

如图1所示,本发明提供的一种平面光学元件旋转平移绝对检测中心对准方法，所使用的装置包括激光器1、准直物镜2、参考光学元件3、旋转平台5以及调整机构6。参考光学元件,安装于准直物镜2的下端,被测光学元件4安装在旋转平台5上,旋转平台5安装在调整机构6上,旋转平台5用于旋转被测光学元件4使之位于不同角度的检测位置,调整机构6用于调整被检光学元件的倾斜、偏心以及离焦,使得被测光学元件4在不同的旋转角度位置下,干涉条纹均为零条纹。

激光器1发出的光经过扩束准直后形成理想的平面波入射到被测光学元件4的表面,被测光学元件4和参考面3的叠加波面形成干涉条纹，并返回到ccd相机中。

所述方法包括以下步骤：

步骤一，如图2所示，位置11时，参考面和被测面完全重合，此时在光学元件被测面上选取1个特征标记点为(a),并通过干涉仪检测初始面形检测数据为w(x，y)，记下特征标记点初始位置处的像素坐标为(x1，y1)。

步骤二，如图2所示，通过旋转装置将被测光学元件旋转一定角度达到位置12，此时特征标记点用(a′)来表示，并记录在n次不同旋转角度下的特征标记点像素坐标分别为(x2,y2),....,(xn+1，yn+1)，其中n>＝2。

步骤三,如图3所示，在被测光学元件的旋转过程中，特征标记点的轨迹14应是以旋转中心15为圆心的圆，设旋转中为(a,b)，轨迹方程为(x-a)²+(y-b)²＝r²，经整理得到，z＝2ax+2by+(r²-a²-b²)(其中z＝x²+y²)。构造矩阵方程z＝xa，将特征标记点的坐标(xj，yj)代入矩阵方程中，其中，

解此矩阵方程,得转换矩阵表示为a＝[x^t·x]^-1·[x^t·z]，解得旋转中心坐标(a，b)。

步骤四，在参考面上选择i个边缘轮廓点，其像素坐标分别为(x1,y1)...(xi,yi)，参考面为圆形，同样进行圆拟合获得参考面中心13，将边缘的像素坐标代入步骤三中的公式，并通过最小二乘法拟合得到参考光学元件的中心(a1,b1)，其中i>＝3。

步骤五，参考光学元件中心与被测元件的旋转中心偏离的像素距离为(a1-a,b1-b)。通过调整装置将旋转装置在x，y方向上平移使得参考光学元件中心和旋转中心重合。

在上述步骤中，参考面和旋转中心进行最小二乘拟合时均至少需要3个坐标值。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内的局部修改或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。