基于球形气浮轴的非球面子孔径拼接测量装置转让专利
申请号 : CN200910071665.0
文献号 : CN101520320B
文献日 : 2010-07-28
发明人 : 谭久彬 , 王伟波 , 刘俭 , 赵晨光 , 王宇航 , 朱黎明
申请人 : 哈尔滨工业大学
摘要 :
基于球形气浮轴的非球面子孔径拼接测量装置属于光学检测技术领域；在隔振基座上安装有球形气浮台和龙门支架，直线气浮导轨固定在龙门支架中央部位处，直线气浮导轨下端配置有光学波面干涉仪；球形气浮台由球形气浮轴、气浮轴基座、旋转电机、步进电机、环形导轨、第一导轨副、第二导轨副、支撑机构组成；球形气浮轴的台面上固定一环形导轨，环形导轨上对称配置第一导轨副和第二导轨副，第一导轨副与固定在气浮轴基座上的旋转电机刚性连接，第二导轨副通过轴承与固定在气浮轴基座上的支撑机构运动连接，步进电机固定在第二导轨副上，并与环形导轨运动连接；该装置机构简单，运动精度要求较低，并抑制了环境震动和被测件形变对测量结果的影响。
权利要求 :
1.一种基于球形气浮轴的非球面子孔径拼接测量装置，其特征在于：在隔振基座(1)上安装有球形气浮台(2)和龙门支架(3)，直线气浮导轨(4)固定在龙门支架(3)中央部位处，直线气浮导轨(4)下端部配置有光学波面干涉仪(5)；所述的球形气浮台(2)由球形气浮轴(20)、球形气浮轴基座(21)、旋转电机(22)、步进电机(23)、环形导轨(24)、第一导轨副(25)、第二导轨副(26)、支撑机构(27)组成；球形气浮轴(20)的台面外侧固定所述环形导轨(24)，环形导轨(24)上对称安装有第一导轨副(25)和第二导轨副(26)；第一导轨副(25)与固定在球形气浮轴基座(21)上的旋转电机(22)刚性连接；第二导轨副(26)通过轴承与固定在球形气浮轴基座(21)上的支撑机构(27)运动连接；步进电机(23)固定在第二导轨副(26)上，并与环形导轨(24)运动连接。
说明书 :
技术领域
本发明属于光学检测技术领域，主要涉及一种基于球形气浮轴的非球面子孔径拼接测量装置，是一种高精度、高效率、经济型的大口径非球面子孔径拼接干涉测量装置。
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。
为了寻求一种低成本的高分辨率检测手段，国外在20世纪80年代就开展了采用子孔径拼接方法(Subaperture Stitching，SAS)检测大口径镜面的研究。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。
Liu和Lawrence等在“Subaperture testing of aspheres with annular zones，Y.M.Liu，G.N.Lawrence，and C.L.Koliopoulos，Applied Optics，27(21)：4504-4513，1988”中提出了采用环带子孔径拼接的方法测量大口径回转对称非球面，无需补偿器，并且增大了垂直测量范围。但该方法只能在一定程度上增大垂直测量范围，对于深度非球面，由于所需环带子孔径数量多，且边缘子孔径太窄，严重降低了子孔径拼接算法的可靠性。
2003年，美国QED公司研制成一台子孔径拼接干涉仪工作站，在“Anautomated subaperture stitching interferometer workstation for spherical andaspherical surfaces，P.E.Murphy，and G.W.Forbes，Proc.SPIE，Vol.5188，296-307，2003”和美国专利“US 6956657B2”中，提出了一种非球面面形误差检测的子孔径拼接方法，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。算法主要补偿了干涉仪畸变误差、参考波面误差以及子孔径间的倾斜、离焦误差，算法无需迭代，由机构运动精度保证可靠性。该方法适用于口径200mm以下的平面、球面以及适度非球面光学零件。对于深度非球面，由于沿母线方向曲线剧烈变化，导致干涉条纹太密无法解析。
为了寻求一种低成本的高分辨率检测手段，国外在20世纪80年代就开展了采用子孔径拼接方法(Subaperture Stitching，SAS)检测大口径镜面的研究。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。
Liu和Lawrence等在“Subaperture testing of aspheres with annular zones，Y.M.Liu，G.N.Lawrence，and C.L.Koliopoulos，Applied Optics，27(21)：4504-4513，1988”中提出了采用环带子孔径拼接的方法测量大口径回转对称非球面，无需补偿器，并且增大了垂直测量范围。但该方法只能在一定程度上增大垂直测量范围，对于深度非球面，由于所需环带子孔径数量多，且边缘子孔径太窄，严重降低了子孔径拼接算法的可靠性。
2003年，美国QED公司研制成一台子孔径拼接干涉仪工作站，在“Anautomated subaperture stitching interferometer workstation for spherical andaspherical surfaces，P.E.Murphy，and G.W.Forbes，Proc.SPIE，Vol.5188，296-307，2003”和美国专利“US 6956657B2”中，提出了一种非球面面形误差检测的子孔径拼接方法，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。算法主要补偿了干涉仪畸变误差、参考波面误差以及子孔径间的倾斜、离焦误差，算法无需迭代，由机构运动精度保证可靠性。该方法适用于口径200mm以下的平面、球面以及适度非球面光学零件。对于深度非球面，由于沿母线方向曲线剧烈变化，导致干涉条纹太密无法解析。
发明内容
针对现有非球面拼接检测方法中需要复杂的高精度、多自由度调整机构的问题，本发明提出一种基于球形气浮轴的非球面子孔径拼接测量装置。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于球形气浮轴的非球面子孔径拼接测量装置，在隔振基座上安装有球形气浮台和龙门支架，直线气浮导轨固定在龙门支架中央部位处，直线气浮导轨下端配置有光学波面干涉仪。
球形气浮台由球形气浮轴、气浮轴基座、旋转电机、步进电机、环形导轨、第一导轨副、第二导轨副、支撑机构组成；球形气浮轴的台面上固定一环形导轨，环形导轨上对称配置第一导轨副和第二导轨副，第一导轨副与固定在气浮轴基座上的旋转电机刚性连接，第二导轨副通过轴承与固定在气浮轴基座上的支撑机构运动连接，步进电机固定在第二导轨副上，并与环形导轨运动连接。
针对现有非球面拼接检测方法中需要复杂的高精度、多自由度调整机构的问题，本发明提出的基于球形气浮轴的非球面子孔径拼接测量装置，其创新性在于：采用球形气浮轴，利用球形气浮轴的自由旋转特性，在旋转电机和步进电机驱动下，球形气浮轴可实现绕X轴旋转运动和绕Z轴回转运动；球形气浮轴的两轴旋转运动和干涉仪Z轴方向的直线运动相配合，可实现被测镜任意区域的测量。
本发明的基于球形气浮轴的非球面子孔径拼接测量装置，与现有非球面拼接检测装置相比，其优势在于：
1、采用球形气浮轴，利用球形气浮轴的自由旋转特性，在旋转电机和步进电机驱动下，球形气浮轴可实现绕X轴旋转运动和绕Z轴回转运动；球形气浮轴的两轴旋转运动，和干涉仪Z轴方向的直线运动相配合，可实现被测镜任意区域的测量。
2、在测量过程中，只有两轴旋转运动和一个直线运动，三个自由度，机构简单，运动精度要求低，有效的降低了成本。
3、被测镜平放在球形气浮轴的平台上，抑制了震动环境扰动等对测量过程的影响，同时，降低了重力、卡具等造成的被测镜形变。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于球形气浮轴的非球面子孔径拼接测量装置，在隔振基座上安装有球形气浮台和龙门支架，直线气浮导轨固定在龙门支架中央部位处，直线气浮导轨下端配置有光学波面干涉仪。
球形气浮台由球形气浮轴、气浮轴基座、旋转电机、步进电机、环形导轨、第一导轨副、第二导轨副、支撑机构组成；球形气浮轴的台面上固定一环形导轨，环形导轨上对称配置第一导轨副和第二导轨副，第一导轨副与固定在气浮轴基座上的旋转电机刚性连接，第二导轨副通过轴承与固定在气浮轴基座上的支撑机构运动连接，步进电机固定在第二导轨副上，并与环形导轨运动连接。
针对现有非球面拼接检测方法中需要复杂的高精度、多自由度调整机构的问题，本发明提出的基于球形气浮轴的非球面子孔径拼接测量装置，其创新性在于：采用球形气浮轴，利用球形气浮轴的自由旋转特性，在旋转电机和步进电机驱动下，球形气浮轴可实现绕X轴旋转运动和绕Z轴回转运动；球形气浮轴的两轴旋转运动和干涉仪Z轴方向的直线运动相配合，可实现被测镜任意区域的测量。
本发明的基于球形气浮轴的非球面子孔径拼接测量装置，与现有非球面拼接检测装置相比，其优势在于：
1、采用球形气浮轴，利用球形气浮轴的自由旋转特性，在旋转电机和步进电机驱动下，球形气浮轴可实现绕X轴旋转运动和绕Z轴回转运动；球形气浮轴的两轴旋转运动，和干涉仪Z轴方向的直线运动相配合，可实现被测镜任意区域的测量。
2、在测量过程中，只有两轴旋转运动和一个直线运动，三个自由度，机构简单，运动精度要求低，有效的降低了成本。
3、被测镜平放在球形气浮轴的平台上，抑制了震动环境扰动等对测量过程的影响，同时，降低了重力、卡具等造成的被测镜形变。
附图说明
图1是所述基于球形气浮轴的非球面子孔径拼接测量装置机构示意图。
图2是所述球形气浮台机构示意图。
图3是所述子孔径划分示意图。
图4是所述子孔径拼接测量流程图。
图中，1隔振基座、2球形气浮台、3龙门支架、4直线气浮导轨、5光学波面干涉仪、20球形气浮轴、21气浮轴基座、22旋转电机、23步进电机、24环形导轨、25第一导轨副、26第二导轨副、27支撑机构
图2是所述球形气浮台机构示意图。
图3是所述子孔径划分示意图。
图4是所述子孔径拼接测量流程图。
图中，1隔振基座、2球形气浮台、3龙门支架、4直线气浮导轨、5光学波面干涉仪、20球形气浮轴、21气浮轴基座、22旋转电机、23步进电机、24环形导轨、25第一导轨副、26第二导轨副、27支撑机构
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本发明提出的基于球形气浮轴的非球面子孔径拼接测量装置，隔振基座1上安装有球形气浮台2和龙门支架3，直线气浮导轨4固定在龙门支架3中央部位处，直线气浮导轨4下端部配置有光学波面干涉仪5。
所述的球形气浮台2由球形气浮轴20、气浮轴基座21、旋转电机22、步进电机23、环形导轨24、第一导轨副25、第二导轨副26、支撑机构27组成；球形气浮轴20的台面外侧固定一环形导轨24，环形导轨24上对称安装有第一导轨副25和第二导轨副26；第一导轨副25与固定在球形气浮轴基座21上的旋转电机22的刚性连接；第二导轨副26通过轴承与固定在气浮轴基座21上的支撑机构27运动连接；步进电机23固定在第二导轨副26上，并与环形导轨24运动连接。
所述的球形气浮台2，可实现绕X方向的旋转和绕Z方向的回转运动。旋转电机22转动，通过第一导轨副25带动球形气浮轴20绕X方向旋转运动；在步进电机23驱动下，环形导轨24带动球形气浮轴20绕Z轴回转运动；旋转电机22与步进电机23相配合，可实现球形气浮轴20的两轴旋转运动，使被测件任意区域可测。
所述的直线气浮导轨4，固定在龙门架3上，可沿Z方向作直线运动，行程为1000mm，定位精度为±1μm，直线度为2”。
所述的光学波面干涉仪5在直线气浮导轨4带动下可沿Z轴方向作直线运动，干涉仪光轴与球形气浮轴20台面中心轴重合。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。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，并控制球形气浮台2的两轴旋转运动。
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3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。
在测量大口径非球面镜时，被测镜被放置在球形气浮台2的台面上，调整光路，并通过直线气浮导轨4将干涉仪5调整到适当的位置，进行干涉测量，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，自动计算子孔径测量过程中干涉仪5相对被测镜的相对位置变换，确定任意两个被测子孔径间的重叠区域大小和相对位置变化；通过有计算机驱动两轴球形气浮轴控制系统，控制旋转电机22和步进电机23运动，以改变被测镜和干涉仪5的相对位置，并通过直线气浮导轨4调整干涉仪5，使其处于最佳测量位置，测量被测镜不同环带的全部子孔径。
最后，利用拼接处理算法，计算两相邻子孔径间的重叠系数，建立猜想矩阵和目标优化函数，进行迭代优化和误差补偿，从而实现将多个子孔径图形拼接合成全口径相位图，具体流程如图4所示。
本发明的具体测量步骤如下：
1、将被测镜安装在球形气浮轴20的台面中心，通过直线气浮导轨4调整干涉仪5使其处于最佳测量位置，得到中心子孔径测量数据。
2、通过球形气浮台控制系统，控制旋转电机22，使球形气浮轴20绕X轴转动一定角度，开始第一环带子孔径的测量；当采集完一个子孔径数据后，球形气浮轴控制系统控制步进电机23运动，使球形气浮轴20绕其中心轴(Z轴)转动一定角度，进入该环带的下一个子孔径测量，以此类推，直至完成该环带所有子孔径测量。
4、重复第2步骤，直至完成所有环带的全部子孔径测量。
3、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，经子孔径拼接算法，计算相邻子孔径间的重叠系数及空间位置关系，为每个子孔径建立猜想矩阵，并建立全局目标优化函数，进行迭代优化和误差补偿，最终实现多个子孔径拼接，输出成全口径波前。
如图1所示，本发明提出的基于球形气浮轴的非球面子孔径拼接测量装置，隔振基座1上安装有球形气浮台2和龙门支架3，直线气浮导轨4固定在龙门支架3中央部位处，直线气浮导轨4下端部配置有光学波面干涉仪5。
所述的球形气浮台2由球形气浮轴20、气浮轴基座21、旋转电机22、步进电机23、环形导轨24、第一导轨副25、第二导轨副26、支撑机构27组成；球形气浮轴20的台面外侧固定一环形导轨24，环形导轨24上对称安装有第一导轨副25和第二导轨副26；第一导轨副25与固定在球形气浮轴基座21上的旋转电机22的刚性连接；第二导轨副26通过轴承与固定在气浮轴基座21上的支撑机构27运动连接；步进电机23固定在第二导轨副26上，并与环形导轨24运动连接。
所述的球形气浮台2，可实现绕X方向的旋转和绕Z方向的回转运动。旋转电机22转动，通过第一导轨副25带动球形气浮轴20绕X方向旋转运动；在步进电机23驱动下，环形导轨24带动球形气浮轴20绕Z轴回转运动；旋转电机22与步进电机23相配合，可实现球形气浮轴20的两轴旋转运动，使被测件任意区域可测。
所述的直线气浮导轨4，固定在龙门架3上，可沿Z方向作直线运动，行程为1000mm，定位精度为±1μm，直线度为2”。
所述的光学波面干涉仪5在直线气浮导轨4带动下可沿Z轴方向作直线运动，干涉仪光轴与球形气浮轴20台面中心轴重合。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。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，并控制球形气浮台2的两轴旋转运动。
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3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。
在测量大口径非球面镜时，被测镜被放置在球形气浮台2的台面上，调整光路，并通过直线气浮导轨4将干涉仪5调整到适当的位置，进行干涉测量，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，自动计算子孔径测量过程中干涉仪5相对被测镜的相对位置变换，确定任意两个被测子孔径间的重叠区域大小和相对位置变化；通过有计算机驱动两轴球形气浮轴控制系统，控制旋转电机22和步进电机23运动，以改变被测镜和干涉仪5的相对位置，并通过直线气浮导轨4调整干涉仪5，使其处于最佳测量位置，测量被测镜不同环带的全部子孔径。
最后，利用拼接处理算法，计算两相邻子孔径间的重叠系数，建立猜想矩阵和目标优化函数，进行迭代优化和误差补偿，从而实现将多个子孔径图形拼接合成全口径相位图，具体流程如图4所示。
本发明的具体测量步骤如下：
1、将被测镜安装在球形气浮轴20的台面中心，通过直线气浮导轨4调整干涉仪5使其处于最佳测量位置，得到中心子孔径测量数据。
2、通过球形气浮台控制系统，控制旋转电机22，使球形气浮轴20绕X轴转动一定角度，开始第一环带子孔径的测量；当采集完一个子孔径数据后，球形气浮轴控制系统控制步进电机23运动，使球形气浮轴20绕其中心轴(Z轴)转动一定角度，进入该环带的下一个子孔径测量，以此类推，直至完成该环带所有子孔径测量。
4、重复第2步骤，直至完成所有环带的全部子孔径测量。
3、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，经子孔径拼接算法，计算相邻子孔径间的重叠系数及空间位置关系，为每个子孔径建立猜想矩阵，并建立全局目标优化函数，进行迭代优化和误差补偿，最终实现多个子孔径拼接，输出成全口径波前。