子孔径拼接干涉测量非球面偏置误差修正与拼接新方法

摘要

子孔径拼接干涉测量非球面偏置误差修正与拼接新方法，大口径非球面光学元件已成为起支撑作用的关键部件，与球面相比，非球面在矫正像差方面有更好的优势，本方法，其组成包括：花岗岩基座(1)，所述的基座(1)连接水平平台(2)和垂直平台(3)，所述的两个平台连接在空气装置(4)上，所述的水平平台内有一狭槽连接了一个空气轴承杆(5)，所述的空气轴承杆连接发动机和编码器，所述的空气轴承杆连接空气轴承(6)，连接干涉仪(7)，所述的干涉仪机架连接升降平台(8)，所述的升降平台连接垂直平台(9)，所述的升降平台内有陶瓷管(10)，陶瓷管连接空气轴承，本发明用于非球面机构偏置误差修正与非球面的拼接测量。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种子孔径拼接干涉测量大口径光学表面及深度非球面的拼接机构偏置误差修正与拼接新方法。

背景技术：

子孔径拼接干涉测量是大口径及深度非球面测量的重要技术手段之一，也是目前世界各国广泛认同的技术方式。

采用子孔径干涉拼接法测量大口径及深度非球面时，影响测量精度的主要因素为：非球面拼接测量中调整误差影响分析存在的理论问题；拼接定位机构的空间定位偏置误差对拼接干涉测量影响的表现形式的量化分析；因此，采用合适的数学手段进行系统误差的修正是最终实现高精度测量的主要因素。

目前，解决子孔径拼接干涉测量系统误差修正方法主要有以下几种：

第一种是大多数研究人员与机构所采用的三方向调整误差校准技术。三方向调整误差主要指被测件的安置误差，分别指两方向的倾斜误差和沿轴向的离焦误差。该技术的基本原理是通过校准三方向调整误差而使子孔径间重叠区相位不匹配度最小化，该方法适用于平面和加工精度较高的球面，但不适于非球面。

第二种是美国QED公司提出的互锁补偿器(interlocked compensator)的方法，它在原有误差修正方法的基础上进一步修正了参考波前误差，使其开发的SSI拼接测量系统能够测量口径200mm以内的平面、球面和适度偏离量的非球面。误差拟合框架定义了两组拟合方程，被称为自由补偿器和互锁补偿器。其中，自由补偿器是一组相位调整方程，对每个子孔径其系数不同，而互锁补偿器对每个子孔径则必须具有相同的系数，小的随机定位系统误差也可以描述成互锁补偿器。该仪器可以测量数值孔径等于1的半球面。

从现有的大口径非球面拼接检测手段看，部分解决了非球面测量问题，但由于没有对测量的系统误差具体表现形式进行量化分析，没有真正解决系统误差修正问题，这使得深度大口径非球面精确测量仍然处在停滞不前的状况。

发明内容：

本发明的目的在于针对子孔径拼接干涉测量中，现有技术中的不足之处，提供一种系统误差修正方法，以使子孔径重叠区两次测量值精确拟合，进而实现采用子孔径拼接干涉测量法精确测量非球面。

本发明提供了一种拼接机构偏置误差修正方法，该方法通过分析拼接测量机构的偏置误差在测量中的作用表面形式，利用坐标变换及求解多元线性回归方程的等数学手段，将拼接机构的偏置误差进行修正，以实现子孔径间重叠区相位精确拟合。测量装置包括干涉仪(菲索型干涉仪)、作为干涉仪附件的标准球面或平面透镜、被测非球面、电控精密定位驱动机构及其计算机控制系统。标准平面透镜或球面透镜放在干涉仪和被测非球面之间，通过计算机控制电控旋转平移定位拼接装置，根据被测表面轮廓形状进行平移和旋转，目的让干涉仪出射波面法线与被测区域法线近似重合，从而使干涉仪出射的参考球面波前的曲率中心与所测区域的顶点曲率中心重合，这样入射到被测区域的光线就能够近似地沿原路返回。干涉仪在此光学表面区域进行干涉测量，得到一个子孔径，然后根据被测表面轮廓，控制平移旋转定位拼接机构进行平移或旋转，到达下一个待测区域，即第二个子孔径，得到第二个子孔径的测量值，两子孔径间有重叠区，重叠区大小由面型决定，这样就得到待拼接的两子孔径。理论上，在重叠区域内两次检测得到的波前相位值应该是一样的，也即两次检测相位数据位于同一个面，而实际检测过程中，因为移动和旋转导致的倾斜、平移等误差，同一区域两次测量得到的相位值不同，两个面并不重合。通过分析拼接机构偏置误差在子孔径干涉测量中的作用表现形式可知，偏置误差使被测非球面各阶波前分量都发生了变化。应用坐标变换，使两孔径坐标统一起来，再通过修正三阶系统像差，使两孔径重叠区相位精确拟合，从而完成两子孔径的拼接。

上述发明的目的通过以下的方法实现：

子孔径拼接干涉测量非球面偏置误差修正与拼接新方法，其组成包括：花岗岩基座，所述的花岗岩基座连接水平平台和垂直平台，所述的水平平台和垂直平台连接在空气装置上，所述的水平平台内有一狭槽，所述的狭槽中连接了一个空气轴承杆，所述的空气轴承杆连接发动机和编码器，所述的空气轴承杆连接空气轴承，所述的空气轴承连接干涉仪，所述的干涉仪机架连接升降平台(Z平台)，所述的升降平台用三个扁平的空气轴承连接在垂直平台上，所述的升降平台内有陶瓷管，所述的陶瓷管连接两个空气轴承，抑制平移和旋转相对于水平平台的移动。

所述的子孔径拼接干涉测量非球面偏置误差修正与拼接新方法，所述的横向平移平台由三个空气轴承连接到硬壳上，抑制升降平台的平移和旋转相对水平平台的运动。

所述的子孔径拼接干涉测量非球面偏置误差修正与拼接新方法，所述的升降平台与垂直平台用两个轴承连接，使两个平台之间的相对运动最小化。

子孔径拼接干涉测量非球面偏置误差修正与拼接新方法，通过计算机控制电控平移旋转拼接机构，使干涉仪光轴与所测大口径非球面局部区域光轴在重合条件下获取一个子孔径测量值，根据被测表面轮廓，再移动电控平移旋转台，同样使干涉仪光轴与被测非球面局部表面光轴重合，获取第二个子孔径，使两子孔径具有一定面积的重叠区，在获取子孔径过程中，使干涉仪产生的参考波前与被测非球面区域自动匹配，即调零过程，以便确定子孔径的大小，以重叠区处两次测量的相位值作为特征点，根据机构偏置误差作用表现形式，利用求解多元线性回归方程方法修正拼接机构的偏置误差，从而实现两孔径精确拼接，进而获得非球面面型的全场信息。

所述的子孔径拼接干涉测量非球面偏置误差修正与拼接新方法，所述的使干涉仪光轴和被测非球面局部光轴重合的条件下，获取一子孔径A，包括通过计算机控制电控平移旋转拼接机构移动干涉仪与被测非球面；也包括自动调零过程，该过程也即为计算机辅助判断干涉条纹过程；还包括采用同样方法获取子孔径B，并利用计算机辅助判断的方法判断最佳重叠区拟合区域面积，以使两子孔径重叠区两次测量结果拟合效果最好，进而采用多元线性回归的方法修正偏置误差，实现子孔径间重叠区的精确拟合。

所述的子孔径拼接干涉测量非球面偏置误差修正与拼接新方法，所述的拼接方法是采用修正三阶赛德尔像差，以实现偏置误差的修正，在对非球面进行拼接测量时，拼接机构偏置误差其作用表现形式与三阶赛德尔像差一致。

所述的子孔径拼接干涉测量非球面偏置误差修正与拼接新方法，采用学生氏t分布统计的拼接精度分析和评定方法，解决了按正态分布统计评定拼接精度确定的置信系数k，由于k值与置信概率有固定关系，而不能反映子样标准差的可靠性对置信概率的影响问题。

所述的子孔径拼接干涉测量非球面偏置误差修正与拼接新方法，运用学生氏t分布可评定单次拼接精度，可据此获得两孔径重叠区最佳拟合面积，进一步提高单次拼接精度。

所述的子孔径拼接干涉测量非球面偏置误差修正与拼接新方法，是采用修正偏置误差作用表现形式，即修正三阶赛德尔像差方法实现孔径间的拼接，比传统三方向调整误差修正拼接法明显提高了单次拼接精度。

本方法有以下有益效果：

1.本发明方法充分考虑了拼接机构的运动基准对拼接测量的影响，利用理论分析的方法，得到了机构运动的运动自由度与偏置误差的函数关系。

2.本发明方法获得了偏置误差的作用表现形式，因此可以界定拼接测量机构的各部分对拼接测量的影响程度，能定量分析拼接机构的系统误差。

3.本发明方法测量评定基准采用学生氏t分布统计法对系统的拼接精度进行评定，克服了常用比较法的不确定性，同时克服了现有统计分布法按正态分布确定置信系数k，但k值与置信概率有固定关系，不能反映子样标准差的可靠性对置信概率的影响的问题。附图说明：

附图1是本发明内部结构示意图。

附图2是本发明干涉仪支架示意图。

本发明的具体实施方式：

实施例1：

子孔径拼接干涉测量非球面偏置误差修正与拼接新方法，其组成包括：花岗岩基座1，所述的花岗岩基座1连接水平平台2和垂直平台3，所述的水平平台2和垂直平台3连接在空气装置4上，所述的水平平台2内有一狭槽，所述的狭槽中连接了一个空气轴承杆5，所述的空气轴承杆5连接发动机和编码器，所述的空气轴承杆5连接空气轴承6，所述的空气轴承6连接干涉仪7，所述的干涉仪机架连接升降平台8(Z平台)，所述的升降平台8用三个扁平的空气轴承连接在垂直平台9上，所述的升降平台8内有陶瓷管10，所述的陶瓷管10连接两个空气轴承，抑制平移和旋转相对于水平平台的移动。

实施例2：

根据实施例1所述的子孔径拼接干涉测量非球面偏置误差修正与拼接新方法，其特征是：所述的横向平移平台12由三个空气轴承6连接到硬壳11上，抑制升降平台8的平移和旋转相对水平平台的运动。

实施例3：

根据实施例1所述的子孔径拼接干涉测量非球面偏置误差修正与拼接新方法，所述的升降平台与垂直平台用两个轴承连接，使两个平台之间的相对运动最小化。

实施例4：

根据实施例1子孔径拼接干涉测量非球面偏置误差修正与拼接新方法，通过计算机控制电控平移旋转拼接机构，使干涉仪光轴与所测大口径非球面局部区域光轴在重合条件下获取一个子孔径测量值，根据被测表面轮廓，再移动电控平移旋转台，同样使干涉仪光轴与被测非球面局部表面光轴重合，获取第二个子孔径，使两子孔径具有一定面积的重叠区，在获取子孔径过程中，使干涉仪产生的参考波前与被测非球面区域自动匹配，即调零过程，以便确定子孔径的大小，以重叠区处两次测量的相位值作为特征点，根据机构偏置误差作用表现形式，利用求解多元线性回归方程方法修正拼接机构的偏置误差，从而实现两孔径精确拼接，进而获得非球面面型的全场信息。

实施例5：

根据实施例1或4所述的子孔径拼接干涉测量非球面偏置误差修正与拼接新方法，所述的使干涉仪光轴和被测非球面局部光轴重合的条件下，获取一子孔径A，包括通过计算机控制电控平移旋转拼接机构移动干涉仪与被测非球面；也包括自动调零过程，该过程也即为计算机辅助判断干涉条纹过程；还包括采用同样方法获取子孔径B，并利用计算机辅助判断的方法判断最佳重叠区拟合区域面积，以使两子孔径重叠区两次测量结果拟合效果最好，进而采用多元线性回归的方法修正偏置误差，实现子孔径间重叠区的精确拟合。

实施例6：

根据实施例4所述的子孔径拼接干涉测量非球面偏置误差修正与拼接新方法，所述的拼接方法是采用修正三阶赛德尔像差，以实现偏置误差的修正，拼接机构偏置误差在对非球面进行测量时，其作用表现形式与三阶赛德尔一致。

实施例7：

根据实施例4所述的子孔径拼接干涉测量非球面偏置误差修正与拼接新方法，采用学生氏t分布统计的拼接精度分析和评定方法，解决了按正态分布统计评定拼接精度确定的置信系数k，由于k值与置信概率有固定关系，而不能反映子样标准差的可靠性对置信概率的影响问题。

实施例8：

根据实施例4所述的子孔径拼接干涉测量非球面偏置误差修正与拼接新方法，运用学生氏t分布可评定单次拼接精度，可据此获得两孔径重叠区最佳拟合面积，进一步提高单次拼接精度。

实施例9：

根据实施例4所述的子孔径拼接干涉测量非球面偏置误差修正与拼接新方法，是采用修正偏置误差作用表现形式，即修正三阶赛德尔像差方法实现孔径间的拼接，比传统三方向调整误差修正拼接法明显提高了单次拼接精度。

实施例10：

根据实施例4所述的子孔径拼接干涉测量非球面偏置误差修正与拼接新方法，该方法通过分析拼接测量机构的偏置误差在测量中的作用表现形式，利用坐标变换及求解多元线性回归方程等数学手段，将拼接机构的偏置误差进行修正，以实现子孔径间重叠区相位精确拟合。所属方法包括以下步骤：

(1)所述的测量装置包括干涉仪，所述的干涉仪附件的标准球面或平面透镜、被测非球面、电控精密定位驱动机构及其计算机控制系统。标准球面透镜或平面透镜放在干涉仪和被测非球面之间，通过计算机控制电控旋转平移定位拼接装置，根据被测表面轮廓形状进行平移和旋转，目的让干涉仪射出波面法线与被测区域法线近似重合，从而使干涉仪射出的参考球面波前的曲率中心与所测区域的顶点曲率中心重合，这样入射到被测区域的光线就能够近似地沿原路返回。

(2)所述的干涉仪在此光学表面区域进行干涉测量，得到一个子孔径，然后根据被测表面轮廓，控制平移旋转定位拼接机构进行平移或旋转，到达下一个待测区域，即第二个子孔径，得到第二个子孔径的测量值，两个子孔径间有重叠区，重叠区大小由面型决定，这样就得到待拼接的两个子孔径。

(3)所述的分析拼接测量定位机构空间复合运动机理，利用波像差理论和二次曲面的波面方程，得到拼接定位机构偏置误差与运动自由度之间的函数关系，进而获得定位机构偏置误差的分离模型，根据该模型，界定拼接测量机构的各部分对拼接测量的影响程度，获得由此而引起的三阶系统像差。

(4)所述的应用坐标变换，使两孔径坐标统一起来，再通过修正三阶系统像差，使两孔径重叠区相位精确拟合，从而完成两子孔径的拼接。