非零位干涉系統(tǒng)中自由曲面待測(cè)件空間姿態(tài)調(diào)整方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種非零位干涉系統(tǒng)中自由曲面待測(cè)件空間姿態(tài)調(diào)整方法。運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真自由曲面待測(cè)件在理想空間姿態(tài)時(shí)的干涉圖，將仿真干涉圖疊加到CCD實(shí)時(shí)采集到的實(shí)際的自由曲面待測(cè)件的干涉圖上，產(chǎn)生莫爾條紋；調(diào)節(jié)待測(cè)件的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)，使莫爾條紋變疏；解算疊加產(chǎn)生的莫爾條紋的相位值，直至相位值滿足精度調(diào)整要求，停止待測(cè)件旋轉(zhuǎn)姿態(tài)調(diào)節(jié)；根據(jù)實(shí)際待測(cè)件產(chǎn)生的干涉條紋的上下、左右疏密分布狀態(tài)，對(duì)待測(cè)件上下、俯仰、左右、傾斜方向的空間姿態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至實(shí)際待測(cè)件產(chǎn)生的干涉條紋的上下、左右疏密分布狀態(tài)與仿真干涉條紋一致。提出的方法解決了非零位干涉系統(tǒng)測(cè)量過程中在無任何外部基準(zhǔn)的情況下自由曲面待測(cè)件空間姿態(tài)精確調(diào)整問題。
【專利說明】非零位干涉系統(tǒng)中自由曲面待測(cè)件空間姿態(tài)調(diào)整方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)精密測(cè)試領(lǐng)域，具體涉及一種非零位干涉系統(tǒng)中自由曲面待測(cè)件空間姿態(tài)調(diào)整方法，在實(shí)際測(cè)量過程中用于調(diào)整待測(cè)件的空間姿態(tài)，可以有效的減小因待測(cè)件空間姿態(tài)誤差而導(dǎo)致的面形測(cè)量誤差。

【背景技術(shù)】
[0002]在干涉測(cè)量中，由于待測(cè)件的位置誤差引入的最后測(cè)量波面的畸變是不可忽視的，因此待測(cè)件的定位是非常重要的。在通常的球面元件面形的干涉測(cè)量中，球面元件在空間五維姿態(tài)的對(duì)準(zhǔn)誤差(上下、左右、傾斜、俯仰、軸向)會(huì)給最后的測(cè)量波面引入傾斜誤差、離焦誤差和初級(jí)彗差，這些引入的波面畸變可以通過澤尼克多項(xiàng)式擬合的方式從結(jié)果波面中分離出來。但是，對(duì)于非球面元件以及自由曲面元件，要通過簡單的多項(xiàng)式擬合將其位置誤差引入的波面誤差分離出來是非常困難的。因此，目前世界上針對(duì)這一問題，主要是通過提高待測(cè)件的定位精度來減少其位置誤差對(duì)最后測(cè)量結(jié)果的影響。
[0003]德國斯圖加特大學(xué)的Goran Baer等人針對(duì)非零位干涉系統(tǒng)，對(duì)非球面待測(cè)件的空間五維姿態(tài)對(duì)準(zhǔn)誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響進(jìn)行了詳細(xì)的分析。由于自由曲面元件的非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，因此相比球面、非球面元件，其在空間中的姿態(tài)要多一維度，即具有六維空間姿態(tài)(上下、左右、傾斜、俯仰、軸向和旋轉(zhuǎn))。所以，除了像球面、非球面元件一樣，其五維空間姿態(tài)對(duì)最后測(cè)量結(jié)果有影響，其第六維度(旋轉(zhuǎn))姿態(tài)誤差也會(huì)嚴(yán)重影響測(cè)量波面，因?yàn)樽杂汕嬖淖孕藨B(tài)也需精確定位。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是在使用非零位干涉系統(tǒng)測(cè)量自由曲面元件面形過程中精確調(diào)整待測(cè)件的空間姿態(tài)，以減小因待測(cè)件空間姿態(tài)誤差引入的面形測(cè)量誤差。
[0005]技術(shù)方案為:
[0006]一種非零位干涉系統(tǒng)中自由曲面待測(cè)件空間姿態(tài)調(diào)整方法，方法步驟如下:
[0007]第一步、運(yùn)用計(jì)算生成虛擬波面技術(shù)，生成自由曲面待測(cè)件在理想空間姿態(tài)時(shí)的干涉圖，即仿真干涉圖。
[0008]第二步、將第一步得到的仿真干涉圖疊加到CCD實(shí)時(shí)采集到的實(shí)際的自由曲面待測(cè)件的干涉圖上，產(chǎn)生莫爾條紋。
[0009]第三步、調(diào)節(jié)六維調(diào)整裝置的自旋控制旋鈕將待測(cè)件旋轉(zhuǎn)，使上述莫爾條紋變疏。
[0010]第四步、解算疊加產(chǎn)生的莫爾條紋的相位值，判斷相位值是否小于π/2 ;若小于，則進(jìn)行第五步調(diào)整；若大于，則返回第三步繼續(xù)調(diào)整自由曲面待測(cè)件旋轉(zhuǎn)姿態(tài)。
[0011]第五步、此時(shí)自由曲面待測(cè)件的自旋姿態(tài)調(diào)整完畢，根據(jù)實(shí)際自由曲面待測(cè)件產(chǎn)生的干涉條紋的疏密分布狀態(tài)，進(jìn)行如下調(diào)整:
[0012]5-1、若實(shí)際干涉條紋與仿真干涉條紋上下、左右方向疏密一致，則自由曲面待測(cè)件姿態(tài)調(diào)整完畢。
[0013]5-2、若實(shí)際干涉條紋與仿真干涉條紋上下方向疏密不一致，調(diào)節(jié)上下旋鈕將自由曲面待測(cè)件向條紋過密的方向調(diào)節(jié)，再通過俯仰旋鈕將自由曲面待測(cè)件向條紋過疏的方向調(diào)節(jié)使條紋中心再次回到干涉場(chǎng)中心，反復(fù)調(diào)節(jié)直至實(shí)際干涉條紋與仿真干涉條紋上下方向疏密一致。
[0014]5-3、若實(shí)際干涉條紋與仿真干涉條紋左右方向疏密不一致，調(diào)節(jié)左右旋鈕將自由曲面待測(cè)件向條紋過密的方向調(diào)節(jié)，再通過傾斜旋鈕將自由曲面待測(cè)件向條紋過疏的方向調(diào)節(jié)使條紋中心再次回到干涉場(chǎng)中心，反復(fù)調(diào)節(jié)直至實(shí)際干涉條紋與仿真干涉條紋左右方向疏密一致。
[0015]5-4、若實(shí)際干涉條紋與仿真干涉條紋上下、左右方向疏密均不一致，對(duì)自由曲面待測(cè)件依次進(jìn)行5-2和5-3的調(diào)整。
[0016]上述5-4中，若實(shí)際干涉條紋與仿真干涉條紋上下、左右方向疏密均不一致，對(duì)自由曲面待測(cè)件依次進(jìn)行5-3和5-2的調(diào)整。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為自由曲面待測(cè)件旋轉(zhuǎn)4.5°后的干涉圖與其不自旋的干涉圖疊加形成的莫爾條紋。
[0018]圖2為自由曲面待測(cè)件旋轉(zhuǎn)2°后的干涉圖與其不自旋的干涉圖疊加形成的莫爾條紋。
[0019]圖3非零位干涉系統(tǒng)中自由曲面待測(cè)件空間姿態(tài)調(diào)整方法流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0021]莫爾條紋技術(shù)經(jīng)常用于對(duì)物體進(jìn)行空間位移量及角度量的精確控制。莫爾條紋的間距W由產(chǎn)生莫爾條紋的兩組干涉條紋的間距d和兩組干涉條紋的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度Θ決定:
[0022].Θ⑴

2 sin

2
[0023]當(dāng)Θ很小時(shí)，式可以近似為:
[0024]W(2)
[0025]根據(jù)式(2)，當(dāng)兩組干涉條紋發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)時(shí)，就會(huì)在干涉場(chǎng)中產(chǎn)生莫爾條紋，旋轉(zhuǎn)角度Θ越大，則視場(chǎng)中的莫爾條紋就會(huì)越多。如果兩組干涉條紋完全對(duì)準(zhǔn)，則視場(chǎng)中的莫爾條紋就會(huì)消失。根據(jù)這個(gè)原理我們就可以控制被測(cè)自由曲面的自旋角度。
[0026]結(jié)合圖3，一種非零位干涉系統(tǒng)中自由曲面待測(cè)件空間姿態(tài)調(diào)整方法，方法步驟如下:
[0027]第一步、運(yùn)用計(jì)算生成虛擬波面技術(shù)，生成自由曲面待測(cè)件在理想空間姿態(tài)時(shí)的干涉圖，即仿真干涉圖。
[0028]第二步、將第一步得到的仿真干涉圖疊加到CCD實(shí)時(shí)采集到的實(shí)際的自由曲面待測(cè)件的干涉圖上，產(chǎn)生莫爾條紋。(由于自由曲面待測(cè)件的實(shí)際空間姿態(tài)與理想空間姿態(tài)之間有偏差，則仿真干涉圖疊加到CCD實(shí)時(shí)采集干涉圖上后產(chǎn)生莫爾條紋。)
[0029]第三步、調(diào)節(jié)六維調(diào)整裝置的自旋控制旋鈕將待測(cè)件旋轉(zhuǎn)，使上述莫爾條紋變疏。
[0030]第四步、解算疊加產(chǎn)生的莫爾條紋的相位值，判斷相位值是否小于π/2 ;若小于，則進(jìn)行第五步調(diào)整；若大于，則返回第三步繼續(xù)調(diào)整自由曲面待測(cè)件旋轉(zhuǎn)姿態(tài)。
[0031]第五步、此時(shí)自由曲面待測(cè)件的自旋姿態(tài)調(diào)整完畢，根據(jù)實(shí)際自由曲面待測(cè)件產(chǎn)生的干涉條紋的疏密分布狀態(tài)，進(jìn)行如下調(diào)整:
[0032]5-1、若實(shí)際干涉條紋與仿真干涉條紋上下、左右方向疏密一致，則自由曲面待測(cè)件姿態(tài)調(diào)整完畢。
[0033]5-2、若實(shí)際干涉條紋與仿真干涉條紋上下方向疏密不一致，調(diào)節(jié)上下旋鈕將自由曲面待測(cè)件向條紋過密的方向調(diào)節(jié)，再通過俯仰旋鈕將自由曲面待測(cè)件向條紋過疏的方向調(diào)節(jié)使條紋中心再次回到干涉場(chǎng)中心，反復(fù)調(diào)節(jié)直至實(shí)際干涉條紋與仿真干涉條紋上下方向疏密一致。
[0034]5-3、若實(shí)際干涉條紋與仿真干涉條紋左右方向疏密不一致，調(diào)節(jié)左右旋鈕將自由曲面待測(cè)件向條紋過密的方向調(diào)節(jié)，再通過傾斜旋鈕將自由曲面待測(cè)件向條紋過疏的方向調(diào)節(jié)使條紋中心再次回到干涉場(chǎng)中心，反復(fù)調(diào)節(jié)直至實(shí)際干涉條紋與仿真干涉條紋左右方向疏密一致。
[0035]5-4、若實(shí)際干涉條紋與仿真干涉條紋上下、左右方向疏密均不一致，對(duì)自由曲面待測(cè)件依次進(jìn)行5-2和5-3的調(diào)整。
[0036]上述5-4中，若實(shí)際干涉條紋與仿真干涉條紋上下、左右方向疏密均不一致，對(duì)自由曲面待測(cè)件依次進(jìn)行5-3和5-2的調(diào)整。
[0037]六維調(diào)整裝置可以調(diào)整自由曲面待測(cè)件的六維空間姿態(tài)，即在空間直角坐標(biāo)系中，沿x、y、z軸三維平移(即左右、上下、軸向三維方向平移)和繞x、y、z軸三維旋轉(zhuǎn)(即俯仰、傾斜、旋轉(zhuǎn)三維方向旋轉(zhuǎn))。六維調(diào)整裝置實(shí)物可參照北京北光世紀(jì)儀器有限公司產(chǎn)品手冊(cè)(2014-2015) 107頁組合二十六，每一維姿態(tài)的調(diào)整均有相應(yīng)的調(diào)節(jié)旋鈕。
[0038]實(shí)施例1
[0039]下面將通過仿真來驗(yàn)證該方法的有效性及精度。
[0040]研制的傾斜波面非零位干涉系統(tǒng)采集到的全場(chǎng)干涉條紋有50根左右，因此條紋間距d為:
,N 1024
[0041]d - 一 =-= 20.5/o\
m 50(3)
[0042]式中N為CXD的像素?cái)?shù)(取1024)，m為全視場(chǎng)條紋數(shù)目。根據(jù)式(2)，當(dāng)干涉場(chǎng)中產(chǎn)生的莫爾條紋的相位控制在η /2，即W = 4096，則兩組干涉條紋的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度為0.28°。所以只要測(cè)量時(shí)將干涉場(chǎng)中的虛擬莫爾條紋的相位控制在η/2以內(nèi)，則兩組干涉條紋的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度Θ就會(huì)控制在0.4°以內(nèi)，自旋誤差導(dǎo)致的誤差波面PV小于λ/20。
[0043]結(jié)合圖1和圖2，對(duì)上述分析進(jìn)行仿真。如圖1所示，將被測(cè)自由曲面旋轉(zhuǎn)4.5°后形成的干涉圖與其不自旋時(shí)的干涉圖疊加形成了莫爾條紋，莫爾條紋的數(shù)目為4根，按照式(2)與式(3)計(jì)算得到的莫爾條紋也是4根。圖2是將待測(cè)件旋轉(zhuǎn)2°后形成的干涉圖與其不自旋時(shí)的干涉圖疊加形成的莫爾條紋，莫爾條紋的數(shù)目為2根，按照式(2)與式(3)計(jì)算得到的莫爾條紋也是2根。仿真結(jié)果證明了如果兩組干涉條紋的相對(duì)旋轉(zhuǎn)角度Θ為0.25°時(shí)，則產(chǎn)生的莫爾條紋為1/4根即相位為π/2。
[0044]由此可見，該方法解決了自由曲面待測(cè)件在測(cè)量過程中無任何外部基準(zhǔn)的情況下空間姿態(tài)的精確調(diào)整問題，尤其是自旋姿態(tài)的調(diào)整，從而使姿態(tài)誤差引入的波面誤差控制在λ /20 (PV值)以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種非零位干涉系統(tǒng)中自由曲面待測(cè)件空間姿態(tài)調(diào)整方法，其特征在于，方法步驟如下: 第一步、運(yùn)用計(jì)算生成虛擬波面技術(shù)，生成自由曲面待測(cè)件在理想空間姿態(tài)時(shí)的干涉圖，即仿真干涉圖； 第二步、將第一步得到的仿真干涉圖疊加到CCD實(shí)時(shí)采集到的實(shí)際的自由曲面待測(cè)件的干涉圖上，產(chǎn)生莫爾條紋； 第三步、調(diào)節(jié)六維調(diào)整裝置的自旋控制旋鈕將待測(cè)件旋轉(zhuǎn)，使上述莫爾條紋變疏；第四步、解算疊加產(chǎn)生的莫爾條紋的相位值，判斷相位值是否小于η/2 ;若小于，則進(jìn)行第五步調(diào)整；若大于，則返回第三步繼續(xù)調(diào)整自由曲面待測(cè)件旋轉(zhuǎn)姿態(tài)； 第五步、根據(jù)實(shí)際自由曲面待測(cè)件產(chǎn)生的干涉條紋的疏密分布狀態(tài)，進(jìn)行如下調(diào)整:5-1、若實(shí)際干涉條紋與仿真干涉條紋上下、左右方向疏密一致，則自由曲面待測(cè)件姿態(tài)調(diào)整完畢； 5-2、若實(shí)際干涉條紋與仿真干涉條紋上下方向疏密不一致，調(diào)節(jié)上下旋鈕將自由曲面待測(cè)件向條紋過密的方向調(diào)節(jié)，再通過俯仰旋鈕將自由曲面待測(cè)件向條紋過疏的方向調(diào)節(jié)使條紋中心再次回到干涉場(chǎng)中心，反復(fù)調(diào)節(jié)直至實(shí)際干涉條紋與仿真干涉條紋上下方向疏密一致； 5-3、若實(shí)際干涉條紋與仿真干涉條紋左右方向疏密不一致，調(diào)節(jié)左右旋鈕將自由曲面待測(cè)件向條紋過密的方向調(diào)節(jié)，再通過傾斜旋鈕將自由曲面待測(cè)件向條紋過疏的方向調(diào)節(jié)使條紋中心再次回到干涉場(chǎng)中心，反復(fù)調(diào)節(jié)直至實(shí)際干涉條紋與仿真干涉條紋左右方向疏密一致； 5-4、若實(shí)際干涉條紋與仿真干涉條紋上下、左右方向疏密均不一致，對(duì)自由曲面待測(cè)件依次進(jìn)行5-2和5-3的調(diào)整。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述非零位干涉系統(tǒng)中自由曲面待測(cè)件空間姿態(tài)調(diào)整方法，其特征在于:上述5-4中，若實(shí)際干涉條紋與仿真干涉條紋上下、左右方向疏密均不一致，對(duì)自由曲面待測(cè)件依次進(jìn)行5-3和5-2的調(diào)整。
【文檔編號(hào)】G01B11/24GK104251672SQ201410539931
【公開日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2014年10月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月13日
【發(fā)明者】沈華, 魏琰, 任寰, 李嘉, 朱日宏, 陳磊, 王念 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)