[發明專利]一種大口徑工作臺移相干涉面形測量裝置及方法

在審

• 申請號: 202010428628.7
• 申請日: 2020-05-20
• 公開（公告）號: CN111442740A
• 公開（公告）日: 2020-07-24
• 發明（設計）人: 趙維謙;楊帥;邱麗榮
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G01B11/02;G01B11/30;G01B7/02
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 張利萍

本發明涉及一種大口徑工作臺移相干涉面形測量裝置及方法，旨在解決現有大口徑干涉儀難以精確移相、甚至無法移相的難題。本裝置通過單個壓電陶瓷以小推力驅動低摩擦重載工作臺沿直線導軌運動，進而帶動固定在工作臺上的大口徑光學元件完成移相；通過三個位移傳感器實時、高動態地監測工作臺的俯仰和偏擺，進而推算出光學元件的平移和傾斜移相誤差，并將其帶入消傾斜移相算法，最終從移相干涉圖中精確提取出待測面形結果。本裝置及方法不僅機械結構簡單、成本低，而且測量精度不受1)元件口徑和重量，2)工作臺俯仰和偏擺等運動誤差，3)波長調諧所導致的色差和4)干涉腔長度等因素的影響。本裝置及方法為大口徑移相干涉測量提供了一條高精度、低成本的簡便可行途徑。

技術領域

本發明涉及一種大口徑工作臺移相干涉面形測量裝置及方法，屬于精密光學檢測領域。

技術背景

大口徑光學元件在天文望遠鏡、慣性約束聚變裝置、高能激光武器等大型光學系統或國家重大工程中具有廣泛應用。大口徑光學元件表面形貌的優劣是決定這些系統總體性能指標的關鍵參數之一。因此，對大口徑光學元件的表面形貌進行精確測量具有重要意義。不僅如此，大口徑光學元件面形檢測能力和檢測精度也是衡量一個國家精密測量、制造領域發展水平的重要指標。

移相干涉測量(PSI)因具有光學干涉測量領域特有的抗背景干擾能力和高精度測量能力，而被作為極其重要的檢測手段廣泛應用于光學面形檢測領域。PSI的基本原理是在干涉圖中引入相移，再通過采集的多幀移相干涉圖計算相位和面形分布。移相是PSI中最為關鍵的一步，移相精度直接決定了測量精度。目前最經典、應用最為廣泛的移相方式是參考鏡機械式移相，即通過三個壓電陶瓷(PZT)的伸長來驅動參考鏡步進運動，進而在參考光中引入相移。該移相方式不僅較為簡便，而且可通過單獨控制每個PZT來補償參考鏡懸臂式固定結構所造成的傾斜移相誤差。例如，朱煜等人提出一種3壓電陶瓷移相器(朱煜,陳進榜,朱日宏,高志山.由三個壓電陶瓷堆組成的干涉儀移相器的校正與標定[J].光學學報,2001,21(4):468-471)，其不僅對三個壓電陶瓷堆都進行了非線性校正，還綜合分析各個壓電陶瓷堆之間的不一致性，從而實現了小口徑移相干涉測量中的傾斜校準。該移相器的承載僅為10KG左右，可滿足一般的小口徑移相干涉測量需求。

然而，大口徑光學元件的面形檢測一般需要大口徑的參考鏡。當參考鏡口徑超過時，其重量一般重達數十千克，甚至上百千克。這種情況下若繼續使用這種3-PZT的機械式移相器來驅動大口徑參考鏡進行移相，參考鏡的大重量勢必嚴重阻礙某一個或多個PZT的伸長，其結果造成移相誤差增大、甚至根本無法驅動移相。南京理工大學的武旭華博士在其學位論文(武旭華.移相干涉儀的關鍵技術研究[D].南京理工大學,2007.)中研究了一種用于300mm口徑移相干涉儀中的3壓電陶瓷移相器，該移相器已經因參考鏡重量過大而需要進行復雜的傾斜校正和非線性校正。事實上，當干涉儀口徑繼續增大，甚至高達600mm或以上時，參考鏡移相方式難以實現精確移相，甚至PZT根本無法推動參考鏡完成移相和測量。由此可見，參考鏡機械式移相方式(三壓電陶瓷移相方式)難以實現高精度大口徑移相干涉測量。

正因為如此，目前大口徑移相干涉儀不得不采用波長調諧移相方式，其使用可調諧激光器作為干涉儀光源，通過調諧激光器的波長來引入移相量。波長調諧移相的優勢在于移相測量過程中參考鏡和被測鏡均保持不動，這極大地增加了儀器系統的機械穩定性，并且移相精度與測量口徑或元件重量無關。