[发明专利]子孔径拼接干涉测量非球面偏置误差修正与拼接新方法

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：