[发明专利]平面子孔径拼接系统中定位误差的标定装置及其标定和补偿方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学检测领域，具体涉及到一种平面子孔径拼接测量系统中定位误差的标定和补偿方法，可以提高子孔径拼接测量精度。

背景技术

随着科学技术的不断发展，大口径光学系统在天文望远镜系统、光刻机系统、惯性约束聚变等领域得到了越来越来广泛的应用，大口径光学元件的制造需要与之相应的检测方法和仪器。

为了检测大口径光学元件和光学系统波前，传统的光学检测方法需要一块与被测元件尺寸相同或者更大的标准面形，而大口径高精度的标准表面的制作具有成本高、加工难度大。在这种背景下，产生了拼接测量方法，即采取“以小拼大”的思想，采用小口径的检测设备对大口径光学元件或光学系统部分口径即子孔径区域进行检测，最后将所有子孔径数据按照一定的拼接算法进行拼接，完成对大口径光学元件或光学系统的测量。这种拼接测量方法即保留了小口径干涉仪的高精度、高分辨率的特点，又不需要大口径的标准表面，降低了成本。

子孔径拼接测量的基本方法是从相邻子孔径间的重叠区域中提取相邻子孔径的参考面之间的相对平移、旋转和离焦量，并依次把这些子孔径的参考面统一到某一个指定的参考面，然后恢复全孔径面形或者波面。

从子孔径的拼接算法看，相邻子孔径之间重叠区域的高精度对准是实现高精度拼接的前提。在子孔径拼接干涉仪装置中，子孔径拼接干涉仪通常使用位移台控制待测镜移动。主要有三个因素会影响相邻子孔径在重叠区域的对准精度：1)拼接位移台在移动过程中存在定位误差，导致不同子孔径在重叠区域存在x和y方向的平移误差；2)拼接位移台在运动方向上存在的俯仰角度误差，导致不同子孔径在重叠区域存在旋转误差；3)由于装调误差的存在，拼接位移台运动方向与干涉仪的坐标系存在一定夹角，导致不同子孔径的重叠区域存在x和y方向的平移误差。定位误差可以通过优化硬件来实现，如中国专利201210304174.8“一种带有运动坐标反馈的子孔径拼接面形检测装置”中，通过给拼接位移台控制系统中增加激光距离干涉仪组件，对拼接位移台的定位误差和拼接位移台运动方向与两个拼接方向上的装调误差进行高精度标定。但是，这种方法需要耗费较高的硬件成本，且激光距离干涉仪的存在，容易导致系统结构复杂。

在本发明中，利用一块表面上制作有高精度定位标记的光学标准镜，对相邻子孔径之间定位误差进行标定，将相邻子孔径的坐标统一到同一坐标系中，提高了子孔径数据在重叠区域的对准精度，最终可以提高子孔径拼接测量精度。这种方法利用图像处理的方法，对拼接位移台本身的定位误差以及由装调误差导致的定位误差进行标定和补偿计算，系统本身不需要增加硬件，降低了成本，且系统简单。

发明内容

本发明的主要目的是借助表面上制作有标记点的光学标准镜，对平面子孔径拼接系统中相邻的两个子孔径的定位误差进行标定，以软件方式对位置误差进行补偿计算，以较低成本实现高精度的子孔径拼接测量。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种平面子孔径拼接系统中系统定位误差的标定装置，该装置包含：干涉仪和相应口径大小的标准平面透镜、拼接位移台、数据处理单元、拼接位移台控制系统和光学标准镜。

从所述的干涉仪发出的平行光入射至标准平面透镜上，标准平面透镜对光束一部分进行反射，一部分透射至光学标准镜上，该透射光经过光学标准镜的反射和标准平面透镜的透射后返回至干涉仪内部，与反射光形成干涉。由干涉仪进行数据采集，并传送至数据处理单元，由数据处理单元进行处理。

所述的光学标准镜上制作有用于定位的标记点，用于相邻子孔径之间的坐标统一到同一个坐标系中，完成相邻子孔径之间拼接位移台本身的定位误差和由系统装调误差而导致的相对定位误差的补偿。

所述的拼接位移台具有四个调节自由度，用于调节所述的光学标准镜在二维空间(图示的x和y方向)的位置的调节以及光学标准镜的俯仰和偏摆调节。

所述的拼接位移台控制系统对拼接位移台的四个自由度的调节进行精密控制，实现光学标准镜空间位置的高精度控制以及俯仰和偏摆角度的高精度调整。

所述的光学标准镜上的标记点要和子孔径测量过程中相邻子孔径之间的重叠区域相对应，且相邻子孔径之间的重叠区域内包含的标记数量至少为3个或以上，且这些标记点不能位于同一直线上。

所述的干涉测量系统可以是菲索型干涉仪，也可以是其他基于干涉原理为基础的测量系统。

基于上述的平面子孔径拼接测量系统中定位误差的标定和补偿方法，其特征在于，包含以下步骤：

(1)调整干涉仪的测量系统，使标准平面透镜与干涉仪共轴；