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为实现对光学元件的高精度面形测量,建立了一种旋转支撑结构的高精度测量方法。对该方法的理论原理、数值仿真和误差分析等进行了研究。首先根据元件夹持工况仿真分析了支撑变形的特性。接着用泽尼克多项式拟合波面,建立了旋转支撑法的理论模型,并推导出光学元件去除支撑影响后的面形公式。用仿真分析的方式验证了理论模型,对计算的面形结果与理论面形进行了比较分析。最后,分析了影响旋转支撑法测量精度的误差项。仿真分析结果表明,通过两次旋转支撑结构的方式,可以有效地去除元件支撑造成的面形误差,计算值与真实值之间的误差为支撑误差的泽尼克多项式的高阶对称项,满足元件面形的高精度检测要求。
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书书书
第
31
卷
第
8
期
光
学
学
报
Vol.31
,
No.8
2011
年
8
月
犃犆犜犃犗犘犜犐犆犃犛犐犖犐犆犃
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2011
旋转支撑法去除元件面形测量的夹持误差
王
平
田
伟
王汝冬
王立朋
隋永新
杨怀江
(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林 长春
130033
)
摘要
为实现对光学元件的高精度面 形 测 量,建 立 了 一 种 旋 转 支 撑 结 构 的 高 精 度 测 量 方 法。对该 方 法 的 理 论 原
理、数值仿真和误差分析等进行了研究。首先根据元件夹持工况仿真分析了支 撑 变 形 的 特 性。 接 着 用 泽 尼 克 多 项
式拟合波面,建立了旋转支撑法的理论模型,并推导 出 光 学 元 件 去 除 支 撑 影 响 后 的 面 形 公 式。 用 仿 真 分 析 的 方 式
验证了理论模型,对计算的面形结果与理论面形进 行 了 比 较 分 析。 最 后,分 析 了 影 响 旋 转 支 撑 法 测 量 精 度 的 误 差
项。仿真分析结果表明,通过两次旋转支撑结构的方式,可以有效地去除元件支 撑 造 成 的 面 形 误 差,计 算 值 与 真 实
值之间的误差为支撑误差的泽尼克多项式的高阶对称项,满足元件面形的高精度检测要求。
关键词
测量;元件夹持;测量误差;夹持误差;旋转支撑法
中图分类号
O436
文献标识码
A
犱狅犻
:
10.3788
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120.6650
;
220.4840
;
200.4880
;
350.4800
;
000.2658
收稿日期:
20110217
;收到修改稿日期:
20110328
基金项目:国家科技重大专项(
2009ZX02205
)资助课题。
作者简介:王
平(
1984
—),男,硕士,研究实习员,主要从事光学仪器结构方面的研究。
Email
:
alex.won
gp
@
g
mail.com
1
引
言
干涉检测是测量高精度光学元件面形的主要手
段,现在的商用干涉 仪主 机 可以 达 到纳 米 量级 的 检
测精度。但是随着 检 测精 度 的提 高,除干 涉 仪自 身
精度需要提高以外,对周围 环 境和 辅 助支 撑 技术 的
要求也越来越高
。在 干涉 检 测中,需要将 光 学元 件
固定在调整架上,在重力和夹持力的作用下,光学元
件表面会发生变形,导致测 量 的光 学 元件 面 形里 包
含了这一固定过程 造 成的 面 形变 化,极大 地 限制 了
干涉测量的精度。某 些超 高 精度 的 光学 元 件,其使
用方向需要严格限 制,例如 光 刻镜 头 中的 光 学元 件
只能将光轴竖直放 置,但是 商 用干 涉 仪通 常 将光 轴
水平放置,这种工作 工况 与 检测 工 况的 差 别形 成 了
元件面形检测的 另 一个 主 要误 差
。因 此,需要 提出
08120041
光
学
学
报
一种能够分离出光学元件固定过程造成的面形误差
的元件面形检测手段。
针对光学 元件面 形的超 高精度 检测,业界提出
了 多 种 方 法,其 中 最 主 要 的 就 是 绝 对 检 测 手 段。
Evans
等
[
1
]
对高精度测量方面的标定技术进 行了详
细论述。
Schulz
等
[
2
~
5
]
对平面的三平板法绝对检测
方 法 进 行 了 研 究
,并 探 讨 了 测 量 误 差 的 补 偿。
Evans
等
[
6
~
8
]
建立了旋转 参考面 或待测 面的 旋转 绝
对检测法,通过旋转平均获得光学表面的绝对面形,
可以有效去除测量系统的非对称误差和部分旋转误
差。
Griesmann
等
[
9
]
改 进 了 三平 板绝 对 检 测 法,将
支撑变形误差引入 到 三平 板 检测 中,将测 量 中由 支
撑结构造成的影响消除。国内对干涉仪测量精度也
进行了大量的研究,苗二龙等
[
10
]
对超高 精度干 涉仪
进行了误差 分 析,并 对 误 差 进 行了 分类;刘 东 等
[
11
]
对干涉测量的回程误差进行分 析;耿 文豹等
[
12
]
对成
像系统性能进行了研究;刘克等
[
13
]
对系统 误差的 标
定进行了研究。但 是,以前 的 工作 主 要是 集 中在 平
面的绝对检测,期间存在元件的重复装夹问题,并且
没有考虑装夹作用造成的误 差。
Griesmann
等
[
9
]
的
工作虽然考虑了支 撑 变形 误 差,但是 却只 针 对平 面
的三平板法,并不 适用 于 非平 面 镜。 本 文 针对 光 刻
镜头中光学元件的检测以及磁 流变修 形
[
14
]
的需求,
提出了一种旋转元 件 支撑 结 构的 绝 对检 测 方法,适
用于平面与球面的面形检测。通过该方法可去除支
撑造成的面形误差,提高检测精度。
2
元件夹持误差
在对光学 元件进 行干涉 测量时,通 常采用 三爪
卡盘将其固定在调 整 架上,如图
1
所示。在 外力 作
用下,光学元件会发生变形,带来测量误差。对于低
精度的面形检测
,夹持 过 程造 成 的面 形 测量 误 差影
响很小,可以忽略 不计;但是对 于 高精 度 测量,夹持
过程造成的误差就 变 成了 主 要误 差 源,必须 予以 考
虑。在工程实际中,元件的 夹 持误 差 很难 通 过物 理
手段予以消除,只能 采取 特 殊的 测 量过 程 以及 数 据
处理方式进行解 决。 如果 采 用数 据 处理 的 方式,那
么显而易见
,夹持造 成 的面 形 变化 必 须具 有 相当 高
的可重复性
。在设计 三 爪卡 盘 时,夹持 爪与 底 座之
间必须尽量减少摩擦力的作用,同时,三爪必须能够
保证待测件自动对 心,即待 测 镜相 对 于三 爪 的位 置
具有一定的重复性,通过这 种 方式 保 证待 测 镜的 每
次夹持能够具有可靠的重复性。
图
1
光学元件夹持示意图
Fi
g
.1 Schematicofo
p
ticalcom
p
onentchuck
为了去除 夹持带 来的面 形误差,必 须先分 析该
误差的性质。首先,通过有限元(
FEM
)仿真分析 三
爪夹持造成的元件 表 面变 形,然后 对 表面 变 形数 据
作泽尼克多项式拟 合,观察 泽 尼克 系 数来 分 析支 撑
误差的性质。由于夹持造成的面形变化与光学元件
的真实面形相互独立,因此,可以单独分析夹持造成
的面形变化。以一 块 平面 镜 作为 分 析对 象,其口 径
为
150 mm
,厚 度 为
20 mm
,材 料 为 熔 石 英。 建
立 平面 镜的 有 限元 模 型,如图
2
(
a
)所 示 ,平面 镜 的
图
2
平面镜有限元分析结果。(
a
)有限元模型;(
b
)变形云图
Fi
g
.2 FEMresultofflatmirror.
(
a
)
FEM model
;(
b
)
deformation
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ra
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08120042
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