[发明专利]一种大口径工作台移相干涉面形测量装置及方法

权利要求书

1.一种大口径工作台移相干涉面形测量装置，其特征在于：包括小口径干涉仪主机、扩束系统、大口径准直镜、透射平晶、被测平晶、大口径调整架、低摩擦重载工作台、传感器监测平板、直线导轨、压电陶瓷、传感器工作台、传感器固定架、位移传感器A、位移传感器B和位移传感器C；

小口径干涉仪主机出射的准直光束被扩束系统扩束成大口径测量光，透射平晶固定在扩束系统上，被测平晶通过大口径调整架固定在低摩擦重载工作台上；大口径测量光经过透射平晶后被被测平晶沿原路反射，再次经过透射平晶后进入扩束系统及小口径干涉仪主机；低摩擦重载工作台及传感器工作台均可沿直线导轨运动，传感器工作台可与直线导轨锁紧固定；压电陶瓷固定在传感器工作台上，其与低摩擦重载工作台之间通过球头接触并被预紧；移相测量过程中，传感器工作台与直线导轨锁紧固定，低摩擦重载工作台被压电陶瓷驱动沿直线导轨无爬行地运动，进而带动被测平晶完成移相；传感器监测平板固定在低摩擦重载工作台上，传感器支架固定在传感器工作台上，其上配置有三个位移传感器以实时、高动态地监测移相过程中传感器监测平板上三个局部位置的位移，进而推算出被测平晶的平移和倾斜移相误差，并以此精确求解待测面形。

2.如权利要求1所述的一种大口径工作台移相干涉面形测量装置，其特征在于：位移传感器包括接触式位移传感器和非接触式位移传感器。

3.如权利要求1所述的一种大口径工作台移相干涉面形测量装置，其特征在于：低摩擦重载工作台包括液压工作台、气浮工作台、精密滚珠工作台和磁悬浮工作台。

4.一种大口径工作台移相干涉面形测量方法，其特征在于：测量步骤如下：

步骤一、打开小口径干涉仪主机，依次装卡透射平晶和被测平晶，调整各平晶的姿态直至主控计算机中观察到干涉条纹；

步骤二、主控计算机输出非线性递增的模拟电压信号，以控制压电陶瓷等间距地伸长，进而驱动低摩擦重载工作台及被测平晶实现定步长移相；

步骤三、主控计算机采集移相干涉图，同时高速采集三个位移传感器的测量数据；

步骤四、从三个位移传感器的测量数据中推算出平移和倾斜移相误差的大小和方向，将其带入消倾斜移相干涉算法并最终计算面形测量结果。

5.如权利要求4所述的一种大口径工作台移相干涉面形测量方法，其特征在于：从三个位移传感器的测量数据中推算平移和倾斜移相误差的公式如下：

其中下角标n表示移相步数，δ(n)表示平移移相量，α(n)和β(n)分别表示倾斜移相系数，a_nb_nc_n分别是三个位移传感器所测得的位移量，λ是干涉仪光源的波长，D是有效测量口径，l是位移传感器A与B，B与C之间的距离。

6.如权利要求4所述的一种大口径工作台移相干涉面形测量方法，其特征在于：移相还可采用随机移相方式，即主控机计算机等步长地输出模拟电压，使压电陶瓷非线性地伸长；或任意给定输出模拟电压，使压电陶瓷随机伸长。

7.如权利要求4所述的一种大口径工作台移相干涉面形测量方法，其特征在于：实现大口径球面被测元件表面形貌测量时，将被测平晶替换为被测球面镜，在被测球面镜和透射平晶中放置大口径透镜或大口径计算全息板以实现测量光束的会聚或发散，被测球面镜的球心与测量光束的汇聚点重合。

8.如权利要求4所述的一种基于低摩擦重载工作台移相的大口径高精度移相干涉测量方法，其特征在于：消倾斜移相干涉算法的计算步骤如下：

步骤(1)、从所有干涉图I(i,j,n)中计算出背景a(i,j)和调制度b(i,j)，其中(i,j)表示像素坐标，max[I(i,j,n)]和min[I(i,j,n)]分别表示所有干涉图中(i,j)像素点上的最大灰度值和最小灰度值；

a(i,j)＝{max[I(i,j,n)]+min[I(i,j,n)]}/2

b(i,j)＝{max[I(i,j,n)]-min[I(i,j,n)]}/2

步骤(2)、将计算得出的平移和倾斜移相量作为已知值，利用最小二乘法计算相位分布；将干涉图的光强模型写为

I(i,j,n)＝a(i,j)+C(i,j)cos[Δ(i,j,n)]+S(i,j)sin[Δ(i,j,n)]，其中Δ(i,j,n)是倾斜移相量，C(i,j)和S(i,j)是为了书写简便所引入的两个中间参量，有：

Δ(i,j,n)＝δ_n+α_ni+β_nj，

C(i,j)＝b(i,j)cos[W(i,j)4π/λ]，

S(i,j)＝b(i,j)sin[W(i,j)4π/λ]，

带入所有的已知量，利用最小二乘法可求出C(i,j)和S(i,j)，然后利用反正切公式可求出面形W(i,j)；

步骤(3)、将步骤(2)得出的面形W(i,j)作为已知值，重新计算新的平移移相量和倾斜移相参数；将光强表达式重新写为

G_S(i,j,n)＝b(i,j)sin[Φ(i,j,n)]

Φ(i,j,n)＝W(i,j)4π/λ+Δ(i,j,n)

其中，表示光强模型，分别是α(n)，β(n)和δ(n)的修正值，G_s(i,j,n)是为了书写简便所引入的中间参量，Φ(i,j,n)表示总相位，其包括待测面形引起的相位分布和倾斜移相量；带入所有已知量，通过最小二乘法求出带入如下公式求出新的倾斜移相参数和平移移相量α′(n),β′(n),δ′(n)

步骤(4)、给定收敛阈值ε，将作为判据来判断迭代计算是否收敛；若则认为收敛，直接得待测面形结果，否则从步骤(2)(3)(4)，直至计算收敛。