用于拼接干涉儀的五維運動臺測試

韓嘯， 張心明， 劉濤

（長春理工大學機電工程學院，長春130022）

0 引言

目前檢測大口徑光學元件的面形測量一般使用大口徑的面形干涉儀，測量過程中要求要有與被測元件尺寸相同或者更大的標準鏡。標準鏡設計和加工難度大，大口徑干涉儀價格昂貴，因此目前大口徑光學元件面形檢測仍是光學檢測中的難題。為了尋求一種低成本的檢測手段，產生了子孔徑拼接技術。拼接干涉儀的基本原理是用小口徑、高精度、高分辨率的干涉儀通過相關拼接術來復原大口徑光學元件的面形數(shù)據(jù)，這是一項新的高精度、大口徑面形檢測方法，既保留了干涉測量的高精度，又降低干涉儀和標準鏡的成本，同時還可以獲得較高測量空間分辨率。

首先介紹拼接干涉儀的基本原理，給出了用于拼接干涉儀的五維運動臺的測試需求。運用激光干涉測量系統(tǒng)對五維運動臺的行程、分辨率進行了測試。利用頻譜實驗測量了五維運動臺的模態(tài)。通過面形干涉儀監(jiān)控了五維運動臺穩(wěn)態(tài)漂移，為拼接干涉儀的研制提供了重要依據(jù)。

1 五維運動臺測試內容

子孔徑拼接的基本原理是將整個大孔徑分割成相互之間有一定重疊區(qū)域的若干子孔徑，用小口徑的面形干涉儀分別測量各子孔徑的面形，然后從重疊區(qū)域提取出相鄰子孔徑之間的相對平移、旋轉、離焦量，而后通過拼接即可恢復出全孔徑波面，圖1給出了拼接干涉儀檢測原理。

圖1 子孔徑拼接原理示意

根據(jù)子孔徑拼接測量原理，測量過程中面形干涉儀與待測鏡片之間要進行6個自由度的相對運動。本文研究的拼接干涉儀基本結構如如圖2所示，其中面形干涉儀具有Z向運動自由度，五維運動臺具有除Z向自由度以外，還有其它5方向的自由度，即X向、Y向、X軸旋轉、Y軸旋轉、Z軸旋轉。

根據(jù)子孔徑拼接原理可知，五維運動臺各運動軸的行程決定了該拼接干涉儀的測量范圍；各運動軸的分辨率決定了測量過程中鏡片位置調整分辨率；不同于傳統(tǒng)光學調整架，用于拼接干涉儀的五維運動臺對運動精度有要求，運動精度決定了子孔徑拼接過程的精度；高精度面形測試過程中環(huán)境振動的影響不可忽略，五維運動臺要求具有較好的抗振性能；五維運動臺穩(wěn)態(tài)漂移直接導致面形測量條紋變化，導致子孔徑面形測量精度下降。因此利用激光干涉測量系統(tǒng)對五維運動臺各運動軸的行程、分辨率、雙向重復定位精度進行測試；利用頻譜實驗對五維運動臺模態(tài)進行測試；利用高精度面形干涉儀監(jiān)測五維運動臺穩(wěn)態(tài)漂移。全部測試內容、測試設備如表1所示。

2 五維運動臺結構

為了更好地理解測試內容，對本文的五維運動臺結構做簡要介紹，五維運動臺的實物如圖3所示，結構詳細信息如表2所示。

圖2 拼接干涉儀結構示意圖

表1 測試內容及設備

圖3 拼接干涉儀用五維運動臺

表2 拼接干涉儀用五維運動臺結構詳細信息

3 測試及結果

利用雷尼紹激光干涉系統(tǒng)XL-80，分別搭建測長光路、測角度光路對五維運動臺兩個直線運動軸和三個角度運動軸的行程、分辨率、雙向定位精度進行測試。測試結果如表3所示。

表3 運動精度測試結果

利用模態(tài)測試系統(tǒng)，對五維運動臺的模態(tài)進行測試，得到該五維運動臺的一階固有頻率，測試參數(shù)及結果如表4所示。

表4 模態(tài)測試參數(shù)及結果

利用高精度面形干涉儀監(jiān)視五維運動臺穩(wěn)態(tài)漂移，測試時首先將測試的4in VWS平面標準鏡固定在五維運動臺上，將五維運動臺與鏡片在ZYGO公司6in VWS中穩(wěn)定1 h后，驅動五維運動臺調至有條紋狀態(tài)，通過監(jiān)視條紋變化得到五維運動臺的穩(wěn)態(tài)漂移，測試前條紋如圖4所示。10 min后干涉條紋如圖5所示。測試結果顯示五維運動臺在10 min內移動了2個條紋，條紋發(fā)生了一定角度的旋轉。

4 結論

簡述了拼接干涉儀的原理，以及五維運動臺性能參數(shù)對拼接干涉儀整機性能的影響，確定了拼接干涉儀用五維運動臺的測試內容。利用激光干涉系統(tǒng)，測量了五維運動臺的運動精度，包括各運動軸的行程、分辨率、雙向定位精度；通過模態(tài)測試系統(tǒng)測試了五維運動臺的一階固有頻率；運用高精度面形干涉儀監(jiān)視了五維運動臺的穩(wěn)態(tài)漂移。為五維運動臺的測試及拼接干涉儀的的研制提供重要參考。

圖4 測試前干涉條紋

圖5 測試后干涉條紋

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