一種轉(zhuǎn)臺(tái)擺角精密測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)檢測領(lǐng)域，具體涉及一種轉(zhuǎn)臺(tái)擺角精密測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 精密轉(zhuǎn)臺(tái)在儀器設(shè)備和生產(chǎn)制造中有著廣泛的應(yīng)用，而轉(zhuǎn)臺(tái)的軸系精度是衡量轉(zhuǎn) 臺(tái)精密程度的關(guān)鍵，也是轉(zhuǎn)臺(tái)精密度的主要指標(biāo)之一。理想的轉(zhuǎn)臺(tái)只有一個(gè)繞著z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的 自由度，其它沿著X，y，Z方向的直線運(yùn)動(dòng)和繞X，y軸轉(zhuǎn)動(dòng)的5個(gè)自由度都可稱為轉(zhuǎn)臺(tái)的軸系 誤差。而在轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際應(yīng)用中，軸系誤差也就是其他5個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)一般轉(zhuǎn)化為z軸方向 的軸向跳動(dòng)、沿z軸垂直方向的徑向跳動(dòng)和轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)繞著X，y軸的擺動(dòng)。軸向跳動(dòng)和徑向 跳動(dòng)通常可以使用標(biāo)準(zhǔn)球放在轉(zhuǎn)臺(tái)中心，利用色差傳感器測量轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)球相對于色 差傳感器的跳動(dòng)，利用三角函數(shù)進(jìn)行擬合后可以得到轉(zhuǎn)臺(tái)的軸向和徑向跳動(dòng)。而轉(zhuǎn)臺(tái)的擺 動(dòng)一般有兩種測量方法，一種是利用標(biāo)準(zhǔn)圓柱放在轉(zhuǎn)臺(tái)中心，測量圓柱上下兩個(gè)位置隨轉(zhuǎn) 臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的跳動(dòng)，通過測得的跳動(dòng)和兩個(gè)位置之間的長度可以計(jì)算出轉(zhuǎn)臺(tái)的擺動(dòng)。另外一 種方法是使用一塊標(biāo)準(zhǔn)平晶，利用平行光管測量反射光在轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中反射光傾角變化 而得到轉(zhuǎn)臺(tái)擺角。這兩種方法嚴(yán)重依賴于標(biāo)準(zhǔn)件的質(zhì)量，例如圓柱的圓度和標(biāo)準(zhǔn)平晶的面 形誤差都會(huì)直接影響最終擺角的測量結(jié)果。而高質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)元件制造往往比較困難，需要 定期進(jìn)行嚴(yán)格標(biāo)定。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的是提供一種轉(zhuǎn)臺(tái)擺角精密測量方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中測量轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)角 精度嚴(yán)重依賴標(biāo)準(zhǔn)件的質(zhì)量的技術(shù)問題。
[0004] 本發(fā)明一種轉(zhuǎn)臺(tái)擺角精密測量方法包括以下步驟：
[0005] 步驟一:將精密氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)固定于干涉儀五維調(diào)整臺(tái)上，將標(biāo)準(zhǔn)平晶放置在精密氣 浮轉(zhuǎn)臺(tái)上，參考面位于干涉儀正下方，參考面與標(biāo)準(zhǔn)平晶之間形成平面干涉腔；
[0006] 步驟二:通過干涉儀五維調(diào)整臺(tái)調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)平晶的位置，使得參考面與標(biāo)準(zhǔn)面形成 零條紋；
[0007] 步驟三:將精密氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)均分成η等份，精密氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)每被旋轉(zhuǎn)360° /η的角度，測 量一次標(biāo)準(zhǔn)平晶在平面干涉腔的干涉條紋，重復(fù)上述操作，共測量η組標(biāo)準(zhǔn)平晶的面形數(shù) 據(jù)，獲得標(biāo)準(zhǔn)平晶的面形；
[0008] 步驟四：基于η組標(biāo)準(zhǔn)平晶的面形數(shù)據(jù)，利用Zernike多項(xiàng)式擬合測量對應(yīng)得到η組 參考面的面形數(shù)據(jù)，分別提取η組Zernike多項(xiàng)式的第二，三項(xiàng)系數(shù)，其中，Zernike多項(xiàng)式的 第二項(xiàng)系數(shù)為參考面相對于X軸的傾斜度，帶三項(xiàng)系數(shù)為參考面相對于Y軸的傾斜度；
[0009] 步驟五:統(tǒng)計(jì)η組Zernike多項(xiàng)式的第二項(xiàng)系數(shù)，第二項(xiàng)系數(shù)的，最大值減去最小值 即為轉(zhuǎn)臺(tái)相對于X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)擺角誤差;統(tǒng)計(jì)η組Zernike多項(xiàng)式的第三項(xiàng)系數(shù)，第三項(xiàng)系數(shù)的 最大值減去最小值即為轉(zhuǎn)臺(tái)相對于Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)擺角誤差。
[0010]步驟一所述的參考面為平晶。
[0011] 本發(fā)明的工作原理:精密轉(zhuǎn)臺(tái)固定于儀干涉儀五維調(diào)整臺(tái)上，標(biāo)準(zhǔn)平晶放置在精 密轉(zhuǎn)臺(tái)上并固定，干涉儀發(fā)出的準(zhǔn)直光束經(jīng)過參考面時(shí)，一部分被參考面反射回干涉儀，透 過參考面的光束繼續(xù)傳播，并由標(biāo)準(zhǔn)平晶反射回去，與參考面反射的光進(jìn)行干涉形成干涉 條紋。在實(shí)際測量時(shí)，通過干涉儀五維調(diào)整臺(tái)調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)平晶使得參考。與標(biāo)準(zhǔn)平晶平行形成 零條紋，測量此狀態(tài)下平面干涉腔干涉圖，得到標(biāo)準(zhǔn)平晶面形，旋轉(zhuǎn)氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)角度為360°/ N，再次測量此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)平晶面形，重復(fù)上述步驟，共測量N次;利用Zernike多項(xiàng)式擬合測量得 到的平晶面形，提取第二，三項(xiàng)(x，y傾斜項(xiàng))系數(shù)，計(jì)算后得到參考面傾斜角度，統(tǒng)計(jì)得到的 傾斜角度，最大值減去最小值即為轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)擺角誤差。本方法利用干涉儀將角度測量轉(zhuǎn)化 為面形測量，通過面形Zernike多項(xiàng)式提取出傾斜角度，其檢測精度不受標(biāo)準(zhǔn)件精度影響， 檢測精度高。
[0012] 本發(fā)明的有益技術(shù)效果:本方法利用干涉儀和標(biāo)準(zhǔn)平晶組成的干涉腔首先進(jìn)行面 形測量，利用Zernike多項(xiàng)式對測量得到的面形進(jìn)行擬合得到傾斜項(xiàng)，統(tǒng)計(jì)不同轉(zhuǎn)動(dòng)角度下 的傾斜變化就可以得到轉(zhuǎn)臺(tái)的擺角誤差。其優(yōu)點(diǎn)在于利用了干涉面形測量精度高的特點(diǎn)， 將角度的測量轉(zhuǎn)化為面形測量，然后通過擬合得到平晶的傾斜，不受平晶自身面形的影響， 而測量精度由于利用了高精度的干涉儀面形測量而大大提高了檢測精度，操作簡單，不依 賴于標(biāo)準(zhǔn)件精度的測量方法。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發(fā)明一種轉(zhuǎn)臺(tái)擺角精密測量方法的測量原理示意圖；
[0014] 其中，1、干涉儀，2、參考面，3、標(biāo)準(zhǔn)平晶，4、精密氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)，5、干涉儀五維調(diào)整臺(tái)。 具體實(shí)施例
[0015] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步闡述。
[0016] 參見附圖1，本發(fā)明一種轉(zhuǎn)臺(tái)擺角精密測量方法包括以下步驟：
[0017] 步驟一:將精密氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)4固定于干涉儀五維調(diào)整臺(tái)5上，將標(biāo)準(zhǔn)平晶3放置在精密 氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)4上，參考面2位于干涉儀1正下方，參考面2與標(biāo)準(zhǔn)平晶3之間形成平面干涉腔；
[0018] 步驟二:通過干涉儀1干涉儀五維調(diào)整臺(tái)5調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)平晶3的位置，使得參考面2與 標(biāo)準(zhǔn)面形成零條紋；
[0019] 步驟三:將精密氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)4均分成η等份，精密氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)4每被旋轉(zhuǎn)360°/η的角度， 測量一次標(biāo)準(zhǔn)平晶3在平面干涉腔的干涉條紋，重復(fù)上述操作，共測量η組標(biāo)準(zhǔn)平晶3的面形 數(shù)據(jù)，獲得標(biāo)準(zhǔn)平晶3的面形；
[0020] 步驟四：基于η組標(biāo)準(zhǔn)平晶3的面形數(shù)據(jù)，利用Zernike多項(xiàng)式擬合測量對應(yīng)得到η 組參考面2的面形數(shù)據(jù)，分別提取η組Zern i ke多項(xiàng)式的第二，三項(xiàng)系數(shù)，其中，Zern ike多項(xiàng) 式的第二項(xiàng)系數(shù)為參考面2相對于X軸的傾斜度，第三項(xiàng)系數(shù)為參考面2相對于Y軸的傾斜 度；
[0021] 步驟五:統(tǒng)計(jì)η組Zernike多項(xiàng)式的第二項(xiàng)系數(shù)，第二項(xiàng)系數(shù)的最大值減去最小值 即為轉(zhuǎn)臺(tái)相對于X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)擺角誤差;統(tǒng)計(jì)η組Zernike多項(xiàng)式的第三項(xiàng)系數(shù)，第三項(xiàng)系數(shù)的 最大值減去最小值即為轉(zhuǎn)臺(tái)相對于Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)擺角誤差。
[0022]步驟一所述的參考面2為平晶。
[0023]所述步驟四中Zernike多項(xiàng)式Ζ(Ρ，Θ)被化解為徑向坐標(biāo)p和角度坐標(biāo)Θ的函數(shù)，其 形式如下：
[0025]其中，η為多項(xiàng)式的"階"，取值為0，1，2,…；1為與階數(shù)η相關(guān)的序號(hào)，1的值恒與η同 奇偶性，且絕對值小于或等于階數(shù)η，任意一個(gè)波前或者表面面形可以用Zernike多項(xiàng)式表 示為：
[0027]其中，an為對應(yīng)項(xiàng)的系數(shù)。Zernike多項(xiàng)式前9項(xiàng)分別對應(yīng)光學(xué)中的像差如下所示：
[0028] Z0:平移；
[0029] Zl，Z2: X軸傾斜角度，7軸傾斜角度；
[0030] Z3:離焦；
[0031] Z4，Z5:像散；
[0032] Z7，Z8:慧差；
[0033] Z9:球差。
[0034]由于Zernike多項(xiàng)式各項(xiàng)的正交特性，因此可以利用Zernike多項(xiàng)式將傾斜項(xiàng)，也 就是Zernike多項(xiàng)式第二和第三項(xiàng)通過擬合單獨(dú)提取出來。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種轉(zhuǎn)臺(tái)擺角精密測量方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一:將精密氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)（4)固定于干涉儀五維調(diào)整臺(tái)（5)上，將標(biāo)準(zhǔn)平晶（3)放置在精 密氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)（4)上，參考面(2)位于干涉儀（1)正下方，參考面(2)與標(biāo)準(zhǔn)平晶（3)之間形成平 面干涉腔； 步驟二：通過干涉儀（1)干涉儀五維調(diào)整臺(tái)（5)調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)平晶（3)的位置，使得參考面 (2)與標(biāo)準(zhǔn)面形成零條紋； 步驟三:將精密氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)（4)均分成η等份，精密氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)（4)每被旋轉(zhuǎn)360° /η的角度， 測量一次標(biāo)準(zhǔn)平晶(3)在平面干涉腔的干涉條紋，重復(fù)上述操作，共測量η組標(biāo)準(zhǔn)平晶（3)的 面形數(shù)據(jù)，獲得標(biāo)準(zhǔn)平晶3的面形； 步驟四：基于η組標(biāo)準(zhǔn)平晶（3)的面形數(shù)據(jù)，利用Zernike多項(xiàng)式擬合測量對應(yīng)得到η組 參考面(2)的面形數(shù)據(jù)，分別提取η組Zernike多項(xiàng)式的第二，三項(xiàng)系數(shù)，其中，Zernike多項(xiàng) 式的第二項(xiàng)系數(shù)為參考面(2)相對于X軸的傾斜度，帶三項(xiàng)系數(shù)為參考面(2)相對于Y軸的傾 斜度； 步驟五：統(tǒng)計(jì)η組Zernike多項(xiàng)式的第二項(xiàng)系數(shù)，第二項(xiàng)系數(shù)的最大值減去最小值即為 轉(zhuǎn)臺(tái)相對于X軸的轉(zhuǎn)動(dòng)擺角誤差;統(tǒng)計(jì)η組Zernike多項(xiàng)式的第三項(xiàng)系數(shù)，第三項(xiàng)系數(shù)的最大 值減去最小值即為轉(zhuǎn)臺(tái)相對于Y軸的轉(zhuǎn)動(dòng)擺角誤差。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種轉(zhuǎn)臺(tái)擺角精密測量方法，其特征在于，參考面(2)為平晶。
【專利摘要】本發(fā)明一種基于平面干涉儀的轉(zhuǎn)臺(tái)擺角精密測量方法，屬于光學(xué)檢測領(lǐng)域，解決了現(xiàn)有技術(shù)中測量轉(zhuǎn)臺(tái)擺角精度嚴(yán)重依賴標(biāo)準(zhǔn)件的質(zhì)量的技術(shù)問題；本發(fā)明利用了干涉儀和標(biāo)準(zhǔn)平晶建立標(biāo)準(zhǔn)的平面干涉腔，并測量標(biāo)準(zhǔn)平晶在不同轉(zhuǎn)動(dòng)角度下的干涉圖。利用Zernike多項(xiàng)式提取出標(biāo)準(zhǔn)平晶的傾斜量，統(tǒng)計(jì)傾斜量的變化就可以得到轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)擺角；該方法簡便易行，測量精度高，能夠滿足精密轉(zhuǎn)臺(tái)擺角測量要求。
【IPC分類】G01B11/26, G01B11/24
【公開號(hào)】CN105571527
【申請?zhí)枴緾N201510974369
【發(fā)明人】苗二龍, 武東城, 蘇東奇, 高松濤, 隋永新, 楊懷江
【申請人】中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2015年12月23日