用于拼接干涉仪的五维运动台测试

2015-11-09韩啸张心明刘涛

机械工程师 2015年3期

韩啸，张心明，刘涛

（长春理工大学机电工程学院，长春130022）

0 引言

目前检测大口径光学元件的面形测量一般使用大口径的面形干涉仪，测量过程中要求要有与被测元件尺寸相同或者更大的标准镜。标准镜设计和加工难度大，大口径干涉仪价格昂贵，因此目前大口径光学元件面形检测仍是光学检测中的难题。为了寻求一种低成本的检测手段，产生了子孔径拼接技术。拼接干涉仪的基本原理是用小口径、高精度、高分辨率的干涉仪通过相关拼接术来复原大口径光学元件的面形数据，这是一项新的高精度、大口径面形检测方法，既保留了干涉测量的高精度，又降低干涉仪和标准镜的成本，同时还可以获得较高测量空间分辨率。

首先介绍拼接干涉仪的基本原理，给出了用于拼接干涉仪的五维运动台的测试需求。运用激光干涉测量系统对五维运动台的行程、分辨率进行了测试。利用频谱实验测量了五维运动台的模态。通过面形干涉仪监控了五维运动台稳态漂移，为拼接干涉仪的研制提供了重要依据。

1 五维运动台测试内容

子孔径拼接的基本原理是将整个大孔径分割成相互之间有一定重叠区域的若干子孔径，用小口径的面形干涉仪分别测量各子孔径的面形，然后从重叠区域提取出相邻子孔径之间的相对平移、旋转、离焦量，而后通过拼接即可恢复出全孔径波面，图1给出了拼接干涉仪检测原理。

图1 子孔径拼接原理示意

根据子孔径拼接测量原理，测量过程中面形干涉仪与待测镜片之间要进行6个自由度的相对运动。本文研究的拼接干涉仪基本结构如如图2所示，其中面形干涉仪具有Z向运动自由度，五维运动台具有除Z向自由度以外，还有其它5方向的自由度，即X向、Y向、X轴旋转、Y轴旋转、Z轴旋转。

根据子孔径拼接原理可知，五维运动台各运动轴的行程决定了该拼接干涉仪的测量范围；各运动轴的分辨率决定了测量过程中镜片位置调整分辨率；不同于传统光学调整架，用于拼接干涉仪的五维运动台对运动精度有要求，运动精度决定了子孔径拼接过程的精度；高精度面形测试过程中环境振动的影响不可忽略，五维运动台要求具有较好的抗振性能；五维运动台稳态漂移直接导致面形测量条纹变化，导致子孔径面形测量精度下降。因此利用激光干涉测量系统对五维运动台各运动轴的行程、分辨率、双向重复定位精度进行测试；利用频谱实验对五维运动台模态进行测试；利用高精度面形干涉仪监测五维运动台稳态漂移。全部测试内容、测试设备如表1所示。

2 五维运动台结构

为了更好地理解测试内容，对本文的五维运动台结构做简要介绍，五维运动台的实物如图3所示，结构详细信息如表2所示。

图2 拼接干涉仪结构示意图

表1 测试内容及设备

图3 拼接干涉仪用五维运动台

表2 拼接干涉仪用五维运动台结构详细信息

3 测试及结果

利用雷尼绍激光干涉系统XL-80，分别搭建测长光路、测角度光路对五维运动台两个直线运动轴和三个角度运动轴的行程、分辨率、双向定位精度进行测试。测试结果如表3所示。

表3 运动精度测试结果

利用模态测试系统，对五维运动台的模态进行测试，得到该五维运动台的一阶固有频率，测试参数及结果如表4所示。

表4 模态测试参数及结果

利用高精度面形干涉仪监视五维运动台稳态漂移，测试时首先将测试的4in VWS平面标准镜固定在五维运动台上，将五维运动台与镜片在ZYGO公司6in VWS中稳定1 h后，驱动五维运动台调至有条纹状态，通过监视条纹变化得到五维运动台的稳态漂移，测试前条纹如图4所示。10 min后干涉条纹如图5所示。测试结果显示五维运动台在10 min内移动了2个条纹，条纹发生了一定角度的旋转。

4 结论

简述了拼接干涉仪的原理，以及五维运动台性能参数对拼接干涉仪整机性能的影响，确定了拼接干涉仪用五维运动台的测试内容。利用激光干涉系统，测量了五维运动台的运动精度，包括各运动轴的行程、分辨率、双向定位精度；通过模态测试系统测试了五维运动台的一阶固有频率；运用高精度面形干涉仪监视了五维运动台的稳态漂移。为五维运动台的测试及拼接干涉仪的的研制提供重要参考。