本发明属于光学技术领域，尤其是涉及一种大口径平面光学元件自动调平方法。
背景技术：
在空间望远镜、激光驱动器等大型光学装置的需求背景下，光学元件的加工也不断向着大口径、高精度的方向发展。平面类光学元件，如反射镜、光学窗口等，作为光学装置中最常用的光学元件之一，发挥着不可替代的重要作用。平面光学元件的口径越来越大，表面精度要求越来越高，对大口径平面光学元件的检测技术也提出了更加严峻的考验。目前主要采用显微成像系统对被检样品表面进行扫描成像，从而获得表面缺陷的形貌与分布。由于显微成像系统的焦面通常为一个固定位置的平面，在样品放置时，若样品表面与焦平面存在倾斜，在扫描过程中样品表面就会逐渐远离焦平面，出现离焦情况，影响最终的成像质量和检测精度。当今大口径光学元件已经发展至数百至数千毫米，当检测如此大口径样品时，即使样品放置有轻微的倾斜，也会导致明显的离焦。因此，需要大口径平面光学元件自动调平装置与方法。
现有的平面光学元件调平装置，如授权公告号为cn204700607u的中国专利文献公开了用于平面光学元件的便携式调平装置，采用四个调节螺母实现工件夹持的调节，但是并未提供光学元件的自动调平方法。
公开号为cn102680477a的中国专利文献公开了大尺寸光学元件高精度调平方法与装置，采用高倍显微镜对样品表面特征点进行图像采集，获得特征点的离焦量，从而计算出平面倾斜情况，转化为俯仰和偏摆所需的调整量。这种方法需要使用显微镜对表面三个特征点进行采样，当被检测光学元件加工质量较好时，特征点分布较少，往往难以找到合适的特征点；另外需要分别移动显微镜至三个特征点，增加了调平所需要的时间。
因此，亟需涉及一种简单、高效的装置与方法，实现大口径平面光学元件的自动调平。
技术实现要素：
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种大口径平面光学元件自动调平方法，可以实现大口径平面光学元件的非接触式、快速、自动调平。
本发明的技术方案如下：
一种大口径平面光学元件自动调平方法，采用自动调平装置，所述的自动调平装置包括样品调平台、三维位移台、安装在三维位移台上的三台激光位移传感器、与激光位移传感器电连接的数据采集单元、与数据采集单元电连接的数据分析处理单元，以及用于接收数据分析处理单元的反馈并对样品调平台进行俯仰和旋转角度调平的控制单元；
具体包括以下步骤：
(1)对三台激光位移传感器的初始相对距离进行定标，确定调平状态下第一激光位移传感器与第二激光位移传感器测得的距离差值δdy，以及第二激光位移传感器与第三激光位移传感器测得的距离差值δdx；
(2)将待调平的大口径平面光学元件采用竖直放置姿态固定在样品调平台上；
(3)移动三维位移台的x、y两轴，使三台激光位移传感器的三个采样点全部位于大口径平面光学元件的表面；其中，所述三维位移台的x、y轴与调平状态下的平面光学元件的表面互相平行；
(4)移动三维位移台的z轴，使三台激光位移传感器全部位于工作距离之内，通过数据采集单元获得大口径平面光学元件上三个采样点距离对应三个激光位移传感器的相对距离d1、d2、d3；
(4)控制单元控制样品调平台进行俯仰轴移动，直至满足|d1-d2|＜δdy；
(5)控制单元控制样品调平台进行旋转轴移动，直至满足|d2-d3|＜δdx；
(6)若此时|d1-d2|＞δdy，则重复步骤(4)～(6)，数据分析处理单元实时反馈三个采样点距离对应每个激光位移传感器的相对距离，并矫正样品调平台的移动量，直至同时满足|d1-d2|＜δdy、|d2-d3|＜δdx，完成大口径平面光学元件自动调平。
利用本发明的装置进行自动调平时，数据采集单元与三台激光位移传感器连接，实时接收三个采样点的相对距离，并传输给数据分析处理单元，经分析处理后反馈给控制单元，进行俯仰和旋转角度调平。调平过程中，实时反馈三个采样点的相对距离，并矫正样品调平台的移动量，实现闭环控制。
所述的激光位移传感器，是一种非接触式测量传感器，应用激光三角反射原理，获得待测物体与传感器之间的直线距离；激光位移传感器测量方向，是激光位移传感器的出射激光方向。
自动调平装置中，三台激光位移传感器呈三角形安装在三维位移台上，且三台激光位移传感器的测量方向均与z轴平行。
三维位移台的x、y轴方向，可承载激光位移传感器进行二维平移；z轴与平面光学元件的表面互相垂直，可承载激光位移传感器轴向平移。
优选地，三台激光位移传感器呈直角三角形安装在三维位移台上，第一激光位移传感器与第二激光位移传感器安装位置的连线平行于y轴；第二激光位移传感器与第三激光位移传感器安装位置的连线平行于x轴。
所述的大口径平面光学元件通过夹持机构固定在样品调平台上。
步骤(1)的具体步骤为：
(1-1)采用竖直放置姿态，将定标用的大口径平面光学元件通过夹持机构固定在样品调平台上；
(1-2)移动三维位移台的x、y两轴，使三台激光位移传感器的三个采样点全部位于平面光学元件的表面；
(1-3)移动三维位移台的z轴，使三台激光位移传感器全部位于其工作距离之内，获得大口径平面光学元件上三个采样点距离激光位移传感器的相对距离；
(1-4)移动三维位移台，使任一激光位移传感器扫描大口径平面光学元件沿x方向的一条截线，记录第一激光位移传感器采集的相对距离d1，扫描过程中d1的最大变化量记为δd1；
(1-5)转动样品调平台的旋转轴，重复步骤(1-4)，直至最大变化量δd1小于设定阈值，完成样品调平台旋转轴方向的调平校准；
(1-6)在y方向上，移动三维位移台，使任一激光位移传感器扫描大口径平面光学元件沿y方向的一条截线，按照步骤(1-4)～(1-5)的方法，直至扫描过程中d1的最大变化量δd1小于设定阈值，完成样品调平台俯仰轴方向的调平校准；
(1-7)记录此时三台激光位移传感器采集的相对距离|d1-d2|＝δdy、|d2-d3|＝δdx，完成三台激光位移传感器初始相对距离定标。
对三台激光位移传感器的初始相对距离进行定标的目的是：由于系统安装时，无法严格保证三台激光位移传感器位于同一平面内；因此在自动调平前需要对三台激光位移传感器的初始相对距离进行定标，获得三台激光位移传感器的相对位置信息。如果三台激光位移传感器相对位置没有发生变化，定标工作只需要在系统首次使用时进行。
优选地，步骤(1-5)和步骤(1-6)中，设定的阈值可根据激光位移传感器的测量精度决定，一般设定的阈值应大于激光位移传感器的测量精度。
步骤(2)中，所述的竖直放置姿态，是指平面光学元件的表面垂直于水平面放置。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用三台激光位移传感器实时闭环调整，调平时不需要对样品扫描，大大提升了调平速度和精度。调平方法简单、效率高，不需要复杂的数据处理运算，能有效解决大口径平面光学元件显微成像时的离焦问题。
附图说明
图1为本发明中自动调平装置的结构示意图；
图2为本发明中激光位移传感器初始相对距离(旋转方向)定标示意图；
图3为本发明中激光位移传感器初始相对距离(俯仰方向)定标示意图；
图4为本发明中大口径平面光学元件自动调平方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
自动调平装置如图1所示。待调平的大口径的平面光学元件8采用竖直放置姿态固定在样品台调平台7上，元件表面与水平面互相垂直。样品调平台7可承载样品进行俯仰θx和旋转θy两个角度的调节。三台激光位移传感器分别为：第一激光位移传感器1、第二激光位移传感器2、第三激光位移传感器3。三台激光位移传感器固定在三维位移台上，三维位移台的x、y轴与平面光学元件8的表面互相平行，可承载激光位移传感器进行二维平移；z轴与平面光学元件8的表面互相垂直，可承载激光位移传感器轴向平移。三台激光位移传感器放置在与平面光学元件表面8相互平行的平面内，其放置位置的连线构成一个直角三角形。第一激光位移传感器1与第二激光位移传感器2放置位置的连线平行于y轴；第二激光位移传感器2与第三激光位移传感器3放置位置的连线平行于x轴。
三台激光位移传感器的测量方向均与z轴平行，作为三个采样点，同时提供平面光学元件8上三个采样点距离激光位移传感器的相对距离。其中采样点4对应第一激光位移传感器1，采样点5对应第二激光位移传感器2，采样点6对应第三激光位移传感器3。
在调平之前，首先对三台激光位移传感器初始相对距离定标。调平时，数据采集单元与三台激光位移传感器连接，实时接收三个采样点的相对距离，并传输给数据分析处理单元，经分析处理后反馈给控制单元，进行俯仰和旋转角度调平。调平过程中，实时反馈三个采样点的相对距离，并矫正样品调平台7的移动量，实现闭环控制。
如图2、图3所示，三台激光位移传感器初始相对距离定标方法如下：
步骤1、如图2中(a)所示，采用竖直放置姿态，将定标用的大口径平面光学元件9通过夹持机构固定在样品调平台7上；
步骤2、移动三维位移台的x、y两轴，使三台激光位移传感器的三个采样点全部位于平面光学元件9的表面；
步骤3、移动三维位移台的z轴，使三台激光位移传感器全部位于工作距离之内，获得大口径平面光学元件9上三个采样点距离激光位移传感器的相对距离；
步骤4、移动三维位移台，使第一激光位移传感器1扫描大口径平面光学元件9沿x方向的一条截线，记录激光位移传感器采集的相对距离d1，扫描过程中d1的最大变化量记为δd1；
步骤5、如图2中(b)所示，转动样品调平台7的旋转轴，重复步骤4，直至最大变化量δd1小于设定阈值，完成样品调平台7旋转轴方向的调平校准；
步骤6、如图3中的(a)和(b)所示，在y方向上，重复步骤4～5，直至扫描过程中d1的最大变化量δd1小于设定阈值，完成样品调平台7俯仰轴方向的调平校准；
步骤7、记录此时三台激光位移传感器采集的相对距离|d1-d2|＝δdy、|d2-d3|＝δdx，完成三台激光位移传感器初始相对距离定标。
如图4所示，大口径平面光学元件自动调平方法如下：
s01、采用竖直放置姿态，将待调平的大口径平面光学元件8通过夹持机构固定在样品调平台7上；
s02、移动三维位移台的x、y两轴，使三台激光位移传感器的三个采样点全部位于平面光学元件8的表面；
s03、移动三维位移台的z轴，使三台激光位移传感器全部位于工作距离之内，获得大口径平面光学元件8上三个采样点距离激光位移传感器的相对距离d1、d2、d3；
s04、样品调平台7进行旋转轴θy移动，直至满足|d1-d2|＜δdy；
s05、样品调平台7进行俯仰轴θx移动，直至满足|d2-d3|＜adx；
s06、若此时|d1-d2|＞δdy，则重复s04-s05，实时反馈三个采样点的相对距离，并矫正样品调平台7的移动量，直至同时满足|d1-d2|＜δdy、|d2-d3|＜δdx，完成大口径平面光学元件自动调平。
为验证本发明的效果，将本发明应用于大口径平面光学元件自动调平的实例描述如下。
待调平的大口径平面光学元件8为一块长800mm、宽600mm、厚20mm的平面光学元件；所使用激光位移传感器是三台同一型号的激光位移传感器，其工作距离90±20mm，线性精度±12μm；所使用三维位移台是大行程、高精度的三维位移台，其定位精度±10μm。三台激光位移传感器放置在三维位移台上，距离平面光学元件8约90mm。第一激光位移传感器1与第二激光位移传感器2放置位置的连线平行于y轴；第二激光位移传感器2与第三激光位移传感器3放置位置的连线平行于x轴；其放置位置的连线构成正三角形，两条直角边长300mm。
首先使用本发明所述的激光位移传感器初始相对距离定标方法，对三台激光位移传感器初始相对距离进行定标，其结果如表1：
表1
获得δdx＝|d1-d2|＝0.015mm；δdy＝|d1-d3|＝0.020mm。
使用本发明所述的大口径平面光学元件自动调平方法进行调平。按照s01-s03，获得大口径平面光学元件8上三个采样点距离激光位移传感器的相对距离如表2：
表2
按照s04-s05，依次移动调平台7俯仰轴θx和旋转轴θy，实时反馈三个采样点的相对距离，若不同时满足|d1-d2|＜δdy、|d2-d3|＜δdx，则重复s04-s05，结果如表3：
表3
经过四次迭代后，同时满足|d1-d2|＝0.007＜δdy，|d2-d3|＝0.017＜δdx，完成调平。
在本实施例中，通过本发明大口径平面光学元件自动调平装置与方法，经过四次迭代完成调平。由于激光位移传感器可以实时反馈相对位置，实现闭环控制，因此迭代速度快。调平误差主要来源于样品调平台的位移误差和激光位移传感器测量误差，选用更高精度的样品调平台和激光位移传感器，可大大提升调平精度。因此，本发明所述的装置和方法可实现非接触、快速、高精度的大口径平面光学元件自动调平。
以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
1.一种大口径平面光学元件自动调平方法，其特征在于，采用自动调平装置，所述的自动调平装置包括样品调平台、三维位移台、安装在三维位移台上的三台激光位移传感器、与激光位移传感器电连接的数据采集单元、与数据采集单元电连接的数据分析处理单元，以及用于接收数据分析处理单元的反馈并对样品调平台进行俯仰和旋转角度调平的控制单元；
具体包括以下步骤：
(1)对三台激光位移传感器的初始相对距离进行定标，确定调平状态下第一激光位移传感器与第二激光位移传感器测得的距离差值δdy，以及第二激光位移传感器与第三激光位移传感器测得的距离差值δdx；
(2)将待调平的大口径平面光学元件采用竖直放置姿态固定在样品调平台上；
(3)移动三维位移台的x、y两轴，使三台激光位移传感器的三个采样点全部位于大口径平面光学元件的表面；其中，所述三维位移台的x、y轴与调平状态下的平面光学元件的表面互相平行；
(4)移动三维位移台的z轴，使三台激光位移传感器全部位于工作距离之内，通过数据采集单元获得大口径平面光学元件上三个采样点距离对应三个激光位移传感器的相对距离d1、d2、d3；
(5)控制单元控制样品调平台进行俯仰轴移动，直至满足|d1-d2|＜δdy；
(6)控制单元控制样品调平台进行旋转轴移动，直至满足|d2-d3|＜δdx；
(7)若此时|d1-d2|＞δdy，则重复步骤(4)～(6)，数据分析处理单元实时反馈三个采样点距离对应每个激光位移传感器的相对距离，并矫正样品调平台的移动量，直至同时满足|d1-d2|＜δdy、|d2-d3|＜δdx，完成大口径平面光学元件自动调平。
2.根据权利要求1所述的大口径平面光学元件自动调平方法，其特征在于，三台激光位移传感器呈三角形安装在三维位移台上，且三台激光位移传感器的测量方向均与z轴平行。
3.根据权利要求2所述的大口径平面光学元件自动调平方法，其特征在于，三台激光位移传感器呈直角三角形安装在三维位移台上，第一激光位移传感器与第二激光位移传感器安装位置的连线平行于y轴；第二激光位移传感器与第三激光位移传感器安装位置的连线平行于x轴。
4.根据权利要求1所述的大口径平面光学元件自动调平方法，其特征在于，所述的大口径平面光学元件通过夹持机构固定在样品调平台上。
5.根据权利要求1所述的大口径平面光学元件自动调平方法，其特征在于，所述的激光位移传感器为非接触式测量传感器，采用激光三角反射原理，获得大口径平面光学元件与传感器之间的直线距离；其测量方向为激光位移传感器的出射激光方向。
6.根据权利要求1所述的大口径平面光学元件自动调平方法，其特征在于，步骤(1)的具体步骤为：
(1-1)采用竖直放置姿态，将定标用的大口径平面光学元件通过夹持机构固定在样品调平台上；
(1-2)移动三维位移台的x、y两轴，使三台激光位移传感器的三个采样点全部位于平面光学元件的表面；
(1-3)移动三维位移台的z轴，使三台激光位移传感器全部位于其工作距离之内，获得大口径平面光学元件上三个采样点距离激光位移传感器的相对距离；
(1-4)移动三维位移台，使任一激光位移传感器扫描大口径平面光学元件沿x方向的一条截线，记录第一激光位移传感器采集的相对距离d1，扫描过程中d1的最大变化量记为δd1；
(1-5)转动样品调平台的旋转轴，重复步骤(1-4)，直至最大变化量δd1小于设定阈值，完成样品调平台旋转轴方向的调平校准；
(1-6)在y方向上，移动三维位移台，使任一激光位移传感器扫描大口径平面光学元件沿y方向的一条截线，按照步骤(1-4)～(1-5)的方法，直至扫描过程中d1的最大变化量δd1小于设定阈值，完成样品调平台俯仰轴方向的调平校准；
(1-7)记录此时三台激光位移传感器采集的相对距离|d1-d2|＝δdy、|d2-d3|＝δdx，完成三台激光位移传感器初始相对距离定标。
7.根据权利要求5所述的大口径平面光学元件自动调平方法，其特征在于，步骤(1-5)和步骤(1-6)中，所述的阈值根据激光位移传感器的测量精度决定。
8.根据权利要求1所述的大口径平面光学元件自动调平方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的竖直放置姿态为：大口径平面光学元件的表面垂直于水平面放置。
技术总结