CN101592478B - 非球面非零检测中非零补偿镜精密干涉定位调整装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非球面非零位检测技术中非零补偿镜精密干涉定位方法及调整装置。本发明解决了被测非球面与非零补偿镜难以实现高精度定位的难题。本发明的技术特点在于，利用一辅助的非零补偿镜与消球差补偿镜组组合后形成组合消球差镜组。设计一种可以使非零补偿镜与消球差补偿镜组通过定位结构实现共轴组合和分离的机械结构。组合消球差镜组将非零补偿镜的非共心光束补偿成共心光束，建立一个非球面非零位检测技术中非零补偿镜菲佐型精密干涉定位系统，通过观察干涉条纹形状的变化，利用一可达微米量级定位精度的精密导轨，来判断调整使组合消球差镜组的焦点位于被测非球面的顶点。为非球面非零补偿检测方法提供了一种高精度的定位方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种非球面非零检测中非零补偿镜精密干涉定位调整装置及方法。
背景技术
非球面较球面检测的难度在于球面具有共心光束特点，而非球面具有非共心光束的特点。当检测一个球面面形时，平行光束经消球差镜会聚于其像方焦点处，只需调整被测面球心与焦点共轭，则经球面反射的光束仍会聚于该焦点处，因此检测时很容易调整消球差物镜和被测球面之间的距离。非球面检测中，如一般的二次非球面可以利用二次无像差点法，使消球差镜的焦点与被检非球面的焦点共轭，经辅助反射镜，同样可以实现检测中的精确定位，但该方法仅适用于二次非球面。非球面的零位检测法中零位补偿镜设计的球差必须遵循和被测面法线一样的随孔径而变化的规律，这样在检测时只要调整零位补偿镜与被测非球面两者之间的定位使后续产生的波差最小就实现了零补偿。零位补偿镜与被测非球面是一对一检测，无通用性。所以利用非零位补偿器具有更大的通用性，即一个补偿器可以检测满足条件的某一相对孔径区域内的非球面。为了实现高精度校正非球面非零位检测中的原理误差，可以将被测非球面的参数设为变量，利用光线追迹，以非零位检测系统的探测器实际检测得到的波前为目标进行优化，与非球面的理论面形比较，而光线追迹必须利用各光学元件之间的精确的间隔来实现。非零位补偿器是一个大球差系统，同样平行光束经非零位补偿器产生非共心光束，其与被测非球面两者之间间隔的精确定位将直接影响到测量精度。机械定位难于实现高精度，因此非球面与非零补偿镜利用精密干涉定位也是实现高精度检测的关键手段之一。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足提供一种非球面非零检测中非零补偿镜精密干涉定位调整装置及方法。
非球面非零检测中非零补偿镜精密干涉定位调整装置中的激光器经准直扩束系统产生平行光，经过分光镜射入由非零补偿镜、消球差补偿镜组成的组合消球差镜组，通过移动安装非球面的精密移导系统，使平行光经组合消球差镜组后的焦点与被测非球面的顶点重合，经顶点后反射的光束与干涉定位参考面干涉形成菲佐干涉条纹，经成像透镜在探测器上得到干涉条纹。
所述的组合消球差镜组包括大球差非零补偿镜和一组消球差补偿镜组，消球差补偿镜组是多片透镜组成。
所述的组合消球差镜组采用大球差非零补偿镜与消球差补偿镜组组合和分离的机械结构，两者之间的结构固紧时必须通过定位结构达到所有镜片的光轴同轴，检测时两者之间的结构通过旋开固紧元件而分离。
非球面非零检测中非零补偿镜精密干涉定位调整方法是：平行光通过组合消球差镜组的焦点位于被测非球面的顶点时，通过分离移去消球差补偿镜组，根据光学结构参数利用一可达微米量级定位精度的精密导轨，移动被测非球面与非零补偿镜至检测要求所需的正确位置，通过菲佐型精密干涉定位系统观察干涉条纹形状的变化，移动安装非球面的精密移导系统来判断调整使组合消球差镜组的焦点位于被测非球面的顶点，然后可以进行光线追迹和优化迭代非球面的计算工作。
本发明利用一辅助的非零补偿镜与消球差补偿镜组组合形成组合消球差镜组，将非零补偿镜的非共心光束补偿成共心光束并会聚于非球面的顶点处，从而可以利用菲佐干涉方法来确定两者之间的精确间隔和位置，可以为后续的非零补偿检测非球面提供了一种高精度的干涉定位方法。
附图说明
图1是非球面非零检测中非零补偿镜精密干涉定位调整装置结构示意图；
图2是本发明的非零补偿镜与非球面检测状态示意图；
图3是非球面非零位检测技术中非零补偿镜精密干涉定位方法的流程图；
图4是非零补偿镜与消球差补偿镜构成的组合系统机构示意图，两者之间可分离和固紧示意图；
图5是非零补偿镜菲佐型精密干涉定位系统精确定位时的干涉图；
图6是非零补偿镜菲佐型精密干涉定位系统定位有偏差时的干涉图。
具体实施方式
如图1所示表示了非球面非零位检测技术中非零补偿镜菲佐型精密干涉定位系统的光路布局。非球面非零检测中非零补偿镜精密干涉定位调整装置中的激光器S1经准直扩束系统S2产生平行光，经过分光镜S3射入由非零补偿镜S4、消球差补偿镜S5组成的组合消球差镜组，通过移动安装非球面S6的精密移导系统S11，使平行光经组合消球差镜组后的焦点与被测非球面S6的顶点重合，经顶点后反射的光束与干涉定位参考面S7干涉形成菲佐干涉条纹，经成像透镜S8在探测器S9上得到干涉条纹。
如图2所示由于在检测时非零补偿镜S4与被测非球面S6必须具有距离L1，但非零位补偿器是一个大球差系统，平行光束经非零位补偿器产生非共心光束，经非球面反射后，形成发散光束，因此其与被测非球面两者之间间隔的无法实现高精度的定位。利用附加设计一组消球差补偿镜S5，与非零补偿镜两者组合后具有消球差镜的功能，称为组合消球差镜组。而消球差补偿镜的最后一面是干涉定位参考面S7。平行光经组合消球差镜组后会聚于焦点上并调整与被测非球面S6的顶点重合，而经顶点后反射的光束与干涉定位参考面S7干涉形成菲佐干涉条纹，经成像透镜S8在探测器S9上可以观察到干涉条纹。观察条纹的形状，通过移动安装非球面的精密移导系统S11，可以使平行光经组合消球差镜组后会聚于焦点上并调整与被测非球面S6的顶点重合。在调整时检测用标准参考平面镜S10将可以移去。
在进行上述过程后可以精确的获取非零补偿镜与被测非球面之间的距离L0。在检测时非零补偿镜S4与被测非球面S6必须具有距离L1，根据L1与L0的值就可以得到精密移导系统的移动量。
所述的组合消球差镜组包括大球差非零补偿镜和一组消球差补偿镜组，消球差补偿镜组是多片透镜组成。组合消球差镜组采用大球差非零补偿镜与消球差补偿镜组组合和分离的机械结构，两者之间的结构固紧时必须通过定位结构达到所有镜片的光轴同轴，检测时两者之间的结构通过旋开固紧元件而分离。在分离消球差补偿镜组后，根据光学结构参数，利用一可达微米量级定位精度的精密导轨，移动被测非球面至检测的与非零补偿镜相距L1的正确位置，该位置满足从非球面返回的光束再经非零补偿镜后具有最佳的条纹密度，然后可以进行光线追迹和优化迭代非球面的计算。同时移入检测用标准参考平面镜，与被测非球面返回的光束形成泰曼-格林干涉系统，在探测器上就得到具有被测非球面信息的干涉条纹。
非球面非零检测中非零补偿镜精密干涉定位调整方法是：平行光通过组合消球差镜组的焦点位于被测非球面的顶点时，通过分离移去消球差补偿镜组，根据光学结构参数利用一可达微米量级定位精度的精密导轨，移动被测非球面与非零补偿镜至检测要求所需的正确位置，通过菲佐型精密干涉定位系统观察干涉条纹形状的变化，移动安装非球面的精密移导系统来判断调整使组合消球差镜组的焦点位于被测非球面的顶点，然后可以进行光线追迹和优化迭代非球面的计算工作。
图3是非球面非零位检测技术中非零补偿镜精密干涉定位方法流程图。根据不同的非球面参数设计非零位补偿镜，其可以是单片或多片的；设计非零位补偿镜与消球差补偿镜系统，该消球差补偿镜系统也可以根据要求设计成多片，两者组合后具有消球差镜的功能，称为组合消球差镜组；建立实现精密干涉定位的菲佐型干涉系统，调整被测非球面的位置，使平行光经组合消球差镜组后会聚于焦点上并调整与被测非球面的顶点重合；通过观察条纹的形状变化，监控干涉条纹调整组合消球差系统与被检非球面之间的间隔，条纹较直时，表征已位于L0位置；然后移去消球差补偿镜，移动被检非球面至检测位置L1；至此非零补偿镜菲佐型精密干涉定位结束可以开始非球面非零位检测。
实施例
本发明应用于一基于非球面非零位检测技术中非零补偿镜菲佐型精密干涉定位系统实例描述如下。
图1是非球面非零位检测技术中非零补偿镜菲佐型精密干涉定位系统的光路布局。实施例的被测非球面是一抛物面，顶点球的曲率半径是816mm。激光器S1经准直扩束系统S2产生平行光，再经过分光镜S3射入非零补偿镜S4，在检测时非零补偿镜S4与被测非球面S6必须具有距离L1。利用附加设计一组消球差补偿镜S5，与非零补偿镜两者组合后具有消球差镜的功能，称为组合消球差镜组。而消球差补偿镜的最后一面是干涉定位参考面S7。平行光经组合消球差镜组后会聚于焦点上并调整与被测非球面S6的顶点重合，而经顶点的光束必定沿原路逆向返回，经顶点后反射的光束与干涉定位参考面S7干涉形成菲佐干涉条纹，经成像透镜S8在探测器S9上可以观察到干涉条纹。观察条纹的形状，通过移动安装非球面的精密移导系统S11，可以使平行光经组合消球差镜组后会聚于焦点上并调整与被测非球面S6的顶点重合。
表一是非零补偿镜S4、消球差补偿镜S5组成的组合消球差镜组光学结构参数
图4是非零补偿镜与消球差补偿镜构成的组合系统机构示意图，两者之间可分离和固紧。非零补偿镜4置于非零补偿镜镜筒1中并用压圈3压紧。消球差补偿镜8、9置于消球差补偿镜镜筒7中，消球差补偿镜8、9之间的空气间隔用隔圈10控制并用压圈11压紧。精密加工使非零补偿镜与消球差补偿镜的光轴与各自的安装镜片镜筒的机械轴保持同轴，也可以采用其它的定中结构来实现同轴的功能。在非零补偿镜菲佐型精密干涉定位时，通过两个定位销把非零补偿镜镜筒与消球差补偿镜镜筒精密定位，利用四个夹紧螺钉6和夹紧螺母5和把两个镜筒固定在一起，形成一个组合消球差镜组。使平行光经组合消球差镜组后会聚于其焦点上。
通过移动安装非球面的精密移导系统S11，使平行光经组合消球差镜组后会聚于焦点上并调整与被测非球面S6的顶点重合，在探测器S9上可以观察到干涉条纹。观察条纹的形状，当焦点与被测非球面S6的顶点重合时，经顶点后反射的光束与干涉定位参考面S7干涉形成菲佐干涉条纹，可以观察到图5所示的直条纹。当焦点与被测非球面S6的顶点偏离时，条纹就会弯曲，图6是偏离量约为3-5微米时的条纹形状，通过判断条纹的形状可以表征是否已位于L0的位置。
在确定调整已位于L0的位置时，通过分离消球差补偿镜组，根据光学结构参数，利用一可达微米量级定位精度的精密导轨，如图2所示移动被测非球面至检测的与非零补偿镜相距L1的正确位置，该位置满足从非球面返回的光束再经非零补偿镜后具有最佳的条纹密度，然后可以进行光线追迹和优化迭代非球面的计算。此时移入标准参考平面镜S10，使从非球面返回的光束与标准参考平面镜形成泰曼-格林干涉系统可以进行后续的非球面检测。
Claims (3)
1.一种非球面非零检测中非零补偿镜精密干涉定位调整装置，其特征在于激光器(S1)经准直扩束系统(S2)产生平行光，经过分光镜(S3)射入由非零补偿镜(S4)、消球差补偿镜(S5)组成的组合消球差镜组，通过移动安装非球面(S6)的精密移导系统(S11)，使平行光经组合消球差镜组后的焦点与被测非球面(S6)的顶点重合，经顶点后反射的光束与干涉定位参考面(S7)干涉形成菲佐干涉条纹，经成像透镜(S8)在探测器(S9)上得到干涉条纹，该干涉定位参考面为消球差补偿镜组的最后一面，判断上述重合的具体方法为：当焦点与顶点重合时，能观察到条纹为直条纹，当焦点与顶点偏离时，条纹会弯曲；在确定调整非球面已位于上述焦点与顶点重合的位置时，通过分离消球差补偿镜组，然后移去消球差补偿镜组，根据光学结构参数，利用一可达微米量级定位精度的精密导轨，移动被测非球面至与非零补偿镜相距正确位置，该位置满足从非球面返回的光束再经非零补偿镜后具有最佳的条纹密度，然后可以进行光线追迹和优化迭代非球面的计算；所述的组合消球差镜组采用大球差非零补偿镜与消球差补偿镜组组合和分离的机械结构，两者之间的结构固紧时必须通过定位结构达到所有镜片的光轴同轴，检测时两者之间的结构通过旋开固紧元件而分离。
2.根据权利要求1所述的一种非球面非零检测中非零补偿镜精密干涉定位调整装置，其特征在于所述的组合消球差镜组包括大球差非零补偿镜和一组消球差补偿镜组，消球差补偿镜组是多片透镜组成。
3.一种使用如权利要求1所述装置的非球面非零检测中非零补偿镜精密干涉定位调整方法，其特征在于，根据不同的非球面参数设计非零位补偿镜，设计非零位补偿镜与消球差补偿镜系统，两者结合为组合消球差镜组，建立实现精密干涉定位的菲佐型干涉系统，调整被测非球面的位置，通过菲佐型精密干涉定位系统观察干涉条纹形状的变化，移动安装非球面的精密移导系统来判断调整使组合消球差镜组的焦点位于被测非球面的顶点，通过观察干涉条纹确定平行光通过组合消球差镜组的焦点位于被测非球面的顶点时，再分离移去消球差补偿镜组，根据光学结构参数利用一可达微米量级定位精度的精密导轨，移动被测非球面与非零补偿镜至检测要求所需的正确位置，然后可以进行光线追迹和优化迭代非球面的计算工作。
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