CN103438831A

CN103438831A - 一种离轴椭球面镜的检测装置及其检测方法

Info

Publication number: CN103438831A
Application number: CN2013104220114A
Authority: CN
Inventors: 施丽敏; 赵剑敏; 顾亚平; 魏向荣
Original assignee: SHANGHAI MODERN ADVANCED ULTRA PRECISION MANUFACTURING CENTER Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI MODERN ADVANCED ULTRA PRECISION MANUFACTURING CENTER Co Ltd
Priority date: 2013-09-16
Filing date: 2013-09-16
Publication date: 2013-12-11

Abstract

一种离轴椭球面镜的检测装置，由斐索干涉仪及其标准球面镜、五维调整架、补偿小球及其三维调整架组成，标准球面镜是所述的斐索干涉仪的光束输出窗口，所述的五维调整架的顶面固定一基座，在该基座的一端固定所述的三维调整架，另一端供待测离轴椭球面镜摆放，所述的斐索干涉仪位于所述的基座摆放待测离轴椭球面镜的正上方；及其检测方法。本发明能够快速定位被测离轴椭球面，提高检测离轴椭球面的效率，从而提高了生产效率，降低了检测成本，实现了对各种离轴椭球面的检测，弥补了现有技术中的空白。

Description

一种离轴椭球面镜的检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，特别是一种基于斐索干涉仪的离轴椭球面镜的检测装置及其检测方法。

背景技术

光学元件的传统检测方法与技术已沿用了数十年。光学检测涉及被测元件材料、口径、种类以及测试技术、仪器和设备等。被测元件的种类繁多，包括有平行平板、球面、非球面、自由曲面、衍射光栅、锥镜、柱面透镜等，非球面中有特殊的非球面如抛物面、椭球面、双曲面和除此以外的其它非球面。光学检测中常用的主要仪器可分为干涉仪类、表面轮廓仪类、MTF测试仪类、精密球径仪类、焦距与偏心测试仪器类及其它仪器等。

国内外都在研制和发展各自的先进仪器。国内以南京理工大学和成都太科公司为代表的干涉仪制造厂家，各类数字式干涉仪的产品口径有Φ25mm～Φ600mm；进口以美国Zygo公司为代表的从口径4″～32″的各类干涉仪；Zygo公司以3D干涉显微镜为基本原理发展的非接触式表面轮廓仪，从早期的Maxim3D5700到现代最新的Zemapper System等；英国Tayloy-Hobson触针式轮廓仪；满足实际需求的三坐标测量仪、4D干涉仪等。

然而，在光学检测仪器和技术应用上，仍存在很多问题和不足。目前，尚未有关于离轴椭球面快速检测的方法或装置。现有检测仪器如Zygo干涉仪、牛顿干涉仪、4D干涉仪、Tayloy-Hobson等均无法直接检测离轴椭球面。

发明内容

本发明的目的是以克服目前对离轴椭球面进行检测的调整困难，提供一种基于斐索干涉仪的离轴椭球面检测装置及其检测方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种离轴椭球面镜的检测装置，其特点在于，该装置由斐索干涉仪及其标准球面镜、五维调整架、补偿小球及其三维调整架组成，标准球面镜是所述的斐索干涉仪的光束输出窗口，所述的五维调整架的顶面固定一基座，在该基座的一端固定所述的三维调整架，另一端供待测离轴椭球面镜摆放，所述的斐索干涉仪位于所述的基座摆放待测离轴椭球面镜的正上方。

所述的三维调整架具有X、Y、Z三维，所述的五维调整架具有X、Y、Z、Tip&Tilt五维。

所述的待测离轴椭球面镜为凹面镜。

一种利用所述的离轴椭球面镜的检测装置检测待测离轴椭球面镜的方法，其特点在于，该方法包括下列步骤：

①根据待测离轴椭球面镜的设计尺寸，按照图6中所示，计算θ1，θ1可根据已知的L1、L2、L3由三角公式求得；θ₀可根据标准球面镜的已知参数R0和D0求得。根据θ₁≤θ₀的原则选择选择最接近于θ₁所对应的标准球面镜安装到所述的斐索干涉仪上，标准球面镜的选择以最大限度利用斐索干涉仪的出射光能，即确保斐索干涉仪的出射光全部照射在该待测离轴椭球面镜上；

②将待测离轴椭球面镜固定在基座上，调整五维调整架使基座的上表面处于水平，开启所述的斐索干涉仪，该斐索干涉仪发出的光束经所述的标准球面镜全部照射在基座上的待测离轴椭球面镜；

③调整五维调整架的高度，使斐索干涉仪发出的光束经所述的待测离轴椭球面镜后聚焦，该焦点即为待测离轴椭球面镜的焦点F2，此时所述的斐索干涉仪输出的球面波的焦点位于待测离轴椭球面镜的另一个焦点F1；

④通过对三维调整架的调整使补偿小球置于待测离轴椭球面镜的焦点F2的位置上；

⑤所述的斐索干涉仪即得到待测离轴椭球面镜的面型。

与现有技术相比，本发明的有益效果是能够快速定位被测离轴椭球面，提高检测离轴椭球面的效率，从而提高了生产效率，降低了检测成本。

附图说明

图1是本发明离轴椭球面镜的检测装置的结构示意图。

图2是本发明离轴椭球面镜的检测装置的光路图。

图3是补偿小球及其三维调整架和待测离轴椭球面镜的正视图。

图4是五维调整架的侧视图。

图5是被测离轴椭球面的三视图，（a）为正视图，（b）为右视图，（c）为俯视图。

图6是选择标准球面镜的计算示意图。

图中：1—斐索干涉仪，2—斐索干涉仪用标准球面镜，3—待测离轴椭圆面镜，4—补偿小球，5—补偿小球的三维调整架，6—待测离轴椭球面镜的五维调整架7—斐索干涉仪发出的平行单色光，8—经标准球面镜透射的光线，9—经待测离轴椭圆面镜反射的光线，10—经补偿小球反射的光线，11—经待测离轴椭圆面镜再次反射的光线，12—经标准球面镜表面折射回干涉仪的光线，A—标准球面镜的内反射面，A’—标准球面镜的外表面，B—待测离轴椭圆面镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请先参阅图1，图1是本发明离轴椭球面镜的检测装置的结构示意图，如图所示，一种离轴椭球面镜的检测装置，由斐索干涉仪1及其标准球面镜2、五维调整架6、补偿小球4及其三维调整架5组成，标准球面镜2是所述的斐索干涉仪1的光束输出窗口，所述的五维调整架6的顶面固定一基座，在该基座的一端固定所述的三维调整架5，另一端供待测离轴椭球面镜3摆放，所述的斐索干涉仪1位于所述的基座摆放待测离轴椭球面镜的正上方。

1、斐索干涉仪：用一个经过很好校正的物镜准直从针孔发出的光。在准直物镜与针孔（空间滤波器）之间放置一个分光镜，以便从侧面观察干涉条纹。斐索干涉仪发出的光为平行单色光。

根据待测离轴椭球面镜的设计尺寸，按照图6中所示，计算光线入射到被测离轴椭球面的最大立体角θ1的度数，θ1可根据已知的L1、L2、L3由三角公式求得，其中L1为待测离轴椭球面镜的焦点F2到待测离轴椭球面镜一投影边缘的距离，L2为待测离轴椭球面镜的焦点F2到待测离轴椭球面镜另一投影边缘的距离，L3为两投影边缘的间距。标准球面镜出射的最大出射立体角θ₀的度数，可根据已知参数标准球面镜的曲率半径R0和出射光线的最大直径D0求得。根据θ₁≤θ₀的原则选择选择最接近于θ₁所对应的标准球面镜安装到所述的斐索干涉仪上，标准球面镜的选择以最大限度利用干涉仪的出射光能，即确保出射光全部照射在待测离轴椭圆面镜上。

2、集成的待测离轴椭圆面镜、三维调整架及五维调整架。

图2是本发明离轴椭球面镜的检测装置的光路图，标准球面镜的内反射A面作为参考球面，待测离轴椭圆面B作为待测球面。根据待测离轴椭圆面镜两个焦点之间的距离确定补偿小球与待测离轴椭圆面镜的相对位置，并通过对三维调整架和五维调整架的反复调整以找到补偿小球的位置，使其位于待测离轴椭球面镜的另一个焦点F2上。

标准球面镜的内表面A面作为参考球面，其面型精度是小于λ/10，B面是经单点金刚车石车床加工而成的离轴椭球面作为被测面。本发明装置光路图如图2所示。斐索干涉仪发出的平行单色光7入射到标准透射球面后，一部分光被参考球面内表面A反射，该反射光线携带标准球面波信息。另一部分光经参考球面A透射（称为光线8）后汇聚到焦点F1后发散入射到待测离轴椭球面B。根据椭圆面的光学性质：点光源F1发出的光线经椭球面后汇聚于椭球面的另一焦点F2，在F2点的位置上放置补偿小球，小球的面型精度小于λ/10。光线经待测离轴椭球面镜反射（称为光线9）汇聚成的焦点与小球的球心点重合，光线经过小球球面按原路反射（称为光线10）回到待测离轴椭球面，再次经过椭球面反射（称为光线11）汇聚于焦点F1，经F1后发散投射到标准球面镜的外表面A’，经A’面折射（称为光线12）回到干涉仪中。平行单色光7经参考球面内表面A的反射光线与光线12满足频率相同、振动方向一致、相位差恒定三个条件，从而发生干涉现象，产生干涉条纹。通过斐索干涉仪观察干涉条纹并对干涉条纹进行分析从而得出离轴椭球面表面的面型测量结果。

斐索干涉仪是一种比较常用的等厚干涉仪，主要用于检验平面或球面面型。单色光源所发出的光被透镜会聚在圆孔光阑上，光阑位于准直物镜的焦平面上。从准直物镜出射的平行光束，在带有楔度的参考平面的下平面和被测平面的上平面反射回来，再通过准直物镜和物镜在目镜的焦平面上形成圆孔光阑的小孔的两个像。调整被测零件所在的工作台，使两个像重合。如果用望远放大镜代替目镜，就可以在被测平面看到等厚干涉条纹。利用上述斐索干涉仪的工作原理，在本发明装置中，平行单色光7经参考球面内表面A的反射光线与光线12发生相干叠加，产生干涉条纹，并在斐索干涉仪中观察干涉条纹，由斐索干涉仪分析得出面型测量结果。斐索干涉仪具有个测量键，点击测量键可以得到面型的结果。

Claims

1.一种离轴椭球面镜的检测装置，其特征在于，该装置由斐索干涉仪（1）及其标准球面镜（2）、五维调整架（6）、补偿小球（4）及其三维调整架（5）组成，标准球面镜（2）是所述的斐索干涉仪（1）的光束输出窗口，所述的五维调整架（6）的顶面固定一基座，在该基座的一端固定所述的三维调整架（5），另一端供待测离轴椭球面镜（3）摆放，所述的斐索干涉仪（1）位于所述的基座摆放待测离轴椭球面镜的正上方。

2.一种利用权利要求1所述的离轴椭球面镜的检测装置检测待测离轴椭球面镜的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

①根据待测离轴椭球面镜的尺寸，选择合适的标准球面镜安装到所述的斐索干涉仪上，标准球面镜的选择以最大限度利用斐索干涉仪的出射光能，即确保斐索干涉仪的出射光全部照射在该待测离轴椭球面镜上；

②将待测离轴椭球面镜（3）固定在基座上，调整五维调整架（6）使基座的上表面处于水平，开启所述的斐索干涉仪，该斐索干涉仪发出的光束经所述的标准球面镜全部照射在基座上的待测离轴椭球面镜（3）；

③调整五维调整架（6）的高度，使斐索干涉仪发出的光束经所述的待测离轴椭球面镜（3）后聚焦，该焦点即为待测离轴椭球面镜（3）的焦点F2，此时所述的斐索干涉仪输出的球面波的焦点位于待测离轴椭球面镜的另一个焦点F1；

④通过对三维调整架（5）的调整使补偿小球（4）置于待测离轴椭球面镜的焦点F2的位置上；

⑤所述的斐索干涉仪即得到待测离轴椭球面镜的面型。

3.根据权利要求1所述的离轴椭球面镜的检测装置检测待测离轴椭球面镜的方法，其特征在于，步骤①中所述的选择合适的标准球面镜，具体方法如下：

首先，根据L1、L2、L3的长度由三角公式计算光线入射到被测离轴椭球面的最大立体角θ1的度数，其中L1为待测离轴椭球面镜的焦点F2到待测离轴椭球面镜一投影边缘的距离，L2为待测离轴椭球面镜的焦点F2到待测离轴椭球面镜另一投影边缘的距离，L3为两投影边缘的间距；

然后，根据标准球面镜的曲率半径R0和出射光线的最大直径D0，计算标准球面镜出射的最大出射立体角θ₀的度数；

最后，根据θ₁≤θ₀的原则，选择最接近于光线入射到被测离轴椭球面的最大立体角θ₁的标准球面镜出射的最大出射立体角θ₀所对应的标准球面镜。