CN103837123A - 一种光学元件偏心测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明是一种光学元件偏心测量装置，包括升降支架、位移传感器、力传感器、待测光学元件、支撑单元、升降旋转台、基座及数据处理和控制单元；升降支架与升降旋转台的底面固定在基座上；待测光学元件放置于支撑单元中，并由力传感器显示每次测量时支撑力是否一致，由位移传感器获得某个方向上的失高值，然后由升降旋转台将待测光学元件升到一高度并旋转一定角度后再降落回位，在力传感器显示同一数值后获得该角度上的失高值，数据处理和控制单元对旋转角度和力传感器进行控制，在获得多个方向上的一系列失高值后，由数据处理和控制单元计算出待测光学元件的偏心。

Description

一种光学元件偏心测量装置

技术领域

本发明属于先进光学制造与检测技术领域，涉及一种光学检测装置，特别涉及一种大口径高精度光学元件偏心检测装置。

背景技术

近些年来，随着科学技术的不断进步和发展，当代科学技术面临着一个难以逾越的难题——极端制造技术。在各种极端环境下，制造极端尺度或者极高功能的器件和功能系统，是现代高端科学技术领域的一个重要特征，具体表现之一就是在高清及高分辨率成像、光刻物镜等诸多领域所使用的光学元件口径越来越大，精度越来越高，其面形结构也越来越复杂。在一些光刻投影物镜中，光学元件的口径一般都大于Φ200mm，偏心精度都要求控制在微米量级，这些高精度的光学元件的研制不仅需要相应的加工技术，更需要相应的检测设备。这些高精度的检测设备也是当前世界各国的光学加工制造业急需解决的重要难题之

加工过程的检测不同于其他的检测，它不要求全面，但要有效地指导下一步加工进行，检测一次的时间应尽可能短。应知道主要误差的大小、主要误差的正负、主要误差的位置；应考虑到每次检测的操作周期(包括准备、过程、得结论)，力求省时。

由于高精度的光学元件在现在的工业、国防等领域具有非常重要的战略地位，世界各国都先后开展了相应的研究。但是，对于过程中的光学元件偏心检测，将直接决定着最终产品的质量和精度，出于技术封锁和保密的角度，可以收集到的资料比较少。国外的OGURAKAZUYUKI等人提出了一种利用激光测量中心偏的方法(US201113640709)，这种方法是通过两面的顶点来测量偏心率，并不能测量两个面相对于外圆的偏心，并且只能测量透射的光学元件，对于加工过程中间非透明的毛面则无法使用此方法。

西安工业大学的杭棱侠提出一种利用激光管和四维调整架来进行一面为非球面透镜的光学元件偏心测量(CN200720126321。1)，这种方与OGURA KAZUYUKI等人使用的方法没有双面实质上的区别。深圳的吴承勋等人提出了一种利用齿装结构和偏心检测器来进行透镜偏心的测量装置(CN200610062373。7)，这种方法利用齿状结构来进行透镜外圆的定位，在一定程度上兼顾了外圆的误差，但结构复杂，操作不便，随着齿状装置的磨损，误差越来越大。

综上所述，不同的国家及单位对光学元件的偏心检测方法都各自不同，大致上可以分为两大类。一类是利用激光测量的方法，通过表面顶点反射回来的光点偏差来测量偏心；一类是利通机械结构来进行接触式测量。前者实用范围受限，对于非透射式的光学元件无法测量；后者则因具体的结构方式不同而各自有其优缺点。本发明基于物体的空间六个自由度的原理，采用测量系统和旋转结构相分离的机构，保证了测量精度的可靠性，并且可适用于任何材料的元件。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种任何材料的光学元件偏心的测量装置，该系统利用简单的检测仪器实现了对未成型的球面、非球面几何偏心的测量，从而对下一步的加工工艺进行指导，大大缩短其加工周期和提高工作效率。

(二)技术方案

本发明一种光学元件偏心测量装置，包括：升降支架、位移传感器、力传感器、待测光学元件、支撑单元、升降旋转台、基座及数据处理和控制单元，其中：升降支架与升降旋转台底面固定在基座上；位移传感器与力传感器连接在升降支架的第一支臂和第二支臂上，沿着升降支架的丝杠上下调节位移传感器和力传感器到基座的高度；支撑单元具有多个支撑点、一个升降支撑点和一个测力支撑点，其中多个支撑点固定在基座上，升降支撑点连接在升降支架的第一支臂上，测力支撑点连接在升降支架的第二支臂上；待测光学元件放置于支撑单元的多个支撑点上，待测光学元件的下表面与在基座上的多个支撑点接触，待测光学元件的侧面和上表面与连接在升降支架上的升降支撑点和测力支撑点接触；力传感器与待测光学元件的侧面接触，力传感器用于显示并记录力传感器的初始示值；位移传感器位于待测光学元件上面，用于测量和显示待测光学元件上表面上某一点处失高值；数据处理和控制单元与位移传感器连接，获取并将待测光学元件上表面上某一点处失高值生成位移信号，用于控制位移传感器的探测杆上升至高点；数据处理和控制单元与升降旋转台连接，获取并将位移传感器的探测杆上升至高点数据信息生成升降信号，用于控制升降旋转台上表面升起并托起待测光学元件离开支撑单元后连同测光学元件进行旋转，旋转预定的角度后升降旋转台开始下降，直至测光学元件重新置于支撑单元的多个支撑点之中；数据处理和控制单元控制位移传感器的探测杆开始下降，直至接触到待测光学元件的上表面，当力传感器示值与之前相同时，数据处理和控制单元通过位移传感器获得待测光学元件上在该角度上的失高值；数据处理和控制单元，获取待测光学元件不同方向上的失高值，用于计算失高差，完成待测光学元件的偏心测量。

(三)有益效果

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明基于空间六个自由度的原理，采用五点支撑限制其五个自由度，另外一个自由度上的偏差即为该自由度相对于其它五个自由度上的偏差。

(2)本发明采用了测量与旋转相分离的结构方式，即待测元件旋转时脱离五点支撑，待测元件测量时脱离转台。这样，就对转台毫无转动精度要求，避免了支撑点因工件旋转而受到磨损，导致测量产生误差，同时大大降低了待测光学元件受到划伤的可能性。

(3)本发明特别适合加工过程中光学元件的偏心控制，对于具有一定形状的待测光学镜面，通过位移传感器的读数直接判断所测量点处的高低，在做上表记后进行后期处理，此时，不用计算其偏心的具体数值而直接判断表的倾斜方向，非常直观，容易识别。

总之，本发明不需要复杂的机械装置与定位装置，采用动点与固定点相结合的方式，在降低了对机械装置的精度要求的同时大大提高了系统的检测精度，利用常规的检测装置实现了光学元件加工过程中偏心误差的检测与控制，操作简短，使用方便，不仅适合未成型以及成型的光学元件偏心的测量，而且能够对其中心厚的几何参数进行测量。

附图说明

图1为本发明检测系统构成示意图；

图2为支撑单元结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如附图1和图2所示，本发明一种光学元件偏心测量装置，包括：升降支架1、位移传感器2、力传感器3、待测光学元件4、支撑单元5、升降旋转台6、基座7及数据处理和控制单元(图中为示出)；其中：升降支架1与升降旋转台6底面固定在基座7上；位移传感器2与力传感器3连接在升降支架1的第一支臂和第二支臂上，沿着升降支架1的丝杠上下调节位移传感器2和力传感器3到基座的高度；支撑单元5具有多个支撑点、一个升降支撑点和一个测力支撑点，其中多个支撑点固定在基座7上，升降支撑点连接在升降支架1的第一支臂上，测力支撑点连接在升降支架1的第二支臂上；待测光学元件4放置于支撑单元5的多个支撑点上，待测光学元件4的下表面与在基座7上的多个支撑点接触，待测光学元件4的侧面和上表面?与连接在升降支架1上的升降支撑点和测力支撑点接触；力传感器3与待测光学元件4的侧面接触，力传感器3用于显示并记录力传感器3的初始示值；位移传感器2位于待测光学元件4上面，用于测量和显示待测光学元件4上表面上某一点处失高值；数据处理和控制单元与位移传感器2连接，获取并将待测光学元件4上表面上某一点处失高值生成位移信号，用于控制位移传感器2的探测杆上升至高点；数据处理和控制单元与升降旋转台6连接，获取并将位移传感器2的探测杆上升至高点数据信息生成升降信号，用于控制升降旋转台6上表面升起并托起待测光学元件4离开支撑单元5后连同测光学元件4进行旋转，旋转预定的角度后升降旋转台6开始下降，直至测光学元件4重新置于支撑单元5的多个支撑点之中；数据处理和控制单元控制位移传感器2的探测杆开始下降，直至接触到待测光学元件4的上表面，当力传感器3示值与之前相同时，数据处理和控制单元通过位移传感器2获得待测光学元件4上在该角度上的失高值；数据处理和控制单元，获取待测光学元件4不同方向上的失高值，用于计算失高差，完成待测光学元件4的偏心测量。

所述位移传感器2是接触式位移传感器，或是非接触式位移传感器。该装置的测量精度与位移传感器2的测量精度一致。所述待测光学元件4口径与支撑单元5的直径尺寸有关，其中，所述多个支撑点的圆型空间的直径小于待测光学元件4口径，而连接在升降支架1上的升降支撑点所在圆的直径等于待测光学元件4口径，以及力传感器3的测力支撑点所在圆的直径等于待测光学元件4口径。所述待测光学元件4是球面，或是非球面。光学元件偏心测量装置，还包括在多个支撑点的圆型空间上放置的待测光学元件4是一块参考平面镜时，则用于测量待测光学元件4的中心厚度，且测量精度与使用的位移传感器2的测量精度一致。基座7为一块大理石或者铸铁平板。所述位移传感器2的探测杆具有一量程范围为0～60mm。所述支撑单元5的支撑点最少为5点，最多为6点。

所述升降支架1、升降旋转台6、基座7的材料不受限制，可以是钢件，也可是铝件，还可以是大理石等材料。所述位移传感器2和力传感器3的数量最少为一个，若位移传感器的数量多于一个，则相当于只使用一个位移传感器的进行的多次测量。所述待测光学元件4不受材料的限制，可以是玻璃件，也可以是金属件。

升降支架1与电动升降旋转台6固定在基座7上，待测光学元件4放置于支撑单元5上，位移传感器2固定在升降支架1上，并根据待测光学元件4的具体形状调节位移传感器2在升降支架1上的高度。在位移传感器2测量待测光学元件4表面上某一点处失高值且获得力传感器3数据后，其探测头将缩回至高点，随后升降旋转台6升起并带动待测光学元件4离开支撑单元5，当待测光学元件4完全离开支撑单元5后进行旋转，旋转至预定的角度后升降旋转台6开始下降，待测光学元件4重新置于支撑单元5上时，力传感器3开始读数，当与之前的读数相同时，位移传感器2开始下降并获得待测光学元件4在该角度上的失高值。在得到待测光学元件4不同方向上的失高值后，通过计算失高差来完成待测光学元件4的偏心测量。

在本发明的系统使用过程中，需要根据待测光学元件的实际尺寸来选择合适的五点支撑单元。一般情况下，支撑单元中侧向两定位点的口径应大于待测光学元件4的口径，而底面三个支撑点的口径应该小于待测光学元件4的口径。

在本发明中所使用的位移传感器根据不同的检测精度要求或者不同的检测对象，其位移传感器2的示值精度应该高于待测光学元件偏心所要求达到的精度。

本发明中，在采集位移传感器2数据时，应该保证力传感器3的示值一致或者相当。

本发明中，在升降旋转台6托起待测光学元件4之前应确保位移传感2器已经升起并回位，且保证待测光学元件4升起之后也接触不到位移传感器2的探测部位，以保护位移传感器2不受损坏。

所述待测光学元件的偏心可以表示为：θ＝arctg(△d／R)；其中△d为所有测量点中，最大失高值与最小失高值之差，R为位移传感器测量点到待测元件中心的径向(水平)距离。

本发明的测量方法如下：

1。根据待测光学元件4的口径调节支撑单元5：使得支撑单元5中的三点位于待测光学元件4的口径的半口径与全口径之间；待测光学元件4的侧面的升降支撑点和测力支撑点位于待测光学元件4的中心厚的一半处，测量待测光学元件4的中心位置L1。

2。调节力传感器3，待其有读数显示后记下其示值。

3。调节位移传感器2的起始高度与位置，测量位移传感器2的横向距离L2并采集其数值d1。

4。升起位移传感器2的探测部位。

5。升降旋转6台带动待测光学元件4升起，在旋转一定角度后落下回位。

6。位移传感器2的探测部位下落并在力传感器3与之前示值一致时采集位移传感器2的数据d2。

7。重复步骤4。

8。升降旋转台旋6转一周，测量完成，升起位移传感器2的探测部位，取下待测光学元件4。由计算机中的数据处理和控制单元计算待测光学元件4的偏心误差。具体计算公式如下：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{arctg}\left(\frac{|\mathrm{MAX}\left(\mathrm{di}\right)-\mathrm{MIN}\left(\mathrm{di}\right)|}{|L1-L2|}\right),i=\mathrm{1,2,3},...,$

式中，θ即为所测量的光学元件的偏心误差值，di为第i次测量时位移传感器2的数据。

本发明为光学元件的偏心测量研制提供了一种高效率、低成本的检测装置，不仅适合光学元件在加工过程中的面形修正、偏心参数的控制，还可以对加工完成了的光学元件进行偏心参数的测量，具有非常高的实际应用价值和十分广阔的应用前景。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (8)

1.一种光学元件偏心测量装置，其特征在于包括：升降支架(1)、位移传感器(2)、力传感器(3)、待测光学元件(4)、支撑单元(5)、升降旋转台(6)、基座(7)及数据处理和控制单元；其中：

升降支架(1)与升降旋转台(6)底面固定在基座(7)上；

位移传感器(2)与力传感器(3)连接在升降支架(1)的第一支臂和第二支臂上，沿着升降支架(1)的丝杠上下调节位移传感器(2)和力传感器(3)到基座的高度；

支撑单元(5)具有多个支撑点、一个升降支撑点和一个测力支撑点，其中多个支撑点固定在基座(7)上，升降支撑点连接在升降支架(1)的第一支臂上，测力支撑点连接在升降支架(1)的第二支臂上；

待测光学元件(4)放置于支撑单元(5)的多个支撑点上，待测光学元件(4)的下表面与在基座(7)上的多个支撑点接触，待测光学元件(4)的侧面和上表面与连接在升降支架(1)上的升降支撑点和测力支撑点接触；

力传感器(3)与待测光学元件(4)的侧面接触，力传感器(3)用于显示并记录力传感器(3)的初始示值；

位移传感器(2)位于待测光学元件(4)上面，用于测量和显示待测光学元件(4)上表面上某一点处失高值；

数据处理和控制单元与位移传感器(2)连接，获取并将待测光学元件(4)上表面上某一点处失高值生成位移信号，用于控制位移传感器(2)的探测杆上升至高点；

数据处理和控制单元与升降旋转台(6)连接，获取并将位移传感器(2)的探测杆上升至高点数据信息生成升降信号，用于控制升降旋转台(6)上表面升起并托起待测光学元件(4)离开支撑单元(5)后连同测光学元件(4)进行旋转，旋转预定的角度后升降旋转台(6)开始下降，直至测光学元件(4)重新置于支撑单元(5)的多个支撑点之中；

数据处理和控制单元控制位移传感器(2)的探测杆开始下降，直至接触到待测光学元件(4)的上表面，当力传感器(3)示值与之前相同时，数据处理和控制单元通过位移传感器(2)获得待测光学元件(4)上在该角度上的失高值；

数据处理和控制单元，获取待测光学元件(4)不同方向上的失高值，用于计算失高差，完成待测光学元件(4)的偏心测量。

2.根据权利要求1所述的光学元件偏心测量装置，其特征在于：所述位移传感器(2)是接触式位移传感器，或是非接触式位移传感器。

3.根据权利要求1所述的光学元件偏心测量装置，其特征在于：该装置的测量精度与位移传感器(2)的测量精度一致。

4.根据权利要求1所述的光学元件偏心测量装置，其特征在于：所述待测光学元件(4)口径与支撑单元(5)的直径尺寸有关，其中，所述多个支撑点的圆型空间的直径小于待测光学元件(4)口径，而连接在升降支架(1)上的升降支撑点所在圆的直径等于待测光学元件(4)口径，以及力传感器(3)的测力支撑点所在圆的直径等于待测光学元件(4)口径。

5.根据权利要求1所述的光学元件偏心测量装置，其特征在于：所述待测光学元件(4)是球面，或是非球面。

6.根据权利要求1所述的光学元件偏心测量装置，其特征在于：还包括在多个支撑点的圆型空间上放置的待测光学元件(4)是一块参考平面镜时，则用于测量待测光学元件(4)的中心厚度，且测量精度与使用的位移传感器(2)的测量精度一致。

7.根据权利要求1所述的光学元件偏心测量装置，其特征在于：基座(7)为一块大理石或者铸铁平板。

8.根据权利要求1所述的光学元件偏心测量装置，其特征在于：位移传感器(2)的探测杆具有一量程范围为0～60mm。

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