CN105241391A - 一种用于大口径凹非球面镜面型精度干涉检测的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于大口径凹非球面镜面型精度干涉检测的装置，属于非球面表面面形质量检测装置。激光干涉仪、补偿透镜一调整支架、补偿透镜二调整支架、非球面镜调整装置放置在隔振平台上，补偿透镜一与补偿透镜一调整支架固定连接，补偿透镜二与补偿透镜二调整支架固定连接。优点是结构新颖，直线运动精度在亚毫米级，回转运动精度在1秒量级，从而降低了成本，可在不采用拼接方法的同时，检测光路短，剩余像差小，可实现大口径回转对称凹非球面光学元件面型的高精度检测，便于安装和拆卸，节省了检测时的人工成本。

Description

一种用于大口径凹非球面镜面型精度干涉检测的装置

技术领域

本发明属于非球面表面面形质量检测装置，尤其是指适用于大口径回转对称凹非球面光学元件检验的调整装置。

背景技术

非球面表面面形质量高精度检测是广泛应用非球面的最关键技术之一，也是高精度加工非球面的基础。非球面的高精度定量检测方法主要有无像差点法、环形子孔径拼接法、计算全息法和补偿器零检验法。

对于大口径非球面镜检验，补偿器零检验法是检验大口径的二次及高次非球面最有前途的方法之一，它是借助补偿器把平面波前转换为与被测非球面镜理论形状重合的非球面波前，其最大优点在于所适用的补偿器的直径比被检验镜直径小得多，是一种无接触测量，在干涉仪上采用补偿法，能够保证定量地评价整个表面的面形偏差。补偿器的结构在设计时优化，能够有利于补偿检验光学系统检测光路的调整，确保对非球面反射镜零位补偿干涉检测的顺利完成。

然而随着被测非球面镜相对口径的增大，特别是对于口径大于300mm大口径非球面光学镜片检测，仍然存在很多困难。中国专利公开号CN1587950，公开日2005年3月2日，发明名称为“一种用部分补偿透镜实现非球面面形的干涉测量方法”，实施方案中提出用部分补偿器代替零位补偿器，允许有不大于50个波长的剩余波差，将传统的小波差干涉测量系统变为大波差干涉测量系统。该方法简化补偿透镜的结构，降低了补偿镜的设计、加工难度，同时对某一补偿镜而言可在一定程度上扩展其测量范围，即可检测非球面度较大的非球面，但仅限于中小口径的非球面检测。部分补偿后的剩余波像差较大，需要高分辨率的CCD来采集实际得到的高密度干涉条纹完成检测。

在进行非球面光学元件非接触式测量时，测头与被测表面要基本保持垂直，或者只能存在很小的倾角。这就要求有一种能实现测头与工件表面相对位置调整的检测装置。

发明内容

本发明提供一种用于大口径凹非球面镜面型精度干涉检测的装置，以解决现有大口径非球面镜补偿器零检验法检验中剩余波像差大、无法对大口径凹非球面光学元件面型进行全面精确测量的问题，本发明通过四维调整工件的位置和姿态，以实现对大口径凹非球面镜面型的高精度检测。

本发明采取的技术方案是：激光干涉仪、补偿透镜一调整支架、补偿透镜二调整支架、非球面镜调整装置放置在隔振平台上，补偿透镜一与补偿透镜一调整支架固定连接，补偿透镜二与补偿透镜二调整支架固定连接。

所述非球面镜调整装置包括底座、XY两维平台、二级传动机构、倾斜机构下板、蜗轮蜗杆机构、倾斜机构上板、液压调平机构、镜片夹具；其中：

XY两维平台通过螺栓安装在底座上，二级传动机构安装在XY两维平台中，二级传动机构通过螺栓连接在倾斜机构下板上，倾斜机构上板通过标准大承载轴承与倾斜机构下板连接，蜗轮蜗杆机构的下端固定安装在倾斜机构下板上，蜗轮蜗杆机构上端与倾斜机构上板滑动连接，液压调平机构一端与倾斜机构上板轴承连接，液压调平机构另一端与镜片夹具轴承连接。

所述XY两维平台由X向平台、Y向平台组成，采用方导轨支撑，梯形滚珠丝杆手轮手动调节；

所述二级传动机构由圆锥齿轮一级传动机构和圆柱齿轮二级传动机构组成，圆锥齿轮一级传动机构由圆锥齿轮与圆锥齿轮组成，圆柱齿轮二级传动机构由圆柱齿轮和圆柱齿轮组成；其中：

手轮与齿轮轴固定连接，齿轮轴座安装在X向平台上，圆锥齿轮与圆锥齿轮啮合，圆锥齿轮与圆柱齿轮同轴，圆柱齿轮的底座固定安装在圆柱齿轮的底座上，圆柱齿轮通过螺栓连接在倾斜机构下板上，圆柱齿轮的底座固定安装在Y向平台上，用深沟球轴承、滑动支撑板与下活动支撑板支撑圆柱齿轮，滑动支撑板与下活动支撑板是一对滑动摩擦板，深沟球轴承保证圆柱齿轮的水平限位支撑，滑动支撑板和下活动支撑板保证圆柱齿轮的竖直方向的支撑。

所述蜗轮蜗杆机构由手轮、联轴器、蜗杆、蜗轮、传动箱体、蜗轮轴、导向块、顶块组成，蜗轮、蜗杆安装在传动箱体内，传动箱体上部与导向块相联接，传动箱体下部通过螺栓连接固定在倾斜机构下板上，倾斜机构上板、液压调平机构、镜片夹具安装在倾斜机构下板上，手轮通过联轴器与蜗杆连接，蜗杆与蜗轮是一对传动副，蜗轮轴通过过盈配合与蜗轮联接，蜗轮轴上端通过螺纹与顶块联接。

所述液压调平机构由电动液压杆和镜片夹具支撑立板组成，电动液压杆的一端与倾斜机构上板轴承连接，电动液压杆的另一端与镜片夹具轴承连接；

所述镜片夹具由夹具底座、分体夹具、镜片保护层、镜片压圈组成，夹具底座与分体夹具通过固定螺栓连接，分体夹具结构上下对称，通过螺钉固定，镜片保护层放置于分体夹具内侧，被测非球面镜放置于镜片保护层内侧，镜片压圈固定被测非球面镜，与分体夹具通过固定螺栓连接，镜片夹具通过轴承安装在镜片夹具支撑立板上，镜片夹具支撑立板通过螺栓安装在倾斜机构上板上。

本发明的优点是：

1、本发明提供的一种立式结构四维调整装置结构新颖，直线运动精度在亚毫米级，回转运动精度在1秒量级，从而降低了成本。

2、通过本发明提供的一种立式结构四维调整装置，可在不采用拼接方法的同时，检测光路短，剩余像差小，可实现大口径回转对称凹非球面光学元件面型的高精度检测。

3、本发明提供的一种立式结构四维调整装置的镜片夹具的调整可用液压调平机构实现被测非球面镜的装调和放平，便于安装和拆卸，节省了检测时的人工成本；同时镜片夹具的设计方案便于检测完毕的再次加工，节省了加工成本。

附图说明

图1是本发明提供一种凹非球面镜面型精度干涉检测的检测原理光路示意图；

图2是本发明的结构原理示意图；

图3是本发明非球面镜调整装置的结构示意图；

图4是图3的A部放大图。

具体实施方式

激光干涉仪1、补偿透镜一调整支架6、补偿透镜二调整支架7、非球面镜调整装置8放置在隔振平台5上，补偿透镜一2与补偿透镜一调整支架6固定连接，补偿透镜二3与补偿透镜二调整支架固定连接。

按照干涉原理搭建光路装置，调整补偿透镜一2、补偿透镜二3、补偿透镜一调整支架6、补偿透镜二调整支架7和非球面镜调整装置8的相对位置完成整个凹非球面镜的检测过程。

参照图1，本发明的检测原理光路示意图包括激光干涉仪1、补偿透镜一2、补偿透镜二3、被测非球面镜4，激光干涉仪1发出的平行光束经过补偿透镜一2、补偿透镜二3后入射到被测非球面表面,经被测非球面反射再次经过补偿透镜一2、补偿透镜二3回到干涉仪,与参考光束相干涉形成干涉条纹。

参照图3，图4，本发明的非球面镜调整装置8包括底座81、XY两维平台82、二级传动机构83、倾斜机构下板84、蜗轮蜗杆机构85、倾斜机构上板86、液压调平机构87、镜片夹具88、被测非球面镜4。

XY两维平台82通过螺栓安装在底座81上，二级传动机构83安装在XY两维平台82中，二级传动机构83通过螺栓连接在倾斜机构下板84上，倾斜机构上板86通过标准大承载轴承与倾斜机构下板84连接，蜗轮蜗杆机构的下端85固定安装在倾斜机构下板84上，蜗轮蜗杆机构上端85与倾斜机构上板86滑动连接，液压调平机构87一端与倾斜机构上板86轴承连接，液压调平机构87另一端与镜片夹具88轴承连接。

所述XY两维平台82由X向平台821、Y向平台822组成，采用方导轨支撑，梯形滚珠丝杆手轮手动调节，调整范围在100mm以内。

二级传动机构83由圆锥齿轮一级传动机构和圆柱齿轮二级传动机构组成，圆锥齿轮一级传动机构由圆锥齿轮834与圆锥齿轮835组成，圆柱齿轮二级传动机构由圆柱齿轮836和圆柱齿轮837组成；

手轮831与齿轮轴832固定连接，齿轮轴座833安装在X向平台821上，圆锥齿轮834与圆锥齿轮835啮合，圆锥齿轮835与圆柱齿轮836同轴，圆柱齿轮836的底座固定安装在圆柱齿轮837的底座上，圆柱齿轮837通过螺栓连接在倾斜机构下板84上，圆柱齿轮837的底座固定安装在Y向平台822上，用深沟球轴承、滑动支撑板838与下活动支撑板839支撑圆柱齿轮837，滑动支撑板838与下活动支撑板839是一对滑动摩擦板，深沟球轴承保证圆柱齿轮837的水平限位支撑，滑动支撑板838和下活动支撑板839保证圆柱齿轮837的竖直方向的支撑。

蜗轮蜗杆机构85由手轮851、联轴器852、蜗杆853、蜗轮854、传动箱体855、蜗轮轴856、导向块857、顶块858组成，蜗轮854、蜗杆853安装在传动箱体855内，传动箱体855上部与导向块857相联接，传动箱体855下部通过螺栓连接固定在倾斜机构下板84上，倾斜机构上板86、液压调平机构87、镜片夹具88安装在倾斜机构下板84上，手轮851通过联轴器852与蜗杆853连接，蜗杆853与蜗轮854是一对传动副，蜗轮轴856通过过盈配合与蜗轮854联接，蜗轮轴856上端通过螺纹与顶块858联接。

液压调平机构87由电动液压杆871和镜片夹具支撑立板872组成，电动液压杆871的一端与倾斜机构上板86轴承连接，电动液压杆871的另一端与镜片夹具88轴承连接；

镜片夹具88由夹具底座881、分体夹具882、镜片保护层883、镜片压圈884组成，夹具底座881与分体夹具882通过固定螺栓连接，分体夹具882结构上下对称，通过螺钉固定，镜片保护层883放置于分体夹具882内侧，被测非球面镜4放置于镜片保护层883内侧，镜片压圈884固定被测非球面镜4，与分体夹具882通过固定螺栓连接，镜片夹具88通过轴承安装在镜片夹具支撑立板872上，镜片夹具支撑立板872通过螺栓安装在倾斜机构上板86上。

检测的调整过程：

调整电动液压杆871的动作可以实现镜片夹具88绕镜片夹具支撑立板872的轴承旋转，实现被测非球面镜4的装调和放平，便于拆装，取掉镜片夹具88的镜片压圈884，方便进行检测完毕的再次加工。分体夹具882可通过螺钉固定来调节夹持被测非球面镜4的力度，同时方便被测非球面镜4的安装与拆卸。

通过电动液压杆871先调节镜片夹具88与镜片夹具支撑立板872平行，调节好后保持位置不动；通过手动调节XY两维平台82，保证被测非球面镜89光轴与激光干涉仪1、补偿透镜一2、补偿透镜二3光轴基本共线，在激光干涉仪1中能够看到被测非球面镜4与补偿透镜一2、补偿透镜二3的光点基本重合；手轮831转动时，通过齿轮轴832的转动，带动圆锥齿轮834转动，与圆锥齿轮834配合的圆锥齿轮835一起转动，带动圆柱齿轮836转动，带动圆柱齿轮837转动，带动倾斜机构下板84移动，保证被测非球面镜4的左右偏摆精度1秒。

手轮851转动时，通过联轴器852带动蜗杆853转动，蜗杆853带动蜗轮854转动，蜗轮轴856随着蜗轮854转动，通过蜗轮轴856上端螺纹转动，在导向块857的束缚下，带动顶块858向上平移，将顶块858顶起，从而带动倾斜机构上板86、液压调平机构87、镜片夹具88绕铰接轴承翻转，保证被测非球面镜4俯仰的调节精度，上下俯仰调节精度1秒。

通过二级传动机构83、倾斜机构下板84、蜗轮蜗杆机构85、倾斜机构上板86的动作调节被测非球面镜4的偏摆和俯仰，使得被测非球面镜4的反射光点与补偿透镜一2、补偿透镜二3在激光干涉仪1中显示的光点完全重合，从而获得干涉图像，调节干涉图像的清晰程度获得被测非球面镜4的检测数据，进行多次测量，完成被测非球面镜4的检测。

本发明使用补偿器零检验法检测大口径凹非球面镜步骤如下：

步骤a：所述的所待测非球面公式如下：

$z=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}$

其中，c＝1/2000，k＝-0.135592

采用双片透镜干涉法零检验，检测原理光路示意图如图1所示：在激光干涉仪与补偿器之间是平面波,有利于补偿检验光学系统检测光路的调整,确保对大口径凹非球面反射镜零位补偿干涉检测的顺利完成。

对于符合上述公式的口径为Φ900mm的非球面镜，在公知技术领域，利用Zemax光学软件设计优化与之匹配的所述的反射补偿镜，测试距离2200mm，选择最优的双镜片补偿器，补偿器参数为：r1＝306.272mm，r2＝-398.899mm，厚度15mm；r3＝300.023mm，r4为平面，厚度15mm，间距5mm。

步骤b：经计算本测量方案的剩余像差为0.0008λ(λ＝0.6328μm)，完全可以满足测量精度要求。检测光路装置示意图如图2所示：激光干涉系统、补偿器系统、非球面镜调整装置放置在隔振平台上，整个凹非球面镜的检测的过程在隔振平台中进行；本发明测量方案检测光路短，剩余像差小。

Claims (7)

1.一种用于大口径凹非球面镜面型精度干涉检测的装置，其特征在于：激光干涉仪、补偿透镜一调整支架、补偿透镜二调整支架、非球面镜调整装置放置在隔振平台上，补偿透镜一与补偿透镜一调整支架固定连接，补偿透镜二与补偿透镜二调整支架固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于大口径凹非球面镜面型精度干涉检测的装置，其特征在于：所述非球面镜调整装置包括底座、XY两维平台、二级传动机构、倾斜机构下板、蜗轮蜗杆机构、倾斜机构上板、液压调平机构、镜片夹具；其中：

XY两维平台通过螺栓安装在底座上，二级传动机构安装在XY两维平台中，二级传动机构通过螺栓连接在倾斜机构下板上，倾斜机构上板通过标准大承载轴承与倾斜机构下板连接，蜗轮蜗杆机构的下端固定安装在倾斜机构下板上，蜗轮蜗杆机构上端与倾斜机构上板滑动连接，液压调平机构一端与倾斜机构上板轴承连接，液压调平机构另一端与镜片夹具轴承连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于大口径凹非球面镜面型精度干涉检测的装置，其特征在于：所述XY两维平台由X向平台、Y向平台组成，采用方导轨支撑，梯形滚珠丝杆手轮手动调节。

4.根据权利要求2所述的一种用于大口径凹非球面镜面型精度干涉检测的装置，其特征在于：所述二级传动机构由圆锥齿轮一级传动机构和圆柱齿轮二级传动机构组成，圆锥齿轮一级传动机构由圆锥齿轮与圆锥齿轮组成，圆柱齿轮二级传动机构由圆柱齿轮和圆柱齿轮组成；其中：

手轮与齿轮轴固定连接，齿轮轴座安装在X向平台上，圆锥齿轮与圆锥齿轮啮合，圆锥齿轮与圆柱齿轮同轴，圆柱齿轮的底座固定安装在圆柱齿轮的底座上，圆柱齿轮通过螺栓连接在倾斜机构下板上，圆柱齿轮的底座固定安装在Y向平台上，用深沟球轴承、滑动支撑板与下活动支撑板支撑圆柱齿轮，滑动支撑板与下活动支撑板是一对滑动摩擦板，深沟球轴承保证圆柱齿轮的水平限位支撑，滑动支撑板和下活动支撑板保证圆柱齿轮的竖直方向的支撑。

5.根据权利要求2所述的一种用于大口径凹非球面镜面型精度干涉检测的装置，其特征在于：所述蜗轮蜗杆机构由手轮、联轴器、蜗杆、蜗轮、传动箱体、蜗轮轴、导向块、顶块组成，蜗轮、蜗杆安装在传动箱体内，传动箱体上部与导向块相联接，传动箱体下部通过螺栓连接固定在倾斜机构下板上，倾斜机构上板、液压调平机构、镜片夹具安装在倾斜机构下板上，手轮通过联轴器与蜗杆连接，蜗杆与蜗轮是一对传动副，蜗轮轴通过过盈配合与蜗轮联接，蜗轮轴上端通过螺纹与顶块联接。

6.根据权利要求2所述的一种用于大口径凹非球面镜面型精度干涉检测的装置，其特征在于：所述液压调平机构由电动液压杆和镜片夹具支撑立板组成，电动液压杆的一端与倾斜机构上板轴承连接，电动液压杆的另一端与镜片夹具轴承连接。

7.根据权利要求2所述的一种用于大口径凹非球面镜面型精度干涉检测的装置，其特征在于：所述镜片夹具由夹具底座、分体夹具、镜片保护层、镜片压圈组成，夹具底座与分体夹具通过固定螺栓连接，分体夹具结构上下对称，通过螺钉固定，镜片保护层放置于分体夹具内侧，被测非球面镜放置于镜片保护层内侧，镜片压圈固定被测非球面镜，与分体夹具通过固定螺栓连接，镜片夹具通过轴承安装在镜片夹具支撑立板上，镜片夹具支撑立板通过螺栓安装在倾斜机构上板上。