CN106767471B - 一种非球面检测光路中光学间隔测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有Offner补偿器的非球面检测光路中光学间隔非接触精密测量的系统及方法，属于非球面检测领域，该系统包括激光干涉仪、镜面定位仪、Offner补偿器、被测非球面镜以及与最佳面形检测光路共光轴的光轴指向十字分划板；该系统有三条自准直检测光路，三条自准直检测光路为同一共光轴光路，即非球面面形误差均方根RMS值最小时的最佳面形检测光路光轴，构建光学间隔检测直线光轴，通过镜面定位仪非接触式测量检测光路中的不同光学间隔，并将其代入光学设计软件中进行复算可得非球面顶点曲率半径R、二次常数K等几何参数值。本发明测量精度约为0.05mm，检测精度高，非接触式测量。

Description

一种非球面检测光路中光学间隔测量系统及方法

技术领域

本发明属于光学检测领域，尤其涉及一种带有Offner补偿器的非球面检测光路中光学间隔非接触精密测量的系统和方法。

背景技术

在非球面镜加工检测过程中，经常会借助补偿器实现干涉检测。补偿器按类型可分为折射式光学补偿器、反射式光学补偿器和衍射式光学补偿器。Offner补偿器属于折射式补偿器中最常用的一种，一般由两片透镜组成，可将干涉仪发出的平面波或球面波转换成非球面波经被检非球面反射后再次经补偿器回到干涉仪，与参考光束形成干涉条纹。采用激光干涉仪配备合适F数的球面标准镜头即可实现非球面面形的干涉检测。

在光学非球面的设计制造中，顶点曲率半径R、二次常数K等几何参数是表述非球面的重要参数，然而这两个几何参数不能直接测量，只有通过测量激光干涉仪标准镜头、Offner补偿器与被测非球面镜之间的光学间隔，并将其带入到光学设计软件进行复算得到顶点曲率半径R、二次常数K，所以说只有将这些检测光路中的光学间隔控制在其设计的公差范围内，并能精确测量，这样才能够满足非球面的加工制造检测及使用要求。

目前，对于带有Offner补偿器的非球面检测光路光学间隔通常采用钢卷尺或固定长度的间隔测量杆等工具进行测量。这种测量方法采用人为估读的方式，很难准确定位在各个表面的顶点位置，测量精度较低，约为0.5mm；该方法是一种接触式测量方法，存在镜面被划伤的风险，而且也存在由于光学间隔距离较短无法用钢卷尺或测量杆进行测量的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种非接触式并且能够精密测量带有Offner补偿器的非球面检测光路中的光学间隔的系统及检测方法。

本发明的技术解决方案是提供一种光学间隔精密测量系统，其特别之处在于：包括沿光路依次设置的镜面定位仪、十字分化板、Offner补偿器和被测非球面镜；

上述镜面定位仪、十字分化板、Offner补偿器和被测非球面镜组成的光路与被测非球面镜的最佳面形检测光路共光轴；

镜面定位仪与十字分化板之间的距离大于镜面定位仪的工作距，十字分化板和Offner补偿器的透镜一之间的距离为L₁，Offner补偿器的透镜一和透镜二之间的距离为L₂，Offner补偿器的透镜二和被测非球面镜之间的距离为L₃，不同的被测的非球面镜计算所得的L₁、L₂、L₃不同。

上述镜面定位仪和PC机连接。

为了能够调节上述光学装置，本发明的光学间隔精密测量系统还包括五维调整架二、五维调整架三、五维调整架四和五维调整架五，上述镜面定位仪放置在五维调整架五上，上述十字分化板放置在五维调整架四上，上述Offner补偿器放置在五维调整架二上，上述被测非球面镜放置在五维调整架三上。

为了实现更精密的测量，上述镜面定位仪的光学间隔测量精度为1μm。

上述十字分化板包括中心圆环，该中心圆环的直径为0.5mm，中心圆环与十字分化板的外圆同心度为φ0.05mm。

本发明还提供了一种光学间隔精密测量方法，包括以下步骤：

步骤一：根据被测的非球面镜，计算检测光路图，按照该光路图搭建最佳面形检测光路；

1.1：沿光路依次设置激光干涉仪、Offner补偿器和被测非球面镜，激光干涉仪的标准镜头的焦点O₁和Offner补偿器的透镜一之间的距离为L₁，Offner补偿器的透镜一和透镜二之间的距离为L₂，Offner补偿器的透镜二和被测非球面镜之间的距离为L₃；

1.2：将所述激光干涉仪、Offner补偿器和被测非球面镜分别放置在五维调整架一、五维调整架二和五维调整架三上，通过五维调整架一、五维调整架二、五维调整架三分别调整激光干涉仪、Offner补偿器和被测非球面镜，使得激光干涉仪、Offner补偿器和被测非球面镜共轴，形成最佳面形检测光路，该轴即为最佳面形检测光路光轴；

步骤二：将固定在五维调整架四上的十字分划板放置在激光干涉仪标准镜头的焦点O₁附近，通过五维调整架四调整十字分划板，使十字分划板的中心圆环位于最佳面形检测光路光轴上；

步骤三：移走激光干涉仪和五维调整架一，将固定在五维调整架五上的镜面定位仪放置在十字分划板的前端，镜面定位仪和十字分划板之间的距离大于镜面定位仪的工作距；

通过调整五维调整架五使镜面定位仪出射的激光光束垂直入射到十字分划板上的中心圆环，观察PC机上的间隔测量界面，当各个光学表面出现干涉信号且信号峰值最高时开始测量光学间隔；

步骤四：测量得出十字分划板的厚度O₁O₃＝d₁、十字分划板与透镜一两者之间空气间隔O₃O₄＝d₂、透镜一的中心厚度O₄O₅＝d₃、透镜一与透镜二两者之间空气间隔O₅O₆＝d₄、透镜二的中心厚度O₆O₇＝d₅、透镜二与被测非球面镜两者之间空气间隔O₇O₂＝d₆，由此可得：L₁ ^’＝d₁+d₂、L₂ ^’＝d₃+d₄+d₅、L₃ ^’＝d₆；其中L₁ ^’、L₂ ^’、和L₃ ^’为L₁、L₂、和L₃的实际测量值；

步骤五：将L₁ ^’、L₂ ^’、和L₃ ^’等测量值代入光学设计软件进行复算可得顶点曲率半径R、二次常数K几何参数值。

本发明的有益效果是：本发明利用镜面定位仪实现了带有Offner补偿器的非球面检测光路中光学间隔的非接触高精度精密测量，解决了现有测量方法误差复杂、测量精度低、易划伤镜面的问题，具有步骤原理清晰、易操作等优点，为带有Offner补偿器的非球面检测、加工制造提供了保障，本发明的测量精度约为0.05mm，检测精度高，且为非接触式测量，不存在测量时划伤镜面的风险。

附图说明

图1是带有Offner补偿器的非球面面形检测光路示意图；

图2是放置十字分划板后的检测光路示意图；

图3是非球面检测光路间隔非接触测量结构示意图；

图4是非球面检测光路间隔示意图；

图5是十字分划板的外形图。

图中附图标记为：1-激光干涉仪，1-1-标准镜头，1-2-五维调整架一，2-Offner补偿器，2-1-五维调整架二，2-2-透镜一，2-3-透镜二，3-被测非球面镜，3-1-五维调整架三，4-PC机，5-十字分划板，5-1-五维调整架四，5-2-中心圆环，6-镜面定位仪，6-1-五维调整架五，7-最佳面形检测光路光轴。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1、图2和图3所示，本发明一种带有Offner补偿器的非球面检测光路中光学间隔非接触精密测量的系统有三条自准直检测光路，分别为激光干涉仪1、Offner补偿器2与被测非球面镜3组成的非球面面形自准直检测光路；激光干涉仪1与十字分划板5组成的垂直定位自准直光路；以及由镜面定位仪6、十字分划板5、Offner补偿器2与被测非球面镜3组成的光学间隔自准直检测光路。垂直定位自准直光路、光学间隔自准直检测光路与非球面面形自准直检测光路为同一共光轴光路，即最佳非球面面形检测光路光轴7。在非球面面形自准直检测光路和垂直定位自准直光路中激光干涉仪1与PC机4连接，在光学间隔自准直检测光路中镜面定位仪6与PC机4连接，PC机4上安装有激光干涉仪1与镜面定位仪6相对应的测量软件。

激光干涉仪1、镜面定位仪6、Offner补偿器2、被测非球面镜3以及十字分划板5分别放置在五维调整架一1-2、五维调整架五6-1、五维调整架二2-1、五维调整架三3-1和五维调整架四5-1上，实现相互独立的前后、左右、上下平移以及左右、上下偏摆。

本发明在具体使用时，按照以下步骤进行：

步骤一：按照预先设计好的非球面面形检测光路图搭建实际检测光路，将激光干涉仪1、Offner补偿器2、被测非球面镜3分别放置在五维调整架一1-2、五维调整架二2-1、五维调整架三3-1上，实现三者相互独立的前后、左右、上下平移以及左右、上下偏摆，搭建完成非球面面形检测光路；通过五维调整架一1-2、五维调整架二2-1、五维调整架三3-1同时对激光干涉仪1、Offner补偿器2、被测非球面镜3进行粗调、微调，并观察PC机4上的实时动态测量图使测得的面形图为最佳状态，得到的干涉图中的倾斜、离焦和彗差量为最小(即达到该被测非球面镜设定的技术指标时)即可实现三者共轴，形成最佳面形检测光路光轴7。

步骤二：将固定在五维调整架四5-1上的十字分划板5放置在标准镜头1-1的焦点O₁附近，即“猫眼”位置，通过粗调五维调整架四5-1使中心圆环5-2与标准镜头1-1的焦点O₁大致重合，取下标准镜头1-1，此时激光干涉仪1出射平行光，微调五维调整架四5-1使得十字分划板5的法线与激光干涉仪1出射光束光轴平行，然后再加上标准镜头1-1微调五维调整架四5-1使中心圆环5-2与标准镜头1-1的焦点O₁重合，并实时观察PC机4面形测量界面待出现干涉条纹时微调结束，这样不仅保证了十字分划板5与最佳检测光路光轴7垂直，中心圆环5-2位于最佳检测光路光轴7上，而且使十字分划板5精确放置在“猫眼”位置，即中心圆环5-2与焦点O₁精密重合。

步骤三：移走激光干涉仪1和五维调整架一1-2，将固定在五维调整架五6-1上的镜面定位仪6放置在十字分划板5的前端，通过粗调、微调五维调整架五6-1使镜面定位仪6出射的激光光束垂直入射到十字分划板5上的中心圆环5-2，即与最佳检测光路光轴7精密重合，观察PC机4上的间隔测量界面待使各个光学表面出现干涉信号且峰值最佳(最高)时开始测量光学间隔。

步骤四：按照步骤三测量的光学间隔分别为：十字分划板5的厚度O₁O₃＝d₁、十字分划板5与offner补偿器的透镜一2-2两者之间空气间隔O₃O₄＝d₂、透镜一2-2的中心厚度O₄O₅＝d₃、透镜一2-2与透镜二2-3两者之间的空气间隔O₅O₆＝d₄、透镜二2-3的中心厚度O₆O₇＝d₅、透镜二2-3与被测非球面镜3两者之间空气间隔O₇O₂＝d₆，由此可得：L₁ ^’＝d₁+d₂、L₂ ^’＝d₃+d₄+d₅、L₃ ^’＝d₆。

步骤五：将L₁ ^’、L₂ ^’、L₃ ^’测量值代入光学设计软件进行复算可得顶点曲率半径R、二次常数K等几何参数值。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (4)

1.一种非球面检测光路中光学间隔测量系统，其特征在于：包括沿光路依次设置的镜面定位仪、十字分化板、Offner补偿器、被测非球面镜；还包括五维调整架二、五维调整架三、五维调整架四和五维调整架五；

所述镜面定位仪放置在五维调整架五上，所述十字分化板放置在五维调整架四上，所述Offner补偿器放置在五维调整架二上，所述被测非球面镜放置在五维调整架三上；

所述镜面定位仪、十字分化板、Offner补偿器和被测非球面镜组成的光路与被测非球面镜的最佳面形检测光路共光轴；激光干涉仪、Offner补偿器和被测非球面镜共轴所形成被测非球面镜的最佳面形检测光路；

所述镜面定位仪与十字分化板之间的距离大于镜面定位仪的工作距；

所述镜面定位仪和PC机连接。

2.根据权利要求1所述的非球面检测光路中光学间隔测量系统，其特征在于：所述镜面定位仪的光学间隔测量精度为1μm。

3.根据权利要求1所述的非球面检测光路中光学间隔测量系统，其特征在于：所述十字分化板包括中心圆环，所述中心圆环的直径为0.5mm，中心圆环与十字分化板的外圆同心度为φ0.05mm。

4.一种光学间隔精密测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：根据被测的非球面镜，计算检测光路图，按照该光路图搭建最佳面形检测光路；

1.1：沿光路依次设置激光干涉仪、Offner补偿器和被测非球面镜，激光干涉仪的标准镜头的焦点O₁和Offner补偿器的透镜一之间的距离为L₁，Offner补偿器的透镜一和透镜二之间的距离为L₂，Offner补偿器的透镜二和被测非球面镜之间的距离为L₃；

1.2：将所述激光干涉仪、Offner补偿器和被测非球面镜分别放置在五维调整架一、五维调整架二和五维调整架三上，通过五维调整架一、五维调整架二、五维调整架三分别调整激光干涉仪、Offner补偿器和被测非球面镜，使得激光干涉仪、Offner补偿器和被测非球面镜共轴，形成最佳面形检测光路，该轴即为最佳面形检测光路光轴；

步骤二：将固定在五维调整架四上的十字分划板放置在激光干涉仪标准镜头的焦点O₁附近，调整五维调整架四，使十字分划板的中心圆环位于最佳面形检测光路光轴上；

步骤三：移走激光干涉仪和五维调整架一，将固定在五维调整架五上的镜面定位仪放置在十字分划板的前端，镜面定位仪和十字分划板之间的距离大于镜面定位仪的工作距；

调整五维调整架五使镜面定位仪出射的激光光束垂直入射到十字分划板上的中心圆环，观察PC机上的间隔测量界面，当各个光学表面出现干涉信号且信号峰值最高时开始测量光学间隔；

步骤四：测量得出十字分划板的厚度O₁O₃＝d₁、十字分划板与offner补偿器的透镜一两者之间空气间隔O₃O₄＝d₂、offner补偿器的透镜一的中心厚度O₄O₅＝d₃、offner补偿器的透镜一与透镜二两者之间空气间隔O₅O₆＝d₄、offner补偿器的透镜二的中心厚度O₆O₇＝d₅、offner补偿器的透镜二与被测非球面镜两者之间空气间隔O₇O₂＝d₆，由此可得：L₁ ^’＝d₁+d₂、L₂ ^’＝d₃+d₄+d₅、L₃ ^’＝d₆；其中L₁ ^’、L₂ ^’、和L₃ ^’为L₁、L₂、和L₃的实际测量值；

步骤五：将L₁ ^’、L₂ ^’、和L₃ ^’测量值代入光学设计软件进行复算可得顶点曲率半径R、二次常数K几何参数值。

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