CN108204789A - 用于检测大口径平面光学元件面形拼接的装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测大口径平面光学元件面形拼接的装置，包括：干涉仪主机、平面标准镜头、二维倾斜调整台、旋转工件台、单轴运动台、支撑框架、隔振器系统及控制与计算机系统；所述旋转工件台和所述单轴运动台安装在所述支撑框架上，所述支撑框架通过所述隔振器系统放置在地基上；所述干涉仪主机安装在所述单轴运动台上，用于实现直径方向扫描运动；所述平面标准镜头安装在所述干涉仪主机上；所述二维倾斜调整台安装在所述旋转工件台上，用于放置被测光学元件，被测件通过旋转工件台实现圆周方向的扫描。本发明提供的用于检测大口径平面光学元件面形拼接的装置结构简单、经济性好、高精度高，大大降低了成本，同时还可以获得大孔径干涉仪主机所截去的波面高频信息。

Description

用于检测大口径平面光学元件面形拼接的装置及检测方法

技术领域

本发明涉及光学元件检测技术领域，尤其涉及一种用于检测大口径平面光学元件面形拼接的装置及检测方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展，大口径光学系统在天文光学、空间光学、地基空间目标探测与识别、惯性约束聚变(ICF)、光刻光学等高技术领域得到了越来越广泛的应用。目前我国已将激光技术、空天技术与磁约束核聚变技术列为国家中长期科技发展规划之中，并成立了高分辨率对地观测系统专项、极大规模集成电路制造装备与成套工艺专项和载人航天与探月工程专项。在上述关键领域中涉及的光学系统中大量的使用大口径平面光学元件。因此与之相适应的光学检测技术及设备研制成了我国科技战略需求的基础条件。目前，国际上参考透镜口径的加工水平停留在0.5m以下，严重地限制了高精度的大口径平面光学元件加工制造。

发明内容

本发明旨在解决现有大口径平面光学元件加工中，表面面形检测的问题，提供一种检测分辨率高、测试成本低、工期短的大口径平面光学元件面形检测的装置。

一方面，本发明提供了一种用于检测大口径平面光学元件面形拼接的装置，包括：干涉仪主机、平面标准镜头、二维倾斜调整台、旋转工件台、单轴运动台、支撑框架、隔振器系统及计算机系统；所述干涉仪主机、二维倾斜调整台、旋转工件台及单轴运动台分别与所述计算机系统连接；所述隔振器系统放置于地基上，所述支撑框架放置于所述隔振器系统上，所述旋转工件台安装与所述支撑框架的平台上，所述单轴运动台安装在所述支撑框架的横梁上；所述干涉仪主机安装在所述单轴运动台上，用于实现直径方向的扫描运动；所述平面标准镜头安装在所述干涉仪主机上；所述二维倾斜调整台安装在所述旋转工件台上，用于放置被测光学元件。被测光学元件安装于旋转工件台上，实现被测件圆周方向扫描运动，从而子孔径可以按照直径-圆周方向的扫描方式实现被测光学元件测量孔径的全覆盖拼接测量。进一步优选地，所述干涉仪主机连接有内置测量数据处理算法程序的计算机系统，所述计算机系统用于实时处理分析采集到的数据，根据被测光学元件的反射光姿态可以通过计算机系统控制二维倾斜调整平台自动调整，得到清晰的干涉条纹，完成相应子孔径的测量。所述二维倾斜调整台、旋转工件台及单轴运动台分别与所述计算机系统连接实现检测时的运动。

在一些实施例中，所述干涉仪主机为市场常用的4inch干涉仪主机或6inch干涉仪主机。

在一些实施例中，所述支撑框架为大理石支撑框架或者经过应力失效后的铸铁支撑框架，其稳定性好、刚度高。

在一些实施例中，所述旋转工件台和所述单轴运动台通过螺钉固定安装在所述支撑框架上，所述干涉仪主机通过螺钉固定安装在所述单轴运动台上，所述二维倾斜调整台通过螺钉固定安装在所述旋转工件台上。在本发明中，也可以使用螺钉以外的其他紧固件。

在一些实施例中，所述隔振器系统包括若干个被动隔振器，所述支撑框架的质心位于所述隔振器系统的若干个被动隔振器的几何中心处。进一步优选地，所述隔振器系统包括4个被动隔振器，提供了更高负载、更长的平台，所述支撑框架及其上的所有安装负载的重心位置位于隔振器系统的4个被动隔振器的几何中心处，整个装置的隔振性能好。

在一些实施例中，所述二维倾斜调整台、所述旋转工件台及所述单轴运动台均采用伺服电机驱动的半闭环控制方式，从而提高运动定位精度。

在一些实施例中，所述支撑框架包括平台、左立板、右立板、横梁及配种块。所述平台安装在所述配种块上，所述左立板、右立板及横梁安装在所述平台上，且所述左立板、右立板及横梁围隔出开口空间用于安装旋转工件台、二维倾斜调整台、干涉仪主机等。进一步优选地，所述单轴运动台固定安装在所述支撑框架的横梁上。

本发明中所使用到的二维倾斜调整台、旋转工件台及单轴运动台的结构均为本领域常用的。例如，在具体的实施例中，所述二维倾斜调整台可由交流伺服电机、电机座、弹性联轴器、精密滚珠丝杠、丝杠支撑单元、弧型导轨等元件组成，其调节分辨率达到3.6″；单轴运动台包括交流伺服电机、电机座、弹性联轴器、精密滚珠丝杠、丝杠支撑单元、直线导轨等元件，其定位精度达到0.01mm；旋转工件台包括交流伺服电机、电机座、弹性联轴器的元件，其运动精度达到0.5′。

另一方面，本发明还提供了一种大口径平面光学元件面形拼接的检测方法，利用本发明提供的用于检测大口径平面光学元件面形拼接的装置进行测量，包括步骤：通过控制计算机系统控制单轴运动台、二维倾斜调整台及旋转工件台，调节干涉仪主机与被测光学元件表面相对位置，逐次测量各孔径面形，再通过拼接算法程序从重叠区域提取出相邻子孔径的参考面之间的相对平移、旋转、离焦量，然后依次将提取得到的上述子孔径数据拼接。

在一些实施例中，所述用于检测大口径平面光学元件面形拼接的装置通过所述计算机系统控制所述二维倾斜调整台、旋转工件台及单轴运动台的动作，调节所述干涉仪主机与被测光学元件表面位于相对位置。

本发明的技术方案与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供的用于检测大口径平面光学元件面形拼接的装置结构简单、经济性好、高精度高，保留了干涉测量的高精度，且无需使用与全孔径尺寸相同的大口径平面干涉仪主机与大口径平面标准镜头，从而大大降低了成本，同时还可以获得大孔径干涉仪主机所截去的波面高频信息。

附图说明

图1为本发明的一个实施例的用于检测大口径平面光学元件面形拼接的装置的结构示意图；

图2为本发明的一个实施例的用于检测大口径平面光学元件面形拼接的装置的工作原理图；

图3为本发明的一个实施例的支撑框架的结构示意图；

图4为本发明的一个实施例的隔振器系统的结构示意图。

图中，100、用于检测大口径平面光学元件面形拼接的装置，1、干涉仪主机，2、平面标准镜头，3、被测光学元件，4、支撑框架，41、平台，42、左立板，43、右立板，44、横梁，45、配种块，5、二维倾斜调整台，6、旋转工件台，7、单轴运动台，8、隔振器系统，81、被动隔振器，82、隔振系统支架，9、计算机系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图1-2所示，一种用于检测大口径平面光学元件面形拼接的装置100包括：干涉仪主机1、平面标准镜头2、二维倾斜调整台5、旋转工件台6、单轴运动台7、支撑框架4、隔振器系统8及计算机系统9；所述干涉仪主机1、二维倾斜调整台5、旋转工件台6及单轴运动台7分别与所述计算机系统9连接；所述支撑框架4通过所述隔振器系统8放置在地基上，所述旋转工件台6和所述单轴运动台7安装在所述支撑框架4上；所述干涉仪主机1安装在所述单轴运动台7上，用于实现直径方向的扫描运动；所述平面标准镜头2安装在所述干涉仪主机1上；所述二维倾斜调整台5安装在所述旋转工件台6上，用于放置被测光学元件。被测光学元件安装于所述单轴运动台7上，实现圆周方向扫描运动，从而实现孔径的全覆盖拼接。进一步优选地，所述干涉仪主机1连接有内置测量数据处理算法程序的计算机系统9，所述计算机系统9用于实时处理分析采集到的数据，根据被测光学元件的反射光姿态可以通过计算机系统9控制二维倾斜调整平台自动调整，得到清晰的干涉条纹，完成相应子孔径的测量；所述二维倾斜调整台5、旋转工件台6及单轴运动台7分别与所述计算机系统9连接实现检测时的运动。

图2为本发明的一个实施例的用于检测大口径平面光学元件面形拼接的装置的工作原理图，其中，左上图为左下图拼接测量装置对应起始测量的被测光学元件的中心子孔径；右上图为被测光学元件拼接测量时，规划的子孔径分布的一种实例；右下图为拼接测量装置完成测量时的扫描测量方式。

在具体实施例中，所述干涉仪主机1为4inch干涉仪主机，其具有价格低，质量轻等特点。

在具体的实施例中，所述支撑框架4为大理石支撑框架，其具有稳定性好，刚度高的优点。

在具体的实施例中，所述旋转工件台6和所述单轴运动台7通过螺钉固定安装在所述支撑框架4上，所述干涉仪主机1通过螺钉固定安装在所述单轴运动台7上，所述二维倾斜调整台5通过螺钉固定安装在所述旋转工件台6上。

在具体的实施例中，所述二维倾斜调整台5、所述旋转工件台6及所述单轴运动台7均采用伺服电机驱动的半闭环控制方式，从而提高运动定位精度。

如图3所示，所述支撑框架4包括平台41、左立板42、右立板43、横梁44及配种块45。所述平台41安装在所述配种块45上，所述左立板42、右立板43及横梁44安装在所述平台41上，且所述左立板42、右立板43及横梁44围隔出一个开口空间用于安装所述旋转工件台6、二维倾斜调整台5、干涉仪主机1等。进一步优选地，所述单轴运动台7固定安装在所述支撑框架4的横梁上。

如图4所示，所述隔振器系统8包括隔振系统支架82及若干个被动隔振器81，所述支撑框架4的质心位于所述隔振器系统8的若干个被动隔振器81的几何中心处。进一步优选地，所述隔振器系统8包括4个被动隔振器81，提供了更高负载、更长的平台，所述支撑框架4及其上的所有安装负载的重心位置位于隔振器系统8的4个被动隔振器81的几何中心处，整个装置的隔振性能好。

本发明中所使用到的二维倾斜调整台5、旋转工件台6及单轴运动台7的结构均为本领域常用的。例如，在具体的实施例中，所述二维倾斜调整台5可由交流伺服电机、电机座、弹性联轴器、精密滚珠丝杠、丝杠支撑单元、弧型导轨等元件组成，其调节分辨率达到3.6″；单轴运动台7包括交流伺服电机、电机座、弹性联轴器、精密滚珠丝杠、丝杠支撑单元、直线导轨等元件，其定位精度达到0.01mm；旋转工件台6包括交流伺服电机、电机座、弹性联轴器的元件，其运动精度达到0.5′。

另一方面，本发明还提供了一种大口径平面光学元件面形拼接的检测方法，利用本发明提供的用于检测大口径平面光学元件面形拼接的装置进行测量，包括步骤：通过控制计算机系统9控制单轴运动台7、二维倾斜调整台5及旋转工件台6，调节干涉仪主机1与被测光学元件表面相对位置，逐次测量各孔径面形，再通过拼接算法程序从重叠区域提取出相邻子孔径的参考面之间的相对平移、旋转、离焦量，然后依次将提取得到的上述子孔径数据拼接。

在具体的实施例中，所述用于检测大口径平面光学元件面形拼接的装置通过所述计算机系统9控制所述二维倾斜调整台5、旋转工件台6及单轴运动台7的动作，调节所述干涉仪主机1与被测光学元件表面位于相对位置。

本发明的技术方案与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供的用于检测大口径平面光学元件面形拼接的装置结构简单、经济性好、高精度高，保留了干涉测量的高精度，且无需使用与全孔径尺寸相同的大口径平面干涉仪主机与大口径平面标准镜头，从而大大降低了成本，同时还可以获得大孔径干涉仪主机所截去的波面高频信息。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (8)

1.一种用于检测大口径平面光学元件面形拼接的装置，其特征在于：所述用于检测大口径平面光学元件面形拼接的装置包括：干涉仪主机、平面标准镜头、二维倾斜调整台、旋转工件台、单轴运动台、支撑框架、隔振器系统及控制与计算机系统；所述旋转工件台和所述单轴运动台安装在所述支撑框架上，所述支撑框架通过所述隔振器系统放置在地基上；所述干涉仪主机安装在所述单轴运动台上，用于实现直径方向的扫描运动；所述平面标准镜头安装在所述干涉仪主机上；所述二维倾斜调整台安装在所述旋转工件台上，用于放置被测光学元件。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述干涉仪主机为4inch干涉仪主机。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述支撑框架为大理石支撑框架。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旋转工件台和所述单轴运动台通过螺钉固定安装在所述支撑框架上，所述干涉仪主机通过螺钉固定安装在所述单轴运动台上，所述二维倾斜调整台通过螺钉固定安装在所述旋转工件台上。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述隔振器系统包括若干个被动隔振器，所述支撑框架的质心位于所述隔振器系统的若干个被动隔振器的几何中心处。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述二维倾斜调整台、所述旋转工件台及所述单轴运动台均采用电机驱动的半闭环控制方式。

7.根据权利要求1或3所述的装置，其特征在于，所述支撑框架包括平台、左立板、右立板、横梁及配种块。

8.一种大口径平面光学元件面形拼接的检测方法，其特征在于，利用如权利要求1-6任一项所述的装置进行测量，包括步骤：通过控制计算机系统控制单轴运动台、二维倾斜调整台及旋转工件台，调节干涉仪主机与被测光学元件表面相对位置，逐次测量各孔径面形，再通过拼接算法程序从重叠区域提取出相邻子孔径的参考面之间的相对平移、旋转、离焦量，然后依次将提取得到的上述子孔径数据拼接。