CN108955569A - 大口径长焦距菲索型球面干涉测试装置 - Google Patents
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Abstract
一种大口径长焦距菲索型球面干涉测试装置，包括干涉测试成像和对准测试系统和长焦距测试调整结构。本发明装置可实现最大口径Φ200mm大曲率半径凹球面光学元件面形精度检测，也可对Φ200mm口径的球面或平面系统的物理参数及综合系统光学参数检测。测试精度PV值优于λ/10，RMS值优于λ/50，系统重复性优于λ/500，曲率半径的测试范围为7500mm～8500mm，且大曲率半径测试误差小于1/1000。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件面形检测，特别是一种大口径长焦距菲索型球面干涉测试装置。
背景技术
随着大尺寸光学元件测试需求的增加，对光学测试技术研究也随之不断扩展，从最初的泰曼-格林干涉测试技术发展到现在比较成熟且广泛使用的斐索干涉测试技术，扩大了检测技术及装置对光学元件的不同测试范围。自美国Perkin Elmer公司研制出第一台斐索型激光球面干涉仪以来，球面干涉测试装置的制备与应用研究受到国内外研究学者的广泛关注，但仅限于小尺寸范围内光学元件的检测，且测试精度处于较低水平。现代球面干涉仪正朝向大口径、高精度和复杂面形趋势发展，将成为国内外科研工作研究人员关注的重点探讨领域。
研究发现，球面干涉仪类型包括立式透射式、立式反射式、卧式透射式和卧式反射式四种，当大尺寸球面元件在实际使用中处于倒置状态时，由于球面元件对支撑精度的要求非常高，从而在加工和装调过程中，检测条件与环境须一致，即准直物镜和标准球面镜以及标准球面反射镜同时保持倒置状态，无法保证高精度对准测试。现有技术中，根据测试装置的尺寸检测要求，对球面元件最大测试曲率半径范围为0-5000mm。为满足对大曲率球面光学元件的高精度对准测试，设计、研制一款新型大口径长焦距立式菲索型球面干涉测试装置，且能检测大尺寸平面光学元件是当代科研工作的重要课题之一。
发明内容
本发明的目的是实现大尺寸球面或平面光学元件的高精度测试以及装置空间缩小化，提出一种大口径长焦距立式球面干涉测试装置，该装置能检测光学加工过程中曲率半径范围从7500mm～8500mm凹球面光学元件的面形，检测凹球面光学元件的最大口径为Φ200mm。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种大口径长焦距菲索型球面干涉测试装置，特点在于其构成包括干涉测试成像和对准测试系统和长焦距测试调整结构，
所述的干涉测试系统，包括激光器，沿该激光器的激光输出方向依次是扩束聚焦系统、第一45°分光镜、球面准直物镜、标准镜、待测反射镜，入射光束在所述的标准镜的后表面标准参考面反射形成参考光束，在所述的待测反射镜的前表面反射形成测试光束，沿所述的参考光束和测试光束方向依次是所述的球面准直物镜、第一45°分光镜、第二45°分光镜，该第二45°分光镜将入射光束分为透射光和反射光，沿所述的透射光方向是对准成像CMOS，沿所述的反射光方向依次是干涉图变倍转像系统和CCD成像系统，所述的准直物镜和所述的标准镜位于同一镜筒中并共光轴共球心；
所述的长焦距测试调整结构包括气浮平台结构和具有五维调整机构的载物台，所述的干涉测试系统固定在所述的气浮平台结构上，所述的待测反射镜置于所述的载物台的台面上。
所述的激光器为632.8nm的He-Ne激光器。
当所述的待测反射镜为待测球面反射镜时，所述的标准镜为标准球面镜；通过所述的Z向平移调整结构、载物台四维调节结构的调整，使所述的待测球面反射镜和所述的标准球面镜共光轴。
当所述的待测反射镜为待测平面反射镜时，所述的标准镜为标准平面楔镜。
所述的气浮平台结构由四条气浮腿支撑的气浮平台构成，所述的气浮平台的中心具有镜筒通孔，供所述的干涉测试系统安装有标准镜的镜筒穿设，在所述的镜筒通孔中心对称的四角是四个导柱孔，在该镜筒通孔的左右两边设有两个对称的Z向丝杆轴承套；
所述的载物台由所述的Z向平移调整结构、载物台四维调节机构构成，所述的Z向平移调整结构包括Z轴驱动组件、安装板板、四根导柱、两根Z向丝杆、限位块、开关安装柱和光栅数显装置；
所述的载物台四维调节机构包括载物台安装板、直调XY平台、偏摆载物台，所述的直调XY平台安装在所述的载物台安装板上，经螺旋传动实现所述的偏摆载物台在导轨X/Y方向上的平移，所述的偏摆载物台位于所述的直调XY平台上方，用于调节的偏摆俯仰X/Y两维角度，所述的偏摆载物台的顶面为载物台面；
在所述的气浮平台的导柱孔、Z向丝杆轴承套和安装板的导柱孔、轴承座之间垂直地安装所述的四根导柱和两根Z向丝杆，所述的载物台安装板通过相应的导柱孔、配套螺孔套设在所述的导柱、两根Z向丝杆上，在所述的气浮平台和安装板之间还安装了一根开关安装柱和套设在该开关安装柱的限位块，该限位块控制所述的载物台的载物台台面的Z向高度；
所述的Z轴驱动组件的步进电机安装在所述的安装板上，所述的步进电机驱动所述的Z向丝杆的旋转带动所述的载物台安装板沿所述的导柱上下移动；
所述的光栅数显装置包括光栅尺和光栅数显表，所述的光栅尺位于所述的载物台安装板的正上方，对位于载物台台面上的待测反射镜的Z向高度进行测量，并显示在光栅数显表上。
所述的球面准直物镜和扩束聚焦镜的数值孔径相等，且球面准直物镜和扩束聚焦镜对所述的He-Ne激光光源输出平行光聚焦焦点相重合，构成自准直光路测试；所述球面准直物镜和标准球面镜在光路前进方向入射面为平面，出射面为凸面；所述的球面准直物镜、标准球面镜和标准球面反射镜共光轴共球心，使得测试装置的空腔高度显著降低，减小空间所占体积；后续测试可根据实际测试样品类型选择球面或者平面标准镜；
所述632.8nm的He-Ne激光器输出的激光，经扩束聚焦系统、第一45°分光镜、准直物镜、标准镜球面输出Φ200mm大小的光斑，对待测反射镜实现高精度检测。
本发明的技术效果：
本发明大口径立式球面长焦距干涉测试装置实现在可见光波段内对大尺寸球面及平面元件的反射和透射波前测试，提供干涉成像系统、长焦距共光路准直输出测试和机械调整结构，可对曲率半径范围为7500-8500mm的整体或拼接光学元件测试，经对通光口径Φ200mm，曲率半径R 8000mm的标准球面反射镜测试，面形PV和RMS值分别为0.153λ和0.006λ。同时，对实际待测样品通光口径Φ130mm，曲率半径R 8227.4177mm进行对比测试，得到面形PV和RMS值分别为0.125λ和0.016λ，可见整体干涉测试装置测试精度高，解决了大口径球面光学元件的测试难题。
附图说明
图1为本发明大口径长焦距立式球面干涉测试装置整体机械结构示意图
图2为本发明大口径长焦距立式球面干涉测试装置测量光路示意图
图3为本发明大口径长焦距立式球面干涉测试装置测试腔体机械结构示意图
图4为本发明大口径长焦距立式球面干涉测试装置气浮平台的俯视图
图5为本发明大口径长焦距立式球面干涉测试装置的偏摆调整结构实施例示意图
图6为本发明大口径长焦距立式球面干涉测试装置的Z轴驱动组件实施例示意图
具体实施方式
以下结合附图对本发明作详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参见图1，图1为本发明大口径长焦距菲索型球面干涉测试装置整体机械结构示意图，由图可知，本发明大口径长焦距菲索型球面干涉测试装置，整体包括干涉测试成像和对准测试系统1和长焦距测试机械调整结构2两部分。
图2为本发明大口径长焦距菲索型球面干涉测试装置测量光路示意图，由图可见，所述的干涉测试系统1，包括激光器11，沿该激光器11的激光输出方向依次是扩束聚焦系统12、第一45°分光镜13、球面准直物镜18、标准镜21、待测反射镜，入射光束在所述的标准镜21的后表面标准参考面反射形成参考光束，在所述的待测反射镜的前表面反射形成测试光束，沿所述的参考光束和测试光束方向依次是所述的球面准直物镜18、第一45°分光镜13、第二45°分光镜14，该第二45°分光镜14将入射光束分为透射光和反射光，沿所述的透射光方向是对准成像CMOS15，沿所述的反射光依次是干涉图变倍转像系统16和CCD成像系统17，所述的准直物镜18和所述的标准镜位于同一镜筒中并共光轴共球心；
所述的长焦距测试调整结构2包括气浮平台结构4和具有五维调整机构的载物台3，所述的干涉测试系统1固定在所述的气浮平台结构4上，所述的待测反射镜22置于所述的载物台3的台面上。参见图3。
所述的激光器11为632.8nm的He-Ne激光器。
当所述的待测反射镜22为待测球面反射镜时，所述的标准镜21为标准球面镜；通过所述的Z向平移调整结构、载物台四维调节结构的调整，使所述的待测球面反射镜和所述的标准球面镜共光轴。
当所述的待测反射镜22为待测平面反射镜24时，所述的标准镜21为标准平面楔镜23。
所述的气浮平台结构4参见图4，图4为本发明大口径长焦距立式球面干涉测试装置气浮平台的俯视图，由四条气浮腿44支撑的气浮平台40构成，所述的气浮平台40的中心具有镜筒通孔45，供所述的干涉测试系统1安装有标准镜21的镜筒20穿设，在所述的镜筒通孔45中心对称的四角是四个导柱孔41，在镜筒通孔45的左右两边设有两个对称的Z向丝杆轴承套42；
所述的载物台3由所述的Z向平移调整结构、载物台四维调节机构构成，所述的Z向平移调整结构包括Z轴驱动组件31、安装板板3100、四根导柱43、两根Z向丝杆、限位块38、开关安装柱39和光栅数显装置；
所述的载物台四维调节机构包括载物台安装板33、直调XY平台35、偏摆载物台37，所述的直调XY平台35安装在所述的载物台安装板33上，经螺旋传动实现所述的偏摆载物台37在导轨X/Y方向上的平移，所述的偏摆载物台37位于所述的直调XY平台35上方，用于调节的偏摆俯仰X/Y两维角度，所述的偏摆载物台37的顶面为载物台面3702；
在所述的气浮平台40的导柱孔41、Z向丝杆轴承套42和安装板3100的导柱孔3113、轴承座3110之间垂直地安装所述的四根导柱43和两根Z向丝杆，所述的载物台安装板33通过相应的导柱孔、配套螺孔套设在所述的导柱43、两根Z向丝杆上，在所述的气浮平台40和安装板3100之间还安装了一根开关安装柱39和套设在该开关安装柱39的限位块38，该限位块38控制所述的载物台的载物台台面3702的Z向高度；
所述的Z轴驱动组件31的步进电机3101安装在所述的安装板3100上，所述的步进电机3101驱动所述的Z向丝杆的旋转带动所述的载物台安装板33沿所述的导柱43上下移动；
所述的光栅数显装置包括光栅尺34和光栅数显表36，所述的光栅尺34位于所述的载物台安装板33的正上方，对位于载物台台面3702上的待测反射镜22的Z向高度进行测量，并显示在光栅数显表36上。
实施例1：待测反射镜为待测球面反射镜
所述的标准镜为标准球面镜21，所述的待测经为待测球面反射镜22，所述激光器11采用632.8nm的He-Ne激发光源，经扩束聚焦系统12整形后形成一定大小的光斑，在对准成像CMOS 15上呈现测试光束和参考光束两个光斑，通过Z向平移调整结构和载物台四维调节结构对标准球面反射镜22位置调节，在一定公差范围内使得两个光斑完全重合，从而实现标准球面反射镜22的测试对准调节，保证标准球面反射镜22和标准球面镜21以及球面准直物镜18共光轴共球心；其中，球面准直物镜18和标准球面镜21和标准球面反射镜22的有效通光口径均为Φ200mm，球面准直物镜18使用K9材料，平面以及凸面均镀635.2nm波长的增透膜，透射率T≥99.9％，平面面型精度PV值优于λ/4。标准球面镜21采用熔石英材料，在光束入射方向第一面镀632.8nm增透膜，第二面为标准参考球面，参考球面面型精度PV值优于λ/20；
实施例2：待测反射镜为待测平面反射镜24
所述的标准镜为标准平面楔镜23，采用UBK7材料制备，双面均镀632.8nm波长透射光，第一面为楔角面，楔角为10分，第二面为标准平面参考面，其楔角面面形精度值优于λ/20。
所述的球面准直物镜18和扩束聚焦系统12的数值孔径相等，且球面准直物镜18和扩束聚焦系统12对所述的He-Ne激光光源11输出平行光聚焦焦点相重合，构成自准直测试光路，在光路前进方向入射球面准直物镜18和标准球面镜21的第一面为平面，出射面为凸面。
图3为本发明大口径长焦距立式球面干涉测试装置所述的长焦距测试调整结构的结构示意图，本发明所述的长焦距测试调整结构包括气浮平台结构、Z向平移调整结构、载物台四维调节结构、光栅数显装置四部分。在所述的气浮平台40的导柱孔41、Z向丝杆轴承套42和安装板3100的导柱孔3113、轴承座3110之间垂直地安装所述的四根导柱43和两根Z向丝杆，所述的载物台安装板33通过相应的导柱孔、配套螺孔套设在所述的导柱43、两根Z向丝杆上，在所述的气浮平台40和安装板3100之间还安装了一根开关安装柱39和套设在该开关安装柱39的限位块38，该限位块38控制所述的载物台的载物台台面3702的Z向高度；
所述的载物台3由所述的Z向平移调整结构、载物台四维调节机构构成，所述的Z向平移调整结构包括Z轴驱动组件31、安装底板3100、四根导柱43、两根Z向丝杆、限位块38、开关安装柱39和光栅数显装置；所述的光栅数显装置包括光栅尺34和光栅数显表36，所述的光栅尺34位于所述的载物台安装板33的正上方，对位于载物台台面3702上的待测反射镜22的Z向高度进行测量，进而在光栅数显表36读取位置信息，光栅尺34总体位移行程为1250mm，测试精度1μm；
所述的载物台四维调节机构包括载物台安装板33、直调XY平台35、偏摆载物台37，所述的直调XY平台35安装在所述的载物台安装板33上，经螺旋传动实现所述的偏摆载物台37在导轨X/Y方向上的平移，所述的偏摆载物台37位于所述的直调XY平台35上方，用于调节的偏摆俯仰X/Y两维角度，所述的偏摆载物台37的顶面为载物台面3702；
图4为本发明大口径长焦距立式球面干涉测试装置气浮平台结构示意图，所述的气浮平台结构4由四条气浮腿44支撑的气浮平台40构成，所述的气浮平台40的中心具有镜筒通孔45，供所述的干涉测试系统1安装有标准镜21的镜筒穿设，在所述的镜筒通孔45中心对称的四角是四个导柱孔41，在镜筒通孔45的左右两边设有两个对称的Z向丝杆轴承套42；
具体地，图5是本发明大口径长焦距立式球面干涉测试装置的偏摆调整结构实施例的结构示意图，偏摆调整结构的左右对称，由载物台台面3702、偏摆连接板3707、关节轴承支撑柱3706和偏摆顶杆3709构成，从截面M-M方向观察：载物台台面3702与左右两端的偏摆顶杆槽套3701固定，偏摆顶杆槽套3701内部镶嵌偏摆顶杆套3708，偏摆顶杆3709与球头设计的偏摆顶杆套3708自由连接，偏摆顶杆下端与偏摆连接板3707直接相连，固定于偏摆螺丝东套3710内；所述的关节轴承支撑柱3706包括关节轴承压圈3705、关节轴承3704和关节轴承座3703，关节轴承支撑柱3706上端连接载物台台面3702，下端连接偏摆连接板3707；
图6是本发明大口径长焦距立式球面干涉测试装置的Z轴驱动组件31实施例俯视结构示意图。安装底板3100上固定步进电机3101、圆柱齿轮1 3102、圆柱齿轮2 3103、实心手轮压圈3104、圆柱齿轮轴3105、轴承座组件1 3106、轴承座组件2 3109、转向器3107、圆锥小齿轮组焊件3108和下推力轴承组件3110。Z轴驱动组件31的设计可实现两种方式的位移，具自动和手动两种方式，自动：步进电机3101经圆柱齿轮1 3101和圆柱齿轮2 3102啮齿结构控制转速大小，驱动轴承座组件1 3106转动；手动：由实心手轮压圈3104控制圆柱齿轮33105和圆柱齿轮2 3102啮齿结构控制转速大小，驱动轴承座组件1 3106转动。通过转向器3107控制Z轴上下方向，进而控制圆锥小齿轮组件3108的转动，推动轴承座组件2 3109的运动，下推力轴承座组件3110用于固定Z轴丝杆42，最终实现整体载物台在Z轴丝杆42上以设定的速度移动。
实验表明，本发明装置可实现Φ200mm大口径大曲率半径凹球面光学元件面形精度检测，也可对Φ200mm口径的球面或平面系统的物理参数及综合系统光学参数检测。测试精度PV值优于λ/10，RMS值优于λ/50，系统重复性优于λ/500，曲率半径的测试范围为7500mm～8500mm，且大曲率半径测试误差小于1/1000。测试精度高，解决了大口径球面光学元件的测试难题。
Claims (5)
1.一种大口径长焦距菲索型球面干涉测试装置，特征在于其构成包括干涉测试成像和对准测试系统(1)和长焦距测试调整结构(2)，
所述的干涉测试系统(1)，包括激光器(11)，沿该激光器(11)的激光输出方向依次是扩束聚焦系统(12)、第一45°分光镜(13)、球面准直物镜(18)、标准镜(21)、待测反射镜(22)，入射光束在所述的标准镜(21)的后表面标准参考面反射形成参考光束，在所述的待测反射镜(22)的前表面反射形成测试光束，沿所述的参考光束和测试光束方向依次是所述的球面准直物镜(18)、第一45°分光镜(13)、第二45°分光镜(14)，该第二45°分光镜(14)将入射光束分为透射光和反射光，沿所述的透射光方向是对准成像CMOS(15)，沿所述的反射光方向依次是干涉图变倍转像系统(16)和CCD成像系统(17)，所述的准直物镜(18)和所述的标准镜(21)位于同一镜筒中并共光轴共球心；
所述的长焦距测试调整结构(2)包括气浮平台结构(4)和具有五维调整机构的载物台(3)，所述的干涉测试系统(1)固定在所述的气浮平台结构(4)上，所述的待测反射镜(22)置于所述的载物台(3)的台面(3702)上。
2.根据权利要求1所述的大口径长焦距菲索型球面干涉测试装置，其特征在于所述的激光器(11)为632.8nm的He-Ne激光器。
3.根据权利要求1所述的大口径长焦距菲索型球面干涉测试装置，其特征在于当所述的待测反射镜(22)为待测球面反射镜时，所述的标准镜(21)为标准球面镜；通过所述的Z向平移调整结构、载物台四维调节结构的调整，使所述的待测球面反射镜和所述的标准球面镜共光轴。
4.根据权利要求1所述的大口径长焦距菲索型球面干涉测试装置，其特征在于当所述的待测反射镜(22)为待测平面反射镜(24)时，所述的标准镜(21)为标准平面楔镜(23)。
5.根据权利要求1所述的大口径长焦距菲索型球面干涉测试装置，其特征在于所述的气浮平台结构(4)由四条气浮腿(44)支撑的气浮平台(40)构成，所述的气浮平台(40)的中心具有镜筒通孔(45)，供所述的干涉测试系统(1)安装有标准镜(21)的镜筒(20)穿设，在所述的镜筒通孔(45)中心对称的四角是四个导柱孔(41)，在镜筒通孔(45)的左右两边设有两个对称的Z向丝杆轴承套(42)；
所述的载物台3由所述的Z向平移调整结构、载物台四维调节机构构成，所述的Z向平移调整结构包括Z轴驱动组件(31)、安装底板(3100)、四根导柱(43)、两根Z向丝杆、限位块(38)、开关安装柱(39)和光栅数显装置，
所述的载物台四维调节机构包括载物台安装板(33)、直调XY平台(35)、偏摆载物台(37)，所述的直调XY平台(35)安装在所述的载物台安装板(33)上，经螺旋传动实现所述的偏摆载物台(37)在导轨X/Y方向上的平移，所述的偏摆载物台(37)位于所述的直调XY平台(35)上方，用于调节的偏摆俯仰X/Y两维角度，所述的偏摆载物台(37)的顶面为载物台面(3702)；
在所述的气浮平台(40)的导柱孔(41)、Z向丝杆轴承套(42)和安装板(3100)的导柱孔(3113)、轴承座(3110)之间垂直地安装所述的四根导柱(43)和两根Z向丝杆，所述的载物台安装板(33)通过相应的导柱孔、配套螺孔套设在所述的导柱(41)、两根Z向丝杆上，在所述的气浮平台(40)和安装板(3100)之间还安装了一根开关安装柱(39)和套设在该开关安装柱(39)的限位块(38)，该限位块(38)控制所述的载物台的载物台台面(3702)的Z向高度；
所述的Z轴驱动组件(31)的步进电机(3101)安装在所述的安装板(3100)上，所述的步进电机(3101)驱动所述的Z向丝杆的旋转带动所述的载物台安装板(33)沿所述的导柱(41)上下移动；
所述的光栅数显装置包括光栅尺(34)和光栅数显表(36)，所述的光栅尺(34)位于所述的载物台安装板(33)的正上方，对位于载物台台面(3702)上的待测反射镜(22)的Z向高度进行测量，并显示在光栅数显表(36)上。
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