CN109341587B - 拼接测量装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种拼接测量装置，适于对凹球面的面形进行拼接测量，所述拼接测量装置包括：干涉仪、参考透镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第一调整机构、第二调整机构、凹球面的被测件、运动台和控制机构，第一平面反射镜安装在第一调整机构上，第一调整机构配置成改变第一平面反射镜的位置；第二平面反射镜安装在第二调整机构上，第二调整机构配置成改变第二平面反射镜的位置；被测件放置在运动台上，运动台配置成改变所述被测件的位置；控制机构与干涉仪、第一调整机构、第二调整机构和运动台相连通以发出控制信号，借助于第一调整机构和第二调整机构，第一平面反射镜和第二平面反射镜之间的夹角能被调节以使得入射到被测件上的光线相对于从参考透镜射出的光线倾斜第一角度，从而避免倾斜被测件。

Description

拼接测量装置和方法
技术领域
本发明属于光学检测领域，涉及一种对凹球面的面形进行拼接测量的装置和方法。
背景技术
光刻镜头是一个由几十片镜片组成的复杂的光学系统，部分镜面口径大，对应的标准镜头研制困难。拼接测量通过将一个镜面规划为多个小的子孔径，并逐个子孔径测量，然后再将子孔径的面形通过算法组合成整个镜面的面形。在相关技术中，已提出了一种自动拼接干涉仪，实现了对光学元件的自动拼接测量，但检测精度低，只作为高精度镜片加工中的过程检测仪器。其精度低的最主要原因是在拼接测量过程中，被测件的外环区域需要倾斜一定的角度去匹配标准镜的状态，而这种倾斜会使得被测件变形，变形量直接代入检测结果中，无法达到高精度检测目的。因此，亟须一种改进的拼接测量装置。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种拼接测量装置，适于对凹球面的面形进行拼接测量，所述拼接测量装置包括：干涉仪、参考透镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第一调整机构、第二调整机构、凹球面的被测件、运动台和控制机构，第一平面反射镜安装在第一调整机构上，第一调整机构配置成改变第一平面反射镜的位置；第二平面反射镜安装在第二调整机构上，第二调整机构配置成改变第二平面反射镜的位置；被测件放置在运动台上，运动台配置成改变所述被测件的位置；控制机构与干涉仪、第一调整机构、第二调整机构和运动台相连通以发出控制信号，借助于第一调整机构和第二调整机构，第一平面反射镜和第二平面反射镜之间的夹角能被调节以使得入射到被测件上的光线相对于从参考透镜射出的光线倾斜第一角度，从而避免倾斜被测件。
根据本发明的一个示例性实施例，所述第一调整机构配置成使得所述第一平面反射镜沿第一方向、第二方向、第三方向平移和绕第二方向旋转；其中，所述第一方向、所述第二方向和所述第三方向相互垂直；所述第二调整机构配置成使得所述第二平面反射镜沿所述第一方向、所述第二方向、所述第三方向平移和绕所述第二方向旋转；以及所述运动台配置成使被测件沿所述第一方向和所述第三方向平移和绕所述第三方向旋转。
根据本发明的一个示例性实施例，在测量所述被测件的外环子孔径时，所述第一调整机构和第二调整机构根据所述控制机构发出的控制信号分别调整所述第一平面反射镜和第二平面反射镜的位置，使得第一和第二平面反射镜之间的夹角被调整成第二角度，并且第二角度是第一角度的一半；所述运动台根据所述控制机构发出的控制信号调整被测件的位置，使得被测件的球心移动到第一焦点，所述第一焦点由所述参考透镜的焦点被调整后的第一平面反射镜和第二平面反射镜反射形成。
根据本发明的一个示例性实施例，所述第一平面反射镜被调整成靠近所述参考透镜的焦点并大致垂直于从所述参考透镜射出的边缘光线。
根据本发明的一个示例性实施例，所述第二平面反射镜被调整成能够将经所述第一平面反射镜反射的全部光线反射到待测件上。
根据本发明的一个示例性实施例，所述第二平面反射镜被调整成不阻挡测量光束射出到所述第一平面反射镜上。
根据本发明的一个示例性实施例，在测量被测件的中心子孔径时，所述运动台根据所述控制机构发出的控制信号调整被测件的位置，使得被测件的球心与参考透镜的焦点重合；所述第一调整机构和所述第二调整机构分别根据所述控制机构发出的控制信号调整第一平面镜和第二平面镜的位置，使得所述第一平面镜和第二平面镜离开光路。
根据本发明的一个示例性实施例，所述第一平面镜和第二平面镜分别被调整成位于光路的两侧，或者位于光路的同一侧。
根据本发明的另一方面，提供了一种使用上述实施例中任一个所述的拼接测量装置的拼接测量方法，所述拼接测量方法包括如下步骤：步骤(1)：根据参考透镜和被测件的参数来计算子孔径的个数和位置、测量外环子孔径时测量光束倾斜的第一角度和外环相邻子孔径的夹角，以使得被测件能被所述子孔径完全覆盖；步骤(2)：根据所述控制机构发出的控制信号通过所述运动台调整被测件的位置，使得被测件的球心与参考透镜的焦点重合，并根据所述控制机构发出的控制信号分别利用所述第一调整机构和所述第二调整机构调整第一平面镜和第二平面镜的位置，使得所述第一平面镜和第二平面镜离开光路，然后利用控制机构控制干涉仪测量中心子孔径的面形；步骤(3)：根据所述控制机构发出的控制信号分别利用第一调整机构和第二调整机构调整所述第一平面反射镜和第二平面反射镜的位置，使得第一和第二平面反射镜之间的夹角被调整，从而使得入射到被测件上的光线相对于从参考透镜射出的光线倾斜第一角度，并根据所述控制机构发出的控制信号利用运动台调整被测件的位置，使得被测件的球心移动到第一焦点，所述第一焦点由所述参考透镜的焦点被调整后的第一平面反射镜和第二平面反射镜反射形成，然后利用控制机构控制干涉仪测量外环第1个子孔径的面形；步骤(4)：根据控制机构发出的控制信号利用运动台使得被测件绕垂直于运动台所在平面的方向依次转动外环相邻子孔径的夹角，并利用控制机构控制干涉仪依次测量外环子孔径的面形，直到外环所有的子孔径被测量完为止。
根据本发明的一个示例性实施例，在步骤(3)中，第一平面反射镜和第二平面反射镜之间的夹角被调整成第二角度，并且所述第二角度是所述第一角度的一半。
根据本发明的一个示例性实施例，在步骤(3)中，所述第一平面反射镜被调整成靠近所述参考透镜的焦点并大致垂直于从所述参考透镜射出的边缘光线。
根据本发明的一个示例性实施例，在步骤(3)中，所述第二平面反射镜被调整成能够将经所述第一平面反射镜反射的全部光线反射到待测件上。
根据本发明的一个示例性实施例，在步骤(3)中，所述第二平面反射镜被调整成不阻挡测量光束射出到所述第一平面反射镜上。
与相关技术相比，本发明的优点在于：
1)在拼接测量中无需倾斜被测件，从而避免因倾斜被测件带来的变形误差，实现高精度的拼接检测。
2)在拼接测量中无需倾斜被测件，从而降低了被测件工装的设计难度。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施例的拼接测量装置测量外环子孔径的示意图；
图2为根据本发明的一个实施例的子孔径的规划的示意图；
图3为图1所示的拼接测量装置的光路的示意图；
图4为图3所示的光路的局部放大图；
图5为根据本发明的一个实施例的拼接测量装置测量中心子孔径的示意图；
图6为图5所示的拼接测量装置的光路的示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明的实施例。
如图1所示，拼接测量装置包括干涉仪101、参考透镜、平面反射镜103、平面反射镜104、调整机构105、调整机构106、凹球面被测件107、运动台108和控制机构。如图1所示，参考透镜为球面标准镜102，控制机构为计算机109。如图1所示，平面反射镜103安装在调整机构105上，调整机构105可使平面反射镜103沿X、Y、Z方向平移和绕Y方向旋转,其中XYZ坐标系为调整机构105的坐标系；平面反射镜104安装在调整机构106上，调整机构106可使平面反射镜104沿X、Y、Z方向平移和绕Y方向旋转，其中XYZ坐标系为调整机构106的坐标系；凹球面被测件107安装在运动台108上，运动台108可使凹球面被测件107沿X、Z平移和绕Z方向旋转，其中XYZ坐标系为运动台108的坐标系。计算机109与干涉仪101、调整机构105、调整机构106和运动台108相连通以用于发出控制信号。在一个实施例中，当需要测量外环子孔径时，可以通过调整机构105和106使得平面反射镜103和104之间具有一定的夹角，从而使得入射到凹球面被测件107上的光线相对于从球面标准镜102射出的光线倾斜角度θy。
下面将结合图1-6来描述使用本发明实施例的拼接测量装置进行拼接测量的方法。
步骤(1)：规划孔径的位置和光路。
根据球面标准镜102和凹球面被测件107的参数，规划各子孔径的个数和位置、计算测量外环子孔径时测量光束倾斜的角度θy、外环相邻子孔径的夹角θz，使得凹球面被测件107能够被子孔径完全覆盖。
在一个实施例中，如图2所示，球面标准镜102的曲率半径为354mm，口径为300mm，凹球面被测件107的曲率半径为296mm，口径为293mm，子孔径的规划方案为：共采用7个子孔径，中心位置设置1个，外环位置设置6个，外环相邻子孔径的夹角θz为60度，测量光束倾斜角度θy为6度。在图2中，粗实线代表凹球面被测件107，粗虚线代表中心子孔径对应区域，细虚线代表外环子孔径的对应区域，黑点代表各子孔径的中心。
步骤(2)：测量中心子孔径的面形。
搭建如图5所示的测量平台，计算机109控制运动台108调整凹球面被测件107的位置，使得球面标准镜102的焦点O与凹球面被测件107的球心重合，计算机109控制调整机构105和106将平面反射镜103和104都调整为离开光路，然后计算机109控制干涉仪101测量中心子孔径的面形。
如图5所示，计算机109控制调整机构105将平面反射镜103调整到光路的左侧，并且计算机109控制调整机构106将平面反射镜104调整到光路的右侧。在另一个实施例中，计算机109控制调整机构105和106都调整到光路的左侧或右侧。在另一个实施例中，计算机109控制调整机构105将平面反射镜103调整到光路的右侧，计算机109控制调整机构106将平面反射镜104调整到光路的左侧。
图6为图5所示的拼接测量装置的光路的示意图。如图6所示，从球面标准镜102射出的测量光束入射到凹球面被测件107上，然后再沿原路径返回，测量光束的焦点O与凹球面被测件107的球心重合。
步骤(3)：测量外环的第一个子孔径的面形。
如图1所示，计算机109控制调整机构105和106调整平面反射镜103和104的位置，使得平面反射镜103和104之间的夹角被调整，从而使得入射到凹球面被测件107上的光线相对于从球面标准镜102射出的光线倾斜角度θy。而且，计算机109控制运动台108调整被测件107的位置，使得被测件107的球心移动到焦点O1，其中，焦点O1由球面标准镜102的焦点O被调整后的平面反射镜103和104反射形成。然后，计算机109控制干涉仪101测量外环第1个子孔径的面形。
在一个实施例中，如图1所示，计算机109控制调整机构105调整平面反射镜103的位置，使得平面反射镜103靠近焦点O，且大致垂直于球面标准镜102射出的边缘光线，从而允许平面反射镜104的尺寸最小化。计算机109控制调整机构106调整平面反射镜104的位置，使得平面反射镜104与平面反射镜103的夹角为θy/2度。如图1所示，平面反射镜104与平面反射镜103的夹角为3度。在一个实施例中，平面反射镜104的位置被设置为不阻挡入射到平面反射镜103上的测量光束。在一个实施例中，平面反射镜104的位置被设置为允许被平面反射镜103反射后的光线全部入射到凹球面被测件107上。
图3为图1所示的拼接测量装置的光路的示意图；图4为图3所示的光路的局部放大图。如图3和4所示，从球面标准镜102射出的测量光束依次经平面反射镜103和104反射后，以相对于从球面标准镜102射出的测量光束倾斜θy入射到凹球面被测件107上，然后再沿原路径返回。这样，通过调整两个平面反射的夹角来实现测量光束的倾斜，从而无需倾斜凹球面被测件，避免因倾斜被测件带来的变形误差，实现高精度的拼接检测，并降低了被测件工装的设计难度
步骤(4)：依次测量外环的其余子孔径面形。
计算机109控制运动台108，使得被测件107绕Z轴方向依次转动外环相邻子孔径的夹角θz，然后计算机109控制干涉仪101依次测量外环子孔径的面形，直到外环所有的子孔径被测量完为止。在图示的实施例中，被测件107绕Z轴方向依次转动60度。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
本领域的技术人员可以理解，上面所描述的实施例都是示例性的，并且本领域的技术人员可以对其进行改进，各种实施例中所描述的结构在不发生结构或者原理方面的冲突的情况下可以进行自由组合。
虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。
虽然本总体发明构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。
应注意，措词“包括”不排除其它元件或步骤，措词“一”或“一个”不排除多个。

Claims (12)

1.一种拼接测量装置，适于对凹球面的面形进行拼接测量，其特征在于，所述拼接测量装置包括：
干涉仪(101)、参考透镜(102)、第一平面反射镜(103)、第二平面反射镜(104)、第一调整机构(105)、第二调整机构(106)、凹球面的被测件(107)、运动台(108)和控制机构(109)，
第一平面反射镜安装在第一调整机构上，第一调整机构配置成改变第一平面反射镜的位置；
第二平面反射镜安装在第二调整机构上，第二调整机构配置成改变第二平面反射镜的位置；
被测件放置在运动台上，运动台配置成改变所述被测件的位置；
控制机构与干涉仪、第一调整机构、第二调整机构和运动台相连通以发出控制信号，
借助于第一调整机构和第二调整机构，第一平面反射镜和第二平面反射镜之间的夹角能被调节以使得入射到被测件上的光线相对于从参考透镜射出的光线倾斜第一角度(θy)，从而避免倾斜被测件，
其中，所述第一调整机构配置成使得所述第一平面反射镜沿第一方向、第二方向、第三方向平移和绕第二方向旋转；其中，所述第一方向、所述第二方向和所述第三方向相互垂直；
所述第二调整机构配置成使得所述第二平面反射镜沿所述第一方向、所述第二方向、所述第三方向平移和绕所述第二方向旋转；以及
所述运动台配置成使被测件沿所述第一方向和所述第三方向平移和绕所述第三方向旋转。
2.根据权利要求1所述的拼接测量装置，其特征在于，在测量所述被测件的外环子孔径时，所述第一调整机构和第二调整机构根据所述控制机构发出的控制信号分别调整所述第一平面反射镜和第二平面反射镜的位置，使得第一和第二平面反射镜之间的夹角被调整成第二角度(θy/2)，并且第二角度是第一角度的一半；
所述运动台根据所述控制机构发出的控制信号调整被测件的位置，使得被测件的球心移动到第一焦点(O1)，所述第一焦点由所述参考透镜的焦点(O)被调整后的第一平面反射镜和第二平面反射镜反射形成。
3.根据权利要求2所述的拼接测量装置，其特征在于，所述第一平面反射镜被调整成靠近所述参考透镜的焦点并垂直于从所述参考透镜射出的边缘光线。
4.根据权利要求3所述的拼接测量装置，其特征在于，所述第二平面反射镜被调整成能够将经所述第一平面反射镜反射的全部光线反射到待测件上。
5.根据权利要求4所述的拼接测量装置，其特征在于，所述第二平面反射镜被调整成不阻挡测量光束射出到所述第一平面反射镜上。
6.根据权利要求1所述的拼接测量装置，其特征在于，在测量被测件的中心子孔径时，所述运动台根据所述控制机构发出的控制信号调整被测件的位置，使得被测件的球心与参考透镜的焦点(O)重合；
所述第一调整机构和所述第二调整机构分别根据所述控制机构发出的控制信号调整第一平面镜和第二平面镜的位置，使得所述第一平面镜和第二平面镜离开光路。
7.根据权利要求6所述的拼接测量装置，其特征在于，所述第一平面镜和第二平面镜分别被调整成位于光路的两侧，或者位于光路的同一侧。
8.一种使用权利要求1-7中任一项所述的拼接测量装置的拼接测量方法，其特征在于，所述拼接测量方法包括如下步骤：
步骤(1)：根据参考透镜和被测件的参数来计算子孔径的个数和位置、测量外环子孔径时测量光束倾斜的第一角度(θy)和外环相邻子孔径的夹角(θz)，以使得被测件能被所述子孔径完全覆盖；
步骤(2)：根据所述控制机构发出的控制信号通过所述运动台调整被测件的位置，使得被测件的球心与参考透镜的焦点(O)重合，并根据所述控制机构发出的控制信号分别利用所述第一调整机构和所述第二调整机构调整第一平面镜和第二平面镜的位置，使得所述第一平面镜和第二平面镜离开光路，然后利用控制机构控制干涉仪测量中心子孔径的面形；
步骤(3)：根据所述控制机构发出的控制信号分别利用第一调整机构和第二调整机构调整所述第一平面反射镜和第二平面反射镜的位置，使得第一和第二平面反射镜之间的夹角被调整，从而使得入射到被测件上的光线相对于从参考透镜射出的光线倾斜第一角度(θy)，并根据所述控制机构发出的控制信号利用运动台调整被测件的位置，使得被测件的球心移动到第一焦点(O1)，所述第一焦点由所述参考透镜的焦点(O)被调整后的第一平面反射镜和第二平面反射镜反射形成，然后利用控制机构控制干涉仪测量外环第1个子孔径的面形；
步骤(4)：根据控制机构发出的控制信号利用运动台使得被测件绕垂直于运动台所在平面的方向依次转动外环相邻子孔径的夹角，并利用控制机构控制干涉仪依次测量外环子孔径的面形，直到外环所有的子孔径被测量完为止。
9.根据权利要求8所述的拼接测量方法，其特征在于，在步骤(3)中，第一平面反射镜和第二平面反射镜之间的夹角被调整成第二角度(θy/2)，并且所述第二角度是所述第一角度的一半。
10.根据权利要求9所述的拼接测量方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述第一平面反射镜被调整成靠近所述参考透镜的焦点并垂直于从所述参考透镜射出的边缘光线。
11.根据权利要求10所述的拼接测量方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述第二平面反射镜被调整成能够将经所述第一平面反射镜反射的全部光线反射到待测件上。
12.根据权利要求11所述的拼接测量方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述第二平面反射镜被调整成不阻挡测量光束射出到所述第一平面反射镜上。
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