CN104359655A - 离轴抛物面镜焦距的检测装置与检测方法 - Google Patents

Abstract

一种离轴抛物面镜焦距的检测装置，由斐索干涉仪及其标准平面镜、五维调整架、补偿小球及其三维调整架、承托固定底板和三坐标测量机组成，标准平面镜是所述的斐索干涉仪的光束输出窗口，所述的五维调整架的顶面固定一基座，在该基座固定待测离轴抛物面镜和一辅助圆柱，所述的补偿小球及其三维调整架须放置于待测离轴抛物面镜的焦点处，以上所述的五维调整架及待测离轴抛物面镜、补偿小球及其三维调整架固定于所述承托固定底板上，所述的斐索干涉仪位于所述的基座摆放待测离轴抛物面镜的正上方，三坐标测量机在另外位置。本发明能够准确测量待测离轴抛物面的焦距，弥补了现有技术中的空白。

Description

离轴抛物面镜焦距的检测装置与检测方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，特别是一种基于斐索干涉仪的离轴抛物面镜焦距的检测装置与检测方法。

背景技术

光学元件的传统检测方法与技术已沿用了数十年。光学检测涉及被测元件材料、口径、种类以及测试技术、仪器和设备等。被测元件的种类繁多，包括有平行平板、球面、非球面、自由曲面、衍射光栅、锥镜、柱面透镜等，非球面中有特殊的非球面如抛物面、椭球面、双曲面和除此以外的其它非球面。光学检测中常用的主要仪器可分为干涉仪类、表面轮廓仪类、MTF测试仪类、精密球径仪类、焦距与偏心测试仪器类及其它仪器等。

国内外都在研制和发展各自的先进仪器。国内以南京理工大学和成都太科公司为代表的干涉仪制造厂家，各类数字式干涉仪的产品口径有Φ25mm～Φ600mm；进口以美国Zygo公司为代表的从口径4″～32″的各类干涉仪；Zygo公司以3D干涉显微镜为基本原理发展的非接触式表面轮廓仪，从早期的Maxim 3D 5700到现代最新的Zemapper System等；英国Tayloy-Hobson触针式轮廓仪；满足实际需求的三坐标测量仪、4D干涉仪等。

然而，在光学检测仪器和技术应用上，仍存在很多问题和不足。目前，尚未有关于离轴抛物面焦距快速检测的方法或装置。现有检测仪器如Zygo干涉仪、牛顿干涉仪、4D干涉仪、Tayloy-Hobson等均无法直接检测离轴抛物面焦距。

申请人于2013年申请的专利“一种离轴椭球面镜的检测装置及其检测方法”(申请号：201310422011.4)中记载的是一种用于检测离轴椭球面的面型的装置，无法实现对离轴抛物面镜的焦距测量。

发明内容

本发明的目的是以克服目前对离轴抛物面焦距进行检测的困难，提供一种基于斐索干涉仪和三坐标测量机的离轴抛物面焦距的检测装置及其检测方法，通过引进辅助圆柱和把被测离轴抛物面镜、调节装置一种固定在承托固定板后，通过三坐标机实现测离轴抛物面镜的焦距。

本发明的技术解决方案如下：

一种离轴抛物面镜焦距的检测装置，其特点在于，该装置由斐索干涉仪及其标准平面镜、五维调整架、补偿小球及其三维调整架、辅助圆柱、承托固定底板和三坐标测量机组成；

所述的标准平面镜是所述的斐索干涉仪的光束输出窗口；

所述的五维调整架的顶面固定有一基座，在该基座一端固定有待测离轴抛物面镜，另一端设有与该待测离轴抛物面镜具有同一曲面的辅助圆柱；

所述的五维调整架、补偿小球及其三维调整架固定在承托固定底板上，所述的斐索干涉仪位于所述的基座摆放待测离轴抛物面镜的正上方。

所述的辅助圆柱的直径为5-15mm。

所述的三维调整架具有X、Y、Z三维，所述的五维调整架具有X、Y、Z、Tip&Tilt五维。

所述的待测离轴抛物面镜为凹面镜。

一种利用所述的离轴抛物面镜焦距的检测装置检测待测离轴抛物面镜焦距的方法，其特点在于，该方法包括下列步骤：

①根据待测离轴抛物面镜的尺寸，选择合适的标准平面镜安装到所述的斐索干涉仪上，标准平面镜的选择以最大限度利用斐索干涉仪的出射光能，即确保斐索干涉仪的出射光全部照射在该待测离轴抛物面镜上；

②将待测离轴抛物面镜和辅助圆柱固定在五维调整架上；

③将五维调整架、补偿小球及其三维调整架粗略固定在承托固定底板上，使补偿小球的球心到辅助圆柱的表面中心点的距离与待测离轴抛物面镜的理论焦距相等；

④调整五维调整架，使基座的上表面处于水平，开启所述的斐索干涉仪，该斐索干涉仪发出的光束经所述的标准球面镜全部照射在基座上的待测离轴抛物面镜；

调整五维调整架的高度，使斐索干涉仪发出的光束的中心高度和待测离轴抛物面镜与光路垂直方向的中心高度一致；

⑤通过对三维调整架、五维调整架的调整使补偿小球的球心置于待测离轴抛物面镜的焦点的位置上；

⑥所述的斐索干涉仪上即得到待测离轴抛物面镜的面型；

⑦将承托固定底板及其上面固定的待测离轴抛物面镜、五维调整架、补偿小球与三维调整架整体放在三坐标测量机，测量得到的待测离轴抛物面镜的顶点到补偿小球的球心距离即待测离轴抛物面镜的实际焦距。

所述的待测离轴抛物面镜和辅助圆柱的加工方法如下：

在待测离轴抛物面镜的理论顶点处放置一块以该待测离轴抛物面镜顶点的法线为旋转轴的、直径为5-15mm、其中一个截面与被测离轴抛物面镜的抛物面为同一抛物面的辅助圆柱，与待测离轴抛物面镜一同加工，由加工设备确保这一辅助柱体的截面与待测离轴抛物面为同一抛物面，同时确保该辅助圆柱的轴与该待测离轴抛物面镜的法线重合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是能够快速准确地测量待测离轴抛物面的焦距，满足客户的需求。

附图说明

图1是本发明离轴抛物面镜焦距的检测装置的结构示意图。

图2是本发明离轴抛物面镜的检测装置的光路图。

图3是补偿小球及其三维调整架和待测离轴抛物面镜的正视图。

图4是五维调整架的侧视图。

图5是被测离轴抛物面的三视图，(a)为正视图，(b)为右视图，(c)为俯视图。

图6是在三坐标测量机上测量的示意图。

图中：1—斐索干涉仪，2—标准平面镜，3—待测离轴抛物面镜，4—补偿小球，5—三维调整架，6—五维调整架，7—承托固定底板，8—三坐标测量机，9—辅助圆柱，10—斐索干涉仪发出的平行单色光，11—经标准平面镜透射的光线，12—经待测离轴抛物面镜反射的光线，13—经补偿小球反射的光线，14—经待测离轴抛物面镜再次反射的光线，15—经标准平面镜表面折射回斐索干涉仪的光线，A—标准球面镜的内反射面，A’—标准球面镜的外表面，B—待测离轴抛物面镜，C—辅助圆柱的表面，O—辅助圆柱的中心点(抛物面顶点)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请先参阅图1，图1是本发明离轴抛物面镜焦距的检测装置的结构示意图，如图所示，一种离轴抛物面镜焦距的检测装置，由斐索干涉仪1及其标准平面镜2、辅助圆柱9、五维调整架6、补偿小球4及其三维调整架5、三坐标测量机8组成，标准平面镜2是所述的斐索干涉仪1的光束输出窗口，所述的五维调整架6的顶面固定一基座，在该基座的一端固定所述的三维调整架5，另一端供待测离轴抛物面镜3和辅助圆柱9摆放，所述的斐索干涉仪1位于所述的基座摆放待测离轴椭球面镜的正上方。

1、斐索干涉仪：用一个经过很好校正的物镜准直从针孔发出的光。在准直物镜与针孔(空间滤波器)之间放置一个分光镜，以便从侧面观察干涉条纹。斐索干涉仪发出的光为平行单色光。

2、集成的待测离轴抛物面镜、辅助圆柱及五维调整架与补偿小球及三维调整架。

图2是本发明离轴抛物面镜的检测装置的光路图，标准平面镜的内反射A面作为参考平面，待测离轴抛物面B作为待测球面。根据平行的平面光波经过待测离轴抛物面镜后会聚在焦点的性质来确定补偿小球与待测离轴抛物面镜的相对距离，并通过对三维调整架和五维调整架的反复调整以找到补偿小球的位置，使待测离轴抛物面镜的面型最小，此时小球球心的位置就是焦点位置。

标准球面镜的内反射面A作为参考平面，其面型精度是小于λ/20，待测离轴抛物面B是经单点金刚石车床加工而成的离轴抛物面作为被测面，C面与B面是同时经单点金刚石车床加工而成的含抛物面顶点的在轴抛物面。本发明装置光路图如图2所示。斐索干涉仪发出的平行单色光10入射到标准透射平面后，一部分光被标准球面镜的内反射面A反射，该反射光线携带标准球面波信息。另一部分光经标准球面镜的内反射面A透射(称为光线11)后平行入射到待测离轴抛物面B。根据抛物面的光学性质：平行光线经抛物面后汇聚于抛物面的焦点F，在F点的位置上放置补偿小球，小球的面型精度优于λ/10。光线经待测离轴抛物面镜反射(称为光线12)汇聚成的焦点与小球的球心点重合，光线经过小球球面按原路反射(称为光线13)回到待测离轴抛物面，再次经过抛物面反射(称为光线14)平行出射到标准平面镜的外表面A’，经标准球面镜的外表面A’折射(称为光线15)回到干涉仪中。平行单色光10经标准球面镜的内反射面A的反射光线与光线15满足频率相同、振动方向一致、相位差恒定三个条件，从而发生干涉现象，产生干涉条纹。通过斐索干涉仪观察干涉条纹并对干涉条纹进行分析从而得出离轴抛物面表面的面型测量结果，从而确定了补偿小球的位置。

斐索干涉仪是一种比较常用的等厚干涉仪，主要用于检验平面或球面面型。单色光源所发出的光被透镜会聚在圆孔光阑上，光阑位于准直物镜的焦平面上。从准直物镜出射的平行光束，在带有楔度的参考平面的下平面和被测平面的上平面反射回来，再通过准直物镜和物镜在目镜的焦平面上形成圆孔光阑的小孔的两个像。调整被测零件所在的工作台，使两个像重合。如果用望远放大镜代替目镜，就可以在被测平面看到等厚干涉条纹。利用上述斐索干涉仪的工作原理，在本发明装置中，平行单色光10经标准球面镜的外表面A的反射光线与光线15发生相干叠加，产生干涉条纹，并在斐索干涉仪中观察干涉条纹，点击斐索干涉仪的测量键可以得到面型的结果。当调整到面型最小时的补偿小球的球心位置就是抛物面焦点的位置。

将包含确定了补偿小球球心位置及待测离轴抛物面镜与辅助圆柱的整个承托固定底板放置到三坐标测量机上，可以测量出小球的球心位置和辅助圆柱的上抛物面顶点的位置，两个位置间的距离即焦距可以直接由三坐标测量机给出。

Claims (4)

1.一种离轴抛物面镜焦距的检测装置，其特征在于，该装置由斐索干涉仪(1)及其标准平面镜(2)、五维调整架(6)、补偿小球(4)及其三维调整架(5)、辅助圆柱(9)、承托固定底板(7)和三坐标测量机(8)组成；

所述的标准平面镜(2)是所述的斐索干涉仪(1)的光束输出窗口；

所述的五维调整架(6)的顶面固定有一基座，在该基座一端固定有待测离轴抛物面镜(3)，另一端设有与该待测离轴抛物面镜具有同一曲面的辅助圆柱(9)；

所述的五维调整架(6)、补偿小球(4)及其三维调整架(5)固定在承托固定底板(7)上，所述的斐索干涉仪(1)位于所述的基座摆放待测离轴抛物面镜的正上方。

2.根据权利要求1所述的离轴抛物面镜焦距的检测装置，其特征在于，所述的辅助圆柱(9)的直径为5-15mm。

3.一种利用权利要求1所述的离轴抛物面镜焦距的检测装置检测待测离轴抛物面镜焦距的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

①根据待测离轴抛物面镜的尺寸，选择合适的标准平面镜安装到所述的斐索干涉仪上，标准平面镜的选择以最大限度利用斐索干涉仪的出射光能，即确保斐索干涉仪的出射光全部照射在该待测离轴抛物面镜上；

②将待测离轴抛物面镜(3)和辅助圆柱(9)固定在五维调整架(5)上；

③将五维调整架(6)、补偿小球(4)及其三维调整架(5)粗略固定在承托固定底板(7)上，使补偿小球(4)的球心到辅助圆柱(9)的表面中心点的距离与待测离轴抛物面镜(3)的理论焦距相等；

④调整五维调整架(6)，使基座的上表面处于水平，开启所述的斐索干涉仪，该斐索干涉仪发出的光束经所述的标准球面镜全部照射在基座上的待测离轴抛物面镜(3)；

调整五维调整架(6)的高度，使斐索干涉仪发出的光束的中心高度和待测离轴抛物面镜(3)与光路垂直方向的中心高度一致；

⑤通过对三维调整架(5)、五维调整架(6)的调整使补偿小球(4)的球心置于待测离轴抛物面镜的焦点(F)的位置上；

⑥所述的斐索干涉仪上即得到待测离轴抛物面镜的面型；

⑦将承托固定底板(7)及其上面固定的待测离轴抛物面镜(3)、五维调整架(6)、补偿小球(4)与三维调整架(5)整体放在三坐标测量机，测量得到的待测离轴抛物面镜(3)的顶点到补偿小球(4)的球心距离即待测离轴抛物面镜的实际焦距。

4.根据权利要求3所述的检测待测离轴抛物面镜焦距的方法，其特征在于，所述的待测离轴抛物面镜(3)和辅助圆柱(9)的加工方法如下：

在待测离轴抛物面镜(3)的理论顶点处放置一块以该待测离轴抛物面镜顶点的法线为旋转轴的、直径为5-15mm、其中一个截面与被测离轴抛物面镜的抛物面为同一抛物面的辅助圆柱(9)，与待测离轴抛物面镜一同加工，由加工设备确保这一辅助柱体的截面与待测离轴抛物面为同一抛物面，同时确保该辅助圆柱(9)的轴与该待测离轴抛物面镜的法线重合。