CN105115444B - 一种离轴抛物面镜面形精度的检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种离轴抛物面镜面形精度的检测装置，由斐索干涉仪、标准球面镜、辅助凹球面柱、基座盘、五维调整架、标准平面镜、二维调整架、承托固定底板、第一底座以及第二底座组成；所述斐索干涉仪上安装有所述标准球面镜，所述标准球面镜是所述斐索干涉仪的光束输出窗口；所述基座盘位于所述斐索干涉仪的下方，所述基座盘上设有待测离轴抛物面镜和辅助凹球面柱；所述基座盘设于所述五维调整架顶面；所述标准平面镜设于所述二维调整架的底面；所述二维调整架位于所述待测离轴抛物面镜的上方。本发明的离轴抛物面镜面形精度的检测装置能够快速准确地测量离轴抛物面镜的面形精度。

Description

一种离轴抛物面镜面形精度的检测装置及检测方法

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面形精度的检测装置及检测方法。

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，比如使用轮廓仪无法得到整个面的面形精度，使用平面镜测量则受限于平面镜的大小。

目前，尚未有关于离轴抛物面镜面形精度的检测装置及方法。

发明内容

本发明的目的是以克服目前对离轴抛物面面形精度进行精确检测的困难，提供一种基于斐索干涉仪的离轴抛物面镜面形精度的检测装置及检测方法。

本发明的技术解决方案如下：

一种离轴抛物面镜面形精度的检测装置，该装置由斐索干涉仪、标准球面镜、辅助凹球面柱、基座盘、五维调整架、标准平面镜、二维调整架、承托固定底板、第一底座以及第二底座组成；

所述斐索干涉仪上安装有所述标准球面镜，所述标准球面镜是所述斐索干涉仪的光束输出窗口；

所述基座盘位于所述斐索干涉仪的下方，所述基座盘上设有待测离轴抛物面镜和辅助凹球面柱；

所述基座盘设于所述五维调整架顶面；

所述标准平面镜设于所述二维调整架的底面；

所述二维调整架位于所述待测离轴抛物面镜的上方；

所述五维调整架固定于所述承托固定底板上；

所述承托固定板设于所述第二底座上；

所述斐索干涉仪、二维调整架设于所述第一底座上。

所述基座盘呈圆形，所述辅助凹球面柱设于所述基座盘的中心处，所述待测离轴抛物面镜在所述基座盘的四周呈中心对称分布。

所述辅助凹球面柱的凹球面曲率半径与所述待测离轴抛物面镜的焦距相等。

所述凹球面的最低点与所述待测离轴抛物面镜的顶点重合。

所述辅助凹球面柱直径为20-50mm。

所述二维调整架具有Tip和Tilt二维调整。

所述五维调整架具有X、Y、Z、Tip和Tilt五维调整。

所述离轴抛物面镜为凹面镜。

一种利用上述检测装置检测离轴抛物面镜面形精度的方法，该方法包括如下步骤：

(1)根据待测离轴抛物面镜的f1数，选择匹配的标准球面镜安装到所述的斐索干涉仪上，选择方式如下：

f1数＝抛物面镜的焦距f/离轴抛物面镜的口径D，

口径D＝2*(离轴量+离轴抛物面镜的半径)

所选标准球面镜的f2数小于等于离轴抛物面镜的f1数即可，然后将待测离轴抛物面镜和辅助凹球面柱设于基座盘上；

(2)调整五维调整架使基座盘的上表面处于水平，开启所述斐索干涉仪，所述斐索干涉仪发出的光束经所述标准球面镜全部照射在所述基座盘上的待测离轴抛物面镜上；

(3)调整五维调整架的X方向，使标准球面镜的中心与所述辅助凹球面镜柱的中心的连线垂直于基座盘；

(4)调整五维调整架的Z方向，使待辅助凹球面柱的干涉图为零条纹，此时辅助凹球面柱的球心与标准球面镜的焦点F重合，此时所述的斐索干涉仪输出的球面波经过待测离轴抛物面镜反射后平行出射到标准平面镜上；

(5)调节二维调整架，使入射到标准平面镜的平行光原路返回到被测金属离轴抛物面上，光线经过待测离轴抛物面镜汇聚到焦点F，回到干涉仪中形成干涉条纹，即得到待测离轴抛物面镜的面形精度；

(6)转动所述基座盘，对盘中每一个离轴抛物面镜的面形精度进行测量。

所述待测离轴抛物面镜和辅助凹球面柱的加工方法如下：

在加工离轴抛物面镜时，在待测离轴抛物面镜的理论顶点处放置一块以抛物面顶点的法线为旋转轴的、直径20-50mm的、凹球面的曲率半径与待测离轴抛物面镜的抛物面焦距相同，并且其顶点位于中心的辅助凹球面柱，与待测离轴抛物面镜一同加工，同时加工设备确保辅助凹球面柱的最低点与抛物面顶点的重合。

本发明的有益效果是通过使用不同标准球面镜来测量不同尺寸的离轴抛物面镜，扩大了测量范围，并且能够快速准确地测量离轴抛物面镜的面形精度。

附图说明

图1为本发明离轴抛物面镜面形精度的检测装置的结构示意图；

图2为本发明离轴抛物面镜面形精度的检测装置的左视图；

图3为本发明离轴抛物面镜面形精度的检测装置的光路图；

图4为标准平面镜及其二维调整架的仰视图；

图5为待测离轴抛物面镜的三视图；其中，a为正视图，b为左视图，c为俯视图；

图6为基座盘包含辅助凹球面柱与待测离轴抛物面镜的俯视图及剖面图。

图中：1—斐索干涉仪，2—标准球面镜，3—待测离轴抛物面镜，4—辅助凹球面柱，5—标准平面镜，6—二维调整架，7—五维调整架，8—基座盘，9—承托固定底板，10—第一底座，101—第一基准面，11—第二底座，111—第二基准面；

100—斐索干涉仪发出的平行球面单色光，200—经标准球面镜透射的球面光线，300—经辅助凹球面柱反射的光线，400—经待测离轴抛物面镜反射的平行光线，500—经标准平面镜再次反射回的平行光线，600—经待测离轴抛物面镜再次反射汇聚的光线，700—经标准球面镜折射回干涉仪的光线；

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—辅助凹球面镜的表面，O—辅助凹球面的中心点(抛物面顶点)。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本实施例所述的待测离轴抛物面镜3为待测金属，除此以外的红外材料或塑料等可以经过SPDT加工的材料的离轴抛物面镜均可应用于本发明。

请参阅图1-6，一种离轴抛物面镜面形精度的检测装置，由斐索干涉仪1、标准球面镜2、辅助凹球面柱4、基座盘8、五维调整架7、标准平面镜5、二维调整架6、承托固定底板9、第一底座10以及第二底座11组成；

所述斐索干涉仪1上安装有所述标准球面镜2，所述标准球面镜2是所述斐索干涉仪1的光束输出窗口；所述基座盘8位于所述斐索干涉仪1的下方，所述基座盘8上设有待测离轴抛物面镜3和辅助凹球面柱4；所述基座盘8设于所述五维调整架7顶面；所述标准平面镜5设于所述二维调整架6的底面；所述二维调整架6位于所述待测离轴抛物面镜3的上方；所述五维调整架7固定于所述承托固定底板9上；所述承托固定板9设于所述第二底座11上；所述斐索干涉仪1、二维调整架6设于所述第一底座10上。

所述基座盘8呈圆形，所述辅助凹球面柱4设于所述基座盘8的中心处，所述待测离轴抛物面镜3在所述基座盘8的四周呈中心对称分布。

所述辅助凹球面柱4的凹球面曲率半径与所述待测离轴抛物面镜3的顶点曲率半径相等，且所述凹球面的最低点与所述待测离轴抛物面镜3的顶点重合。

所述辅助凹球面柱4的直径为20mm。

所述二维调整架6具有Tip和Tilt二维调整；五维调整架7具有X、Y、Z、Tip和Tilt五维调整。

图2是本发明离轴抛物面镜面形精度的检测装置的光路图，标准球面镜的内反射面A作为参考平面，其面形精度是小于λ/20，B是经单点金刚石车床加工而成的待测金属离轴抛物面镜的抛物面，C与B是同时经单点金刚石车床加工而成的凹球面与离轴抛物面，该凹球面的最低点O点为抛物面顶点，并且其曲率半径等于抛物面的焦距。

斐索干涉仪发出的平行球面单色光100入射到标准球面镜2后，一部分光被标准球面镜2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2的内反射面A透射(称为光线200)后，先汇聚到焦点F再发散入射到辅助凹球面镜的表面C和待测离轴抛物面B。根据抛物面的光学性质：焦点F发出的球面光波经抛物面后平行出射，平行光波经抛物面反射会聚到焦点F。为了将抛物面的光轴调整到与干涉仪的光轴平行，引入一辅助凹球面，该凹球面的曲率半径等于抛物面的焦距，并且该球面与抛物面一同加工，该辅助凹球面的中心点(抛物面顶点)O与抛物面的顶点重合。调整五维调整架的位置，使光线200经过辅助凹球面镜的表面C反射的光线300回到干涉仪中产生的干涉条纹为零条纹，此时抛物面的光轴即与干涉仪的光轴重合，辅助凹球面柱4的球心与标准球面镜2的焦点F重合。从F点发出的光波(仍然为光线200)经待测金属离轴抛物面镜反射(称为光线600)后平行出射(光线400)到标准平面镜5，然后调整标准平面镜5的二维调整架6，使得平行光(光线500)原路返回到待测金属离轴抛物面镜上，再次经过抛物面反射(光线600)汇聚到焦点F后继续发散入射到标准球面镜的外表面A’，经标准球面镜的外表面A’折射(光线700)回到干涉仪中。斐索干涉仪发出的平行球面单色光100经标准球面镜的内反射面A的反射光线与光线700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形精度测量结果。

本发明的离轴抛物面镜面形精度的检测方法，包括如下步骤：

(1)根据待测离轴抛物面镜3的f1数，选择匹配的标准球面镜安装到所述的斐索干涉仪上，具体选择方式如下：

例如：已知，离轴抛物面镜的半径＝50.8mm，离轴量＝20mm，焦距＝110mm

则，离轴抛物面镜的口径D＝2*(20+50.8)＝141.6mm

f1数＝抛物面镜的焦距f/离轴抛物面镜的口径D＝110/141.6＝0.777mm

所以，f2数＜f1数＝0.777mm

因此，所选标准球面镜的f2＝0.75mm，然后将待测离轴抛物面镜3和辅助凹球面柱4设于基座盘8上；

(2)调整五维调整架7使基座盘8的上表面处于水平，开启所述斐索干涉仪1，所述斐索干涉仪1发出的光束经所述标准球面镜2全部照射在所述基座盘8上的待测离轴抛物面镜3上；

(3)调整五维调整架7的X方向，使标准球面镜2的中心与所述辅助凹球面镜柱4的中心的连线垂直于基座盘(8)，即使斐索干涉仪1发出的光束中心到第一基准面(101)的距离h1与所述辅助凹球面镜柱4的中心到第二基准面(111)的距离h2一致；其中，第一基准面(101)和第二基准面(111)置于同一平面上，用于辅助定位测试装置；

(4)调整五维调整架7的Z方向，使待辅助凹球面柱4的干涉图为零条纹，此时辅助凹球面柱4的球心与标准球面镜2的焦点F重合，此时所述的斐索干涉仪1输出的球面波经过待测离轴抛物面3反射后平行出射到标准平面镜5上；

(5)调节二维调整架6，使入射到标准平面镜5的平行光原路返回到被测金属离轴抛物面3上，光线经过待测金属抛物面3汇聚到焦点F，回到干涉仪中形成干涉条纹，即得到待测离轴抛物面镜的面形精度；

(6)转动所述基座盘8，对盘中每一个离轴抛物面镜的面形精度进行测量。

其中，所述待测离轴抛物面镜3和辅助凹球面柱4的加工方法如下：首先，在加工离轴抛物面镜时，在待测离轴抛物面镜3的理论顶点处放置一块以抛物面顶点的法线为旋转轴的、直径20mm的、凹球面的曲率半径与待测离轴抛物面镜3的抛物面焦距相同，并且其顶点位于中心的辅助凹球面柱4，与待测离轴抛物面一同加工，同时加工设备确保辅助凹球面柱4的最低点与抛物面顶点的重合。

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形。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。调整待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，在本发明的装置中，斐索干涉仪发出的平行球面单色光100经标准球面镜的内反射面A的反射光线与携带了待测金属离轴抛物面B的信息的光线700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，即可测得待测金属离轴抛物面镜的面形精度。

虽然本发明已将较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明的内容，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明的主要精神和内容范围内，当可作各种更动与润饰，因此发明的保护范围应以申请专利的实际权利要求范围为准。

Claims (6)

1.一种离轴抛物面镜面形精度的检测装置，其特征在于，该装置由斐索干涉仪(1)、标准球面镜(2)、辅助凹球面柱(4)、基座盘(8)、五维调整架(7)、标准平面镜(5)、二维调整架(6)、承托固定底板(9)、第一底座(10)以及第二底座(11)组成；

所述斐索干涉仪(1)上安装有所述标准球面镜(2)，所述标准球面镜(2)是所述斐索干涉仪(1)的光束输出窗口；

所述基座盘(8)位于所述斐索干涉仪(1)的下方，所述基座盘(8)上设有待测离轴抛物面镜(3)和辅助凹球面柱(4)，所述基座盘(8)呈圆形，所述辅助凹球面柱(4)设于所述基座盘(8)的中心处，所述待测离轴抛物面镜(3)在所述基座盘(8)的四周呈中心对称分布，所述辅助凹球面柱(4)的凹球面曲率半径与所述待测离轴抛物面镜(3)的焦距相等，所述辅助凹球面柱(4)的最低点与所述待测离轴抛物面镜(3)的顶点重合；

所述基座盘(8)设于所述五维调整架(7)顶面；

所述标准平面镜(5)设于所述二维调整架(6)的底面；

所述二维调整架(6)位于所述待测离轴抛物面镜(3)的上方；

所述五维调整架(7)固定于所述承托固定底板(9)上；

所述承托固定板(9)设于所述第二底座(11)上；

所述斐索干涉仪(1)、二维调整架(6)设于所述第一底座(10)上。

2.根据权利要求1所述的一种离轴抛物面镜面形精度的检测装置，其特征在于：所述辅助凹球面柱(4)直径为20-50mm。

3.根据权利要求1所述的一种离轴抛物面镜面形精度的检测装置，其特征在于：所述二维调整架(6)具有Tip和Tilt二维调整。

4.根据权利要求1所述的一种离轴抛物面镜面形精度的检测装置，其特征在于：所述五维调整架(7)具有X、Y、Z、Tip和Tilt五维调整。

5.根据权利要求1所述的一种离轴抛物面镜面形精度的检测装置，其特征在于：所述离轴抛物面镜为凹面镜。

6.一种利用权利要求1-5任一项所述的检测装置检测离轴抛物面镜面形精度的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)根据待测离轴抛物面镜(3)的f1数，选择匹配的标准球面镜安装到所述的斐索干涉仪上，选择方式如下：

f1数＝抛物面镜的焦距f/离轴抛物面镜的口径D，

口径D＝2*(离轴量+离轴抛物面镜的半径)

所选标准球面镜的f2数小于等于离轴抛物面镜的f1数即可，然后将待测离轴抛物面镜(3)和辅助凹球面柱(4)设于基座盘(8)上；

(2)调整五维调整架(7)使基座盘(8)的上表面处于水平，开启所述斐索干涉仪(1)，所述斐索干涉仪(1)发出的光束照射在所述标准球面镜(2)以及所述基座盘(8)上的待测离轴抛物面镜(3)上；

(3)调整五维调整架(7)的X方向，使标准球面镜(2)的中心与所述辅助凹球面镜柱(4)的中心的连线垂直于基座盘(8)；

(4)调整五维调整架(7)的Z方向，使待辅助凹球面柱(4)的干涉图为零条纹，此时辅助凹球面柱(4)的球心与标准球面镜(2)的焦点F重合，此时所述的斐索干涉仪(1)输出的球面波经过待测离轴抛物面镜(3)反射后平行出射到标准平面镜(5)上；

(5)调节二维调整架(6)，使入射到标准平面镜(5)的平行光原路返回到被测金属离轴抛物面(3)上，光线经过待测离轴抛物面镜(3)汇聚到焦点F，回到干涉仪中形成干涉条纹，即得到待测离轴抛物面镜的面形精度；

(6)转动所述基座盘(8)，对盘中每一个离轴抛物面镜的面形精度进行测量。