離軸拋物面鏡焦距的檢測(cè)裝置與檢測(cè)方法
【專利摘要】一種離軸拋物面鏡焦距的檢測(cè)裝置，由斐索干涉儀及其標(biāo)準(zhǔn)平面鏡、五維調(diào)整架、補(bǔ)償小球及其三維調(diào)整架、承托固定底板和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)組成，標(biāo)準(zhǔn)平面鏡是所述的斐索干涉儀的光束輸出窗口，所述的五維調(diào)整架的頂面固定一基座，在該基座固定待測(cè)離軸拋物面鏡和一輔助圓柱，所述的補(bǔ)償小球及其三維調(diào)整架須放置于待測(cè)離軸拋物面鏡的焦點(diǎn)處，以上所述的五維調(diào)整架及待測(cè)離軸拋物面鏡、補(bǔ)償小球及其三維調(diào)整架固定于所述承托固定底板上，所述的斐索干涉儀位于所述的基座擺放待測(cè)離軸拋物面鏡的正上方，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)在另外位置。本發(fā)明能夠準(zhǔn)確測(cè)量待測(cè)離軸拋物面的焦距，彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)中的空白。
【專利說(shuō)明】離軸拋物面鏡焦距的檢測(cè)裝置與檢測(cè)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種基于斐索干涉儀的離軸拋物面鏡焦距的檢測(cè)裝置與檢測(cè)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]光學(xué)元件的傳統(tǒng)檢測(cè)方法與技術(shù)已沿用了數(shù)十年。光學(xué)檢測(cè)涉及被測(cè)元件材料、口徑、種類以及測(cè)試技術(shù)、儀器和設(shè)備等。被測(cè)元件的種類繁多，包括有平行平板、球面、非球面、自由曲面、衍射光柵、錐鏡、柱面透鏡等，非球面中有特殊的非球面如拋物面、橢球面、雙曲面和除此以外的其它非球面。光學(xué)檢測(cè)中常用的主要儀器可分為干涉儀類、表面輪廓儀類、MTF測(cè)試儀類、精密球徑儀類、焦距與偏心測(cè)試儀器類及其它儀器等。
[0003]國(guó)內(nèi)外都在研制和發(fā)展各自的先進(jìn)儀器。國(guó)內(nèi)以南京理工大學(xué)和成都太科公司為代表的干涉儀制造廠家，各類數(shù)字式干涉儀的產(chǎn)品口徑有Φ25_?Φ600_;進(jìn)口以美國(guó)Zygo公司為代表的從口徑4"?32"的各類干涉儀；Zygo公司以3D干涉顯微鏡為基本原理發(fā)展的非接觸式表面輪廓儀，從早期的Maxim 3D 5700到現(xiàn)代最新的Zemapper System等；英國(guó)Tayloy-Hobson觸針式輪廓儀；滿足實(shí)際需求的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、4D干涉儀等。
[0004]然而，在光學(xué)檢測(cè)儀器和技術(shù)應(yīng)用上，仍存在很多問(wèn)題和不足。目前，尚未有關(guān)于離軸拋物面焦距快速檢測(cè)的方法或裝置?，F(xiàn)有檢測(cè)儀器如Zygo干涉儀、牛頓干涉儀、4D干涉儀、Tayloy-Hobson等均無(wú)法直接檢測(cè)離軸拋物面焦距。
[0005] 申請(qǐng)人:于2013年申請(qǐng)的專利“一種離軸橢球面鏡的檢測(cè)裝置及其檢測(cè)方法”(申請(qǐng)?zhí)?201310422011.4)中記載的是一種用于檢測(cè)離軸橢球面的面型的裝置，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)離軸拋物面鏡的焦距測(cè)量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是以克服目前對(duì)離軸拋物面焦距進(jìn)行檢測(cè)的困難，提供一種基于斐索干涉儀和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的離軸拋物面焦距的檢測(cè)裝置及其檢測(cè)方法，通過(guò)引進(jìn)輔助圓柱和把被測(cè)離軸拋物面鏡、調(diào)節(jié)裝置一種固定在承托固定板后，通過(guò)三坐標(biāo)機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)離軸拋物面鏡的焦距。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0008]一種離軸拋物面鏡焦距的檢測(cè)裝置，其特點(diǎn)在于，該裝置由斐索干涉儀及其標(biāo)準(zhǔn)平面鏡、五維調(diào)整架、補(bǔ)償小球及其三維調(diào)整架、輔助圓柱、承托固定底板和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)組成；
[0009]所述的標(biāo)準(zhǔn)平面鏡是所述的斐索干涉儀的光束輸出窗口 ；
[0010]所述的五維調(diào)整架的頂面固定有一基座，在該基座一端固定有待測(cè)離軸拋物面鏡，另一端設(shè)有與該待測(cè)離軸拋物面鏡具有同一曲面的輔助圓柱；
[0011]所述的五維調(diào)整架、補(bǔ)償小球及其三維調(diào)整架固定在承托固定底板上，所述的斐索干涉儀位于所述的基座擺放待測(cè)離軸拋物面鏡的正上方。
[0012]所述的輔助圓柱的直徑為5_15mm。
[0013]所述的三維調(diào)整架具有X、Y、Z三維，所述的五維調(diào)整架具有X、Y、Z、Tip&Tilt五維。
[0014]所述的待測(cè)離軸拋物面鏡為凹面鏡。
[0015]一種利用所述的離軸拋物面鏡焦距的檢測(cè)裝置檢測(cè)待測(cè)離軸拋物面鏡焦距的方法，其特點(diǎn)在于，該方法包括下列步驟:
[0016]①根據(jù)待測(cè)離軸拋物面鏡的尺寸，選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)平面鏡安裝到所述的斐索干涉儀上，標(biāo)準(zhǔn)平面鏡的選擇以最大限度利用斐索干涉儀的出射光能，即確保斐索干涉儀的出射光全部照射在該待測(cè)離軸拋物面鏡上；
[0017]②將待測(cè)離軸拋物面鏡和輔助圓柱固定在五維調(diào)整架上；
[0018]③將五維調(diào)整架、補(bǔ)償小球及其三維調(diào)整架粗略固定在承托固定底板上，使補(bǔ)償小球的球心到輔助圓柱的表面中心點(diǎn)的距離與待測(cè)離軸拋物面鏡的理論焦距相等；
[0019]④調(diào)整五維調(diào)整架，使基座的上表面處于水平，開啟所述的斐索干涉儀，該斐索干涉儀發(fā)出的光束經(jīng)所述的標(biāo)準(zhǔn)球面鏡全部照射在基座上的待測(cè)離軸拋物面鏡；
[0020]調(diào)整五維調(diào)整架的高度，使斐索干涉儀發(fā)出的光束的中心高度和待測(cè)離軸拋物面鏡與光路垂直方向的中心高度一致；
[0021]⑤通過(guò)對(duì)三維調(diào)整架、五維調(diào)整架的調(diào)整使補(bǔ)償小球的球心置于待測(cè)離軸拋物面鏡的焦點(diǎn)的位置上；
[0022]⑥所述的斐索干涉儀上即得到待測(cè)離軸拋物面鏡的面型；
[0023]⑦將承托固定底板及其上面固定的待測(cè)離軸拋物面鏡、五維調(diào)整架、補(bǔ)償小球與三維調(diào)整架整體放在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，測(cè)量得到的待測(cè)離軸拋物面鏡的頂點(diǎn)到補(bǔ)償小球的球心距離即待測(cè)離軸拋物面鏡的實(shí)際焦距。
[0024]所述的待測(cè)離軸拋物面鏡和輔助圓柱的加工方法如下:
[0025]在待測(cè)離軸拋物面鏡的理論頂點(diǎn)處放置一塊以該待測(cè)離軸拋物面鏡頂點(diǎn)的法線為旋轉(zhuǎn)軸的、直徑為5-15mm、其中一個(gè)截面與被測(cè)離軸拋物面鏡的拋物面為同一拋物面的輔助圓柱，與待測(cè)離軸拋物面鏡一同加工，由加工設(shè)備確保這一輔助柱體的截面與待測(cè)離軸拋物面為同一拋物面，同時(shí)確保該輔助圓柱的軸與該待測(cè)離軸拋物面鏡的法線重合。
[0026]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是能夠快速準(zhǔn)確地測(cè)量待測(cè)離軸拋物面的焦距，滿足客戶的需求。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1是本發(fā)明離軸拋物面鏡焦距的檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖2是本發(fā)明離軸拋物面鏡的檢測(cè)裝置的光路圖。
[0029]圖3是補(bǔ)償小球及其三維調(diào)整架和待測(cè)離軸拋物面鏡的正視圖。
[0030]圖4是五維調(diào)整架的側(cè)視圖。
[0031]圖5是被測(cè)離軸拋物面的三視圖，(a)為正視圖，(b)為右視圖，(C)為俯視圖。
[0032]圖6是在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上測(cè)量的示意圖。
[0033]圖中:I一斐索干涉儀，2—標(biāo)準(zhǔn)平面鏡，3—待測(cè)離軸拋物面鏡，4一補(bǔ)償小球，5-二維調(diào)整架，6—五維調(diào)整架,7一承托固定底板，8一二坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，9一輔助圓柱，10一斐索干涉儀發(fā)出的平行單色光，11 一經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)平面鏡透射的光線，12—經(jīng)待測(cè)離軸拋物面鏡反射的光線，13—經(jīng)補(bǔ)償小球反射的光線，14 一經(jīng)待測(cè)離軸拋物面鏡再次反射的光線，15—經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)平面鏡表面折射回斐索干涉儀的光線，A—標(biāo)準(zhǔn)球面鏡的內(nèi)反射面，A’一標(biāo)準(zhǔn)球面鏡的外表面，B—待測(cè)離軸拋物面鏡，C一輔助圓柱的表面，O—輔助圓柱的中心點(diǎn)(拋物面頂點(diǎn))。

【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0035]請(qǐng)先參閱圖1，圖1是本發(fā)明離軸拋物面鏡焦距的檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，一種離軸拋物面鏡焦距的檢測(cè)裝置，由斐索干涉儀I及其標(biāo)準(zhǔn)平面鏡2、輔助圓柱9、五維調(diào)整架6、補(bǔ)償小球4及其三維調(diào)整架5、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)8組成，標(biāo)準(zhǔn)平面鏡2是所述的斐索干涉儀I的光束輸出窗口，所述的五維調(diào)整架6的頂面固定一基座,在該基座的一端固定所述的三維調(diào)整架5，另一端供待測(cè)離軸拋物面鏡3和輔助圓柱9擺放，所述的斐索干涉儀I位于所述的基座擺放待測(cè)離軸橢球面鏡的正上方。
[0036]1、斐索干涉儀:用一個(gè)經(jīng)過(guò)很好校正的物鏡準(zhǔn)直從針孔發(fā)出的光。在準(zhǔn)直物鏡與針孔(空間濾波器)之間放置一個(gè)分光鏡，以便從側(cè)面觀察干涉條紋。斐索干涉儀發(fā)出的光為平行單色光。
[0037]2、集成的待測(cè)離軸拋物面鏡、輔助圓柱及五維調(diào)整架與補(bǔ)償小球及三維調(diào)整架。
[0038]圖2是本發(fā)明離軸拋物面鏡的檢測(cè)裝置的光路圖，標(biāo)準(zhǔn)平面鏡的內(nèi)反射A面作為參考平面，待測(cè)離軸拋物面B作為待測(cè)球面。根據(jù)平行的平面光波經(jīng)過(guò)待測(cè)離軸拋物面鏡后會(huì)聚在焦點(diǎn)的性質(zhì)來(lái)確定補(bǔ)償小球與待測(cè)離軸拋物面鏡的相對(duì)距離，并通過(guò)對(duì)三維調(diào)整架和五維調(diào)整架的反復(fù)調(diào)整以找到補(bǔ)償小球的位置，使待測(cè)離軸拋物面鏡的面型最小，此時(shí)小球球心的位置就是焦點(diǎn)位置。
[0039]標(biāo)準(zhǔn)球面鏡的內(nèi)反射面A作為參考平面，其面型精度是小于λ/20，待測(cè)離軸拋物面B是經(jīng)單點(diǎn)金剛石車床加工而成的離軸拋物面作為被測(cè)面，C面與B面是同時(shí)經(jīng)單點(diǎn)金剛石車床加工而成的含拋物面頂點(diǎn)的在軸拋物面。本發(fā)明裝置光路圖如圖2所示。斐索干涉儀發(fā)出的平行單色光10入射到標(biāo)準(zhǔn)透射平面后，一部分光被標(biāo)準(zhǔn)球面鏡的內(nèi)反射面A反射，該反射光線攜帶標(biāo)準(zhǔn)球面波信息。另一部分光經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)球面鏡的內(nèi)反射面A透射(稱為光線11)后平行入射到待測(cè)離軸拋物面B。根據(jù)拋物面的光學(xué)性質(zhì):平行光線經(jīng)拋物面后匯聚于拋物面的焦點(diǎn)F，在F點(diǎn)的位置上放置補(bǔ)償小球，小球的面型精度優(yōu)于λ/10。光線經(jīng)待測(cè)離軸拋物面鏡反射(稱為光線12)匯聚成的焦點(diǎn)與小球的球心點(diǎn)重合，光線經(jīng)過(guò)小球球面按原路反射(稱為光線13)回到待測(cè)離軸拋物面，再次經(jīng)過(guò)拋物面反射(稱為光線14)平行出射到標(biāo)準(zhǔn)平面鏡的外表面Α’，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)球面鏡的外表面Α’折射(稱為光線15)回到干涉儀中。平行單色光10經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)球面鏡的內(nèi)反射面A的反射光線與光線15滿足頻率相同、振動(dòng)方向一致、相位差恒定三個(gè)條件，從而發(fā)生干涉現(xiàn)象，產(chǎn)生干涉條紋。通過(guò)斐索干涉儀觀察干涉條紋并對(duì)干涉條紋進(jìn)行分析從而得出離軸拋物面表面的面型測(cè)量結(jié)果，從而確定了補(bǔ)償小球的位置。
[0040]斐索干涉儀是一種比較常用的等厚干涉儀，主要用于檢驗(yàn)平面或球面面型。單色光源所發(fā)出的光被透鏡會(huì)聚在圓孔光闌上，光闌位于準(zhǔn)直物鏡的焦平面上。從準(zhǔn)直物鏡出射的平行光束，在帶有楔度的參考平面的下平面和被測(cè)平面的上平面反射回來(lái)，再通過(guò)準(zhǔn)直物鏡和物鏡在目鏡的焦平面上形成圓孔光闌的小孔的兩個(gè)像。調(diào)整被測(cè)零件所在的工作臺(tái)，使兩個(gè)像重合。如果用望遠(yuǎn)放大鏡代替目鏡，就可以在被測(cè)平面看到等厚干涉條紋。利用上述斐索干涉儀的工作原理，在本發(fā)明裝置中，平行單色光10經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)球面鏡的外表面A的反射光線與光線15發(fā)生相干疊加，產(chǎn)生干涉條紋，并在斐索干涉儀中觀察干涉條紋，點(diǎn)擊斐索干涉儀的測(cè)量鍵可以得到面型的結(jié)果。當(dāng)調(diào)整到面型最小時(shí)的補(bǔ)償小球的球心位置就是拋物面焦點(diǎn)的位置。
[0041]將包含確定了補(bǔ)償小球球心位置及待測(cè)離軸拋物面鏡與輔助圓柱的整個(gè)承托固定底板放置到三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上，可以測(cè)量出小球的球心位置和輔助圓柱的上拋物面頂點(diǎn)的位置，兩個(gè)位置間的距離即焦距可以直接由三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)給出。
【權(quán)利要求】
1.一種離軸拋物面鏡焦距的檢測(cè)裝置，其特征在于，該裝置由斐索干涉儀(1)及其標(biāo)準(zhǔn)平面鏡(2)、五維調(diào)整架￠)、補(bǔ)償小球(4)及其三維調(diào)整架(5)、輔助圓柱(9)、承托固定底板(7)和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(8)組成； 所述的標(biāo)準(zhǔn)平面鏡(2)是所述的斐索干涉儀(1)的光束輸出窗口 ； 所述的五維調(diào)整架￠)的頂面固定有一基座，在該基座一端固定有待測(cè)離軸拋物面鏡(3),另一端設(shè)有與該待測(cè)離軸拋物面鏡具有同一曲面的輔助圓柱(9)； 所述的五維調(diào)整架￠)、補(bǔ)償小球(4)及其三維調(diào)整架(5)固定在承托固定底板(7)上，所述的斐索干涉儀(1)位于所述的基座擺放待測(cè)離軸拋物面鏡的正上方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的離軸拋物面鏡焦距的檢測(cè)裝置，其特征在于，所述的輔助圓柱⑶的直徑為5-15111111。
3.一種利用權(quán)利要求1所述的離軸拋物面鏡焦距的檢測(cè)裝置檢測(cè)待測(cè)離軸拋物面鏡焦距的方法，其特征在于，該方法包括下列步驟: ①根據(jù)待測(cè)離軸拋物面鏡的尺寸，選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)平面鏡安裝到所述的斐索干涉儀上，標(biāo)準(zhǔn)平面鏡的選擇以最大限度利用斐索干涉儀的出射光能，即確保斐索干涉儀的出射光全部照射在該待測(cè)離軸拋物面鏡上； ②將待測(cè)離軸拋物面鏡(3)和輔助圓柱(9)固定在五維調(diào)整架(5)上； ③將五維調(diào)整架￠)、補(bǔ)償小球(4)及其三維調(diào)整架(5)粗略固定在承托固定底板(7)上，使補(bǔ)償小球(4)的球心到輔助圓柱(9)的表面中心點(diǎn)的距離與待測(cè)離軸拋物面鏡(3)的理論焦距相等； ④調(diào)整五維調(diào)整架(6)，使基座的上表面處于水平，開啟所述的斐索干涉儀，該斐索干涉儀發(fā)出的光束經(jīng)所述的標(biāo)準(zhǔn)球面鏡全部照射在基座上的待測(cè)離軸拋物面鏡(3)； 調(diào)整五維調(diào)整架￠)的高度，使斐索干涉儀發(fā)出的光束的中心高度和待測(cè)離軸拋物面鏡(3)與光路垂直方向的中心高度一致； ⑤通過(guò)對(duì)三維調(diào)整架(5)、五維調(diào)整架(6)的調(diào)整使補(bǔ)償小球(4)的球心置于待測(cè)離軸拋物面鏡的焦點(diǎn)(的的位置上； ⑥所述的斐索干涉儀上即得到待測(cè)離軸拋物面鏡的面型； ⑦將承托固定底板(7)及其上面固定的待測(cè)離軸拋物面鏡(3)、五維調(diào)整架￠)、補(bǔ)償小球(4)與三維調(diào)整架(5)整體放在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，測(cè)量得到的待測(cè)離軸拋物面鏡(3)的頂點(diǎn)到補(bǔ)償小球(4)的球心距離即待測(cè)離軸拋物面鏡的實(shí)際焦距。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的檢測(cè)待測(cè)離軸拋物面鏡焦距的方法，其特征在于，所述的待測(cè)離軸拋物面鏡(3)和輔助圓柱(9)的加工方法如下: 在待測(cè)離軸拋物面鏡(3)的理論頂點(diǎn)處放置一塊以該待測(cè)離軸拋物面鏡頂點(diǎn)的法線為旋轉(zhuǎn)軸的、直徑為5-15.、其中一個(gè)截面與被測(cè)離軸拋物面鏡的拋物面為同一拋物面的輔助圓柱(9)，與待測(cè)離軸拋物面鏡一同加工，由加工設(shè)備確保這一輔助柱體的截面與待測(cè)離軸拋物面為同一拋物面，同時(shí)確保該輔助圓柱(9)的軸與該待測(cè)離軸拋物面鏡的法線重口。
【文檔編號(hào)】G01M11/02GK104359655SQ201410620690
【公開日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年11月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月6日
【發(fā)明者】施麗敏 申請(qǐng)人:上海現(xiàn)代先進(jìn)超精密制造中心有限公司