一種旋轉(zhuǎn)對(duì)稱未知非球面面形誤差的測(cè)量方法及其測(cè)量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域，特別提供了一種旋轉(zhuǎn)對(duì)稱未知非球面面形誤差的測(cè)量 方法及其測(cè)量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡及反射鏡，曲面形式多數(shù)為平面和球面，原因是運(yùn)些簡(jiǎn)單形 式的曲面加工、檢測(cè)容易，能夠做到批量化生產(chǎn)，也容易達(dá)到高精度的面形要求，尤其是各 種高精度面形檢測(cè)干設(shè)儀的出現(xiàn)大大降低了高精度平面和球面面形檢測(cè)的難度。盡管如 此，在某些高精度成像系統(tǒng)中，如光刻物鏡及核聚變系統(tǒng)，僅僅使用平面和球面鏡難W達(dá)到 預(yù)期的成像質(zhì)量，然而非球面鏡的引入成功解決了運(yùn)一問(wèn)題，而且非球面的應(yīng)用增加了非 球面設(shè)計(jì)的自由度，對(duì)改善光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，提高光學(xué)性能，減小外形尺寸和重量幾方 面起著重要作用。采用非球面技術(shù)設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)，可消除球差、慧差、象散、場(chǎng)曲，減小光 能損失，從而獲得高質(zhì)量的成像和高品質(zhì)的光學(xué)特性。然而，非球面的加工和檢測(cè)都要比球 面困難很多，運(yùn)是因?yàn)?球面有無(wú)數(shù)個(gè)對(duì)稱軸，而非球面只有一個(gè)，所W非球面不能采用球 面加工時(shí)的方法加工;非球面各環(huán)帶的曲率半徑不同，在拋光時(shí)難W修正。目前，非球面檢 測(cè)的主要方法是輪廓法和干設(shè)法。
[0003] 干設(shè)測(cè)量法是測(cè)量光學(xué)元件的重要方法，既能實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量，又不會(huì)對(duì)待測(cè)面 產(chǎn)生損傷，比較典型的測(cè)量?jī)x器如巧go公司的Fizeau干設(shè)儀。但是運(yùn)種干設(shè)儀要實(shí)現(xiàn)對(duì)非 球面的測(cè)量，需要特殊的方法或裝置。在干設(shè)測(cè)量法中常用的測(cè)量方法有無(wú)像差點(diǎn)法、補(bǔ)償 鏡法、計(jì)算全息圖法、環(huán)帶拼接法、子孔徑拼接法、長(zhǎng)波長(zhǎng)法等。雖然運(yùn)些方法均能實(shí)現(xiàn)高精 度測(cè)量，但是前提是必須知道非球面的所有幾何參數(shù)，且補(bǔ)償鏡法、計(jì)算全息圖法所使用的 補(bǔ)償裝置只能針對(duì)一種非球面，無(wú)像差點(diǎn)法只針對(duì)二次曲面。
[0004] 輪廓測(cè)量法采用接觸式或非接觸式的測(cè)量方式，直接測(cè)量非球面的矢高，然后利 用非球面方程，減去理想非球面的輪廓線，從而得到非球面的面形輪廓線。接觸式測(cè)量?jī)x器 的典型代表有化rm Talysurf，采用探針直接與非球面接觸，通過(guò)橫向移動(dòng)探針，并記錄探 針的高度變化，從而獲得非球面的輪廓，運(yùn)種設(shè)備存在測(cè)量行程與測(cè)量精度矛盾的特點(diǎn)，且 容易劃傷被測(cè)表面;Ξ坐標(biāo)測(cè)量機(jī)也是接觸式測(cè)量?jī)x器，通過(guò)對(duì)空間坐標(biāo)的測(cè)量，可W獲得 被測(cè)表面的外形輪廓，典型的如ZEISS的MICURA，運(yùn)種設(shè)備測(cè)量范圍大，但是測(cè)量精度相對(duì) 較低，且容易對(duì)被測(cè)表面造成損傷。
[0005] 因此，如何研發(fā)一種在完全未知被測(cè)面的幾何參數(shù)的情況下，實(shí)現(xiàn)無(wú)損傷檢測(cè)，成 為人們亟待解決的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種旋轉(zhuǎn)對(duì)稱未知非球面面形誤差的測(cè)量方法及 其測(cè)量裝置，W至少解決W往在非球面測(cè)量過(guò)程中需要已知非球面對(duì)應(yīng)的幾何參數(shù)，W及 測(cè)量方法精度不高，對(duì)待測(cè)非球面造成損傷等問(wèn)題。
[0007] 本發(fā)明一方面提供了一種旋轉(zhuǎn)對(duì)稱未知非球面面形誤差的測(cè)量方法，其特征在 于，包括W下步驟：
[0008] 使用干設(shè)儀沿待測(cè)非球面表面一經(jīng)線方向進(jìn)行逐點(diǎn)掃描采樣，獲得一組關(guān)于待測(cè) 非球面空間坐標(biāo)的數(shù)組L(x，z，t)，其中，所述數(shù)組L(x，z，t)中包含待測(cè)非球面的頂點(diǎn)空間 坐標(biāo)；
[0009] 依據(jù)所述數(shù)組L(x，z，t)，利用最小二乘擬合法計(jì)算獲得所述待測(cè)非球面的頂點(diǎn)曲 率半徑Ro、二次項(xiàng)系數(shù)K和高次項(xiàng)系數(shù)An;
[0010] 依據(jù)所述待測(cè)非球面的頂點(diǎn)曲率半徑Ro、二次項(xiàng)系數(shù)K和高次項(xiàng)系數(shù)An,計(jì)算獲得 所述待測(cè)非球面的理想矢高面；
[0011] 使用干設(shè)儀對(duì)所述待測(cè)非球面整個(gè)表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描采樣，獲得所述待測(cè)非球面 的測(cè)量矢高面；
[0012] 將所述待測(cè)非球面的測(cè)量矢高面與所述待測(cè)非球面的理想矢高面進(jìn)行比較，獲得 所述待測(cè)非球面的面形誤差。
[0013] 優(yōu)選，依據(jù)所述數(shù)組L(x，z，t)，利用最小二乘擬合法計(jì)算獲得所述待測(cè)非球面的 頂點(diǎn)曲率半徑Ro、二次項(xiàng)系數(shù)K和高次項(xiàng)系數(shù)An步驟，具體為：
[0014] 將所述數(shù)組L(x，z，t)中各采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的X向和Z向值代入到公式(a)中，當(dāng)公式(a) 的值最小時(shí)，計(jì)算得到待測(cè)非球面相應(yīng)的頂點(diǎn)曲率半徑Ro、二次項(xiàng)系數(shù)K和高次項(xiàng)系數(shù)An;
[0015] 所述公式(a)具體為，
[0016]
[0017] 其中，N為采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，C = 1 /Ro為頂點(diǎn)曲率，Ro為頂點(diǎn)曲率半徑，K為二次項(xiàng)系數(shù)，Μ 為非球面系數(shù)的總階數(shù)，An為高次項(xiàng)系數(shù)。
[0018] 進(jìn)一步優(yōu)選，依據(jù)所述待測(cè)非球面的頂點(diǎn)曲率半徑Ro、二次項(xiàng)系數(shù)K和高次項(xiàng)系數(shù) An,計(jì)算獲得所述待測(cè)非球面的理想矢高面公式為：
[0019]
[0020] 其中，Z為非球面的矢高，c = l/Ro為頂點(diǎn)曲率，Ro為頂點(diǎn)曲率半徑，K為二次項(xiàng)系數(shù)， P為非球面的徑向坐標(biāo)，Μ為非球面系數(shù)的總階數(shù)，An為高次項(xiàng)系數(shù)。
[0021] 進(jìn)一步優(yōu)選，干設(shè)儀進(jìn)行掃描采樣過(guò)程中，干設(shè)儀的測(cè)量頭始終保持與待測(cè)非球 面垂直，且測(cè)量頭到待測(cè)非球面的距離保持恒定。
[0022] 進(jìn)一步優(yōu)選，所述測(cè)量頭到被測(cè)非球面的距離大于測(cè)量頭的焦距。
[0023] 本發(fā)明另一方面還提供了一種旋轉(zhuǎn)對(duì)稱未知非球面面形誤差的測(cè)量裝置，其特征 在于，包括：
[0024] 基座 1;
[0025] 龍口吊2,跨設(shè)于所述基座1的上方，其包括橫梁21和設(shè)置于所述橫梁21下方的支 架22;
[0026] 氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)3,位于所述龍口吊2的下方，安裝于所述基座1的上表面；
[0027] 調(diào)平調(diào)屯、工作臺(tái)4,固定安裝于所述氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)3的上方；
[0028] 二維運(yùn)動(dòng)臺(tái)5,與所述氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)3上表面垂直，固定安裝于所述基座1上；
[0029] T向旋轉(zhuǎn)臺(tái)6,垂直連接于所述二維運(yùn)動(dòng)臺(tái)5上；
[0030] X向參考測(cè)頭反射鏡7,固定設(shè)置于所述龍口吊2的一側(cè)支架22上；
[0031] Z向參考測(cè)頭反射鏡8,固定設(shè)置于所述龍口吊2的橫梁21上，且與所述X向參考測(cè) 頭反射鏡7垂直；
[0032] T向圓弧形反射鏡9,與所述二維運(yùn)動(dòng)臺(tái)5固定連接；
[0033] 多波長(zhǎng)干設(shè)儀10,其包括X向參考測(cè)頭1001、Z向參考測(cè)頭1002、Τ向參考測(cè)頭1003、 目標(biāo)測(cè)頭1004,其中，所述X向參考測(cè)頭1001和Ζ向參考測(cè)頭1002分別固定連接于所述Τ向圓 弧形反射鏡9的第一側(cè)壁901和第二側(cè)壁902上，且所述X向參考測(cè)頭1001與所述X向參考測(cè) 頭反射鏡7相對(duì)，所述Ζ向參考測(cè)頭1002與所述Ζ向參考測(cè)頭反射鏡8相對(duì)，所述Τ向參考測(cè)頭 1003和目標(biāo)測(cè)頭1004背向連接，且均與所述Τ向旋轉(zhuǎn)臺(tái)6固定連接，所述Τ向參考測(cè)頭1003與 所述Τ向圓弧形反射鏡9的內(nèi)弧面相對(duì)；
[0034] 主控計(jì)算機(jī)11，分別與所述氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)3、二維運(yùn)動(dòng)臺(tái)5、Τ向旋轉(zhuǎn)臺(tái)6和多波長(zhǎng)干設(shè)儀 10連接，用于控制所述氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)3、二維運(yùn)動(dòng)臺(tái)5和Τ向旋轉(zhuǎn)臺(tái)6的運(yùn)動(dòng)，接收所述波長(zhǎng)干設(shè)儀 10中X向參考測(cè)頭1001、Ζ向參考測(cè)頭1002和Τ向參考測(cè)頭1003發(fā)送的位置信息W及目標(biāo)測(cè) 頭1004發(fā)送的光強(qiáng)大小和與待測(cè)非球面15的距離量。
[0035] 優(yōu)選，所述基座1包括：
[0036] 大理石隔振臺(tái)101W及用于所述大理石隔振臺(tái)101支撐的氣浮隔振腿102。
[0037] 進(jìn)一步優(yōu)選，所述Τ向圓弧形反射鏡9為圓屯、角為120°的弧形鏡，且弧形