一種光學(xué)元件偏心測量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種光學(xué)元件偏心測量裝置，包括升降支架、位移傳感器、力傳感器、待測光學(xué)元件、支撐單元、升降旋轉(zhuǎn)臺、基座及數(shù)據(jù)處理和控制單元；升降支架與升降旋轉(zhuǎn)臺的底面固定在基座上；待測光學(xué)元件放置于支撐單元中，并由力傳感器顯示每次測量時支撐力是否一致，由位移傳感器獲得某個方向上的失高值，然后由升降旋轉(zhuǎn)臺將待測光學(xué)元件升到一高度并旋轉(zhuǎn)一定角度后再降落回位，在力傳感器顯示同一數(shù)值后獲得該角度上的失高值，數(shù)據(jù)處理和控制單元對旋轉(zhuǎn)角度和力傳感器進行控制，在獲得多個方向上的一系列失高值后，由數(shù)據(jù)處理和控制單元計算出待測光學(xué)元件的偏心。
【專利說明】一種光學(xué)元件偏心測量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于先進光學(xué)制造與檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種光學(xué)檢測裝置，特別涉及一種大口徑高精度光學(xué)元件偏心檢測裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近些年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，當代科學(xué)技術(shù)面臨著一個難以逾越的難題一極端制造技術(shù)。在各種極端環(huán)境下，制造極端尺度或者極高功能的器件和功能系統(tǒng)，是現(xiàn)代高端科學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】的一個重要特征，具體表現(xiàn)之一就是在高清及高分辨率成像、光刻物鏡等諸多領(lǐng)域所使用的光學(xué)元件口徑越來越大，精度越來越高，其面形結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜。在一些光刻投影物鏡中，光學(xué)元件的口徑一般都大于Φ200_，偏心精度都要求控制在微米量級，這些高精度的光學(xué)元件的研制不僅需要相應(yīng)的加工技術(shù)，更需要相應(yīng)的檢測設(shè)備。這些高精度的檢測設(shè)備也是當前世界各國的光學(xué)加工制造業(yè)急需解決的重要難題之
[0003]加工過程的檢測不同于其他的檢測，它不要求全面，但要有效地指導(dǎo)下一步加工進行，檢測一次的時間應(yīng)盡可能短。應(yīng)知道主要誤差的大小、主要誤差的正負、主要誤差的位置；應(yīng)考慮到每次檢測的操作周期（包括準備、過程、得結(jié)論），力求省時。
[0004]由于高精度的光學(xué)元件在現(xiàn)在的工業(yè)、國防等領(lǐng)域具有非常重要的戰(zhàn)略地位，世界各國都先后開展了相應(yīng)的研究。但是，對于過程中的光學(xué)元件偏心檢測，將直接決定著最終產(chǎn)品的質(zhì)量和精度，出于技術(shù)封鎖和保密的角度，可以收集到的資料比較少。國外的OGURAKAZUYUKI等人提出了一種利用激光測量中心偏的方法（US201113640709)，這種方法是通過兩面的頂點來測量偏心率，并不能測量兩個面相對于外圓的偏心，并且只能測量透射的光學(xué)元件，對于加工過程中間非透明的毛面則無法使用此方法。
[0005]西安工業(yè)大學(xué)的杭棱俠提出一種利用激光管和四維調(diào)整架來進行一面為非球面透鏡的光學(xué)元件偏心測量（CN200720126321。I)，這種方與OGURA KAZUYUKI等人使用的方法沒有雙面實質(zhì)上的區(qū)別。深圳的吳承勛等人提出了一種利用齒裝結(jié)構(gòu)和偏心檢測器來進行透鏡偏心的測量裝置（CN200610062373。7)，這種方法利用齒狀結(jié)構(gòu)來進行透鏡外圓的定位，在一定程度上兼顧了外圓的誤差，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作不便，隨著齒狀裝置的磨損，誤差越來越大。
[0006]綜上所述，不同的國家及單位對光學(xué)元件的偏心檢測方法都各自不同，大致上可以分為兩大類。一類是利用激光測量的方法，通過表面頂點反射回來的光點偏差來測量偏心；一類是利通機械結(jié)構(gòu)來進行接觸式測量。前者實用范圍受限，對于非透射式的光學(xué)元件無法測量；后者則因具體的結(jié)構(gòu)方式不同而各自有其優(yōu)缺點。本發(fā)明基于物體的空間六個自由度的原理，采用測量系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)相分離的機構(gòu)，保證了測量精度的可靠性，并且可適用于任何材料的元件。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0007](一 )要解決的技術(shù)問題
[0008]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種任何材料的光學(xué)元件偏心的測量裝置，該系統(tǒng)利用簡單的檢測儀器實現(xiàn)了對未成型的球面、非球面幾何偏心的測量，從而對下一步的加工工藝進行指導(dǎo)，大大縮短其加工周期和提高工作效率。
[0009]( 二 )技術(shù)方案
[0010]本發(fā)明一種光學(xué)元件偏心測量裝置，包括:升降支架、位移傳感器、力傳感器、待測光學(xué)元件、支撐單元、升降旋轉(zhuǎn)臺、基座及數(shù)據(jù)處理和控制單元，其中:升降支架與升降旋轉(zhuǎn)臺底面固定在基座上；位移傳感器與力傳感器連接在升降支架的第一支臂和第二支臂上，沿著升降支架的絲杠上下調(diào)節(jié)位移傳感器和力傳感器到基座的高度；支撐單元具有多個支撐點、一個升降支撐點和一個測力支撐點，其中多個支撐點固定在基座上，升降支撐點連接在升降支架的第一支臂上，測力支撐點連接在升降支架的第二支臂上；待測光學(xué)元件放置于支撐單元的多個支撐點上，待測光學(xué)元件的下表面與在基座上的多個支撐點接觸，待測光學(xué)元件的側(cè)面和上表面與連接在升降支架上的升降支撐點和測力支撐點接觸；力傳感器與待測光學(xué)元件的側(cè)面接觸，力傳感器用于顯示并記錄力傳感器的初始示值；位移傳感器位于待測光學(xué)元件上面，用于測量和顯示待測光學(xué)元件上表面上某一點處失高值；數(shù)據(jù)處理和控制單元與位移傳感器連接，獲取并將待測光學(xué)元件上表面上某一點處失高值生成位移信號，用于控制位移傳感器的探測桿上升至高點；數(shù)據(jù)處理和控制單元與升降旋轉(zhuǎn)臺連接，獲取并將位移傳感器的探測桿上升至高點數(shù)據(jù)信息生成升降信號，用于控制升降旋轉(zhuǎn)臺上表面升起并托起待測光學(xué)元件離開支撐單元后連同測光學(xué)元件進行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)預(yù)定的角度后升降旋轉(zhuǎn)臺開始下降，直至測光學(xué)元件重新置于支撐單元的多個支撐點之中；數(shù)據(jù)處理和控制單元控制位移傳感器的探測桿開始下降，直至接觸到待測光學(xué)元件的上表面，當力傳感器示值與之前相同時，數(shù)據(jù)處理和控制單元通過位移傳感器獲得待測光學(xué)元件上在該角度上的失高值；數(shù)據(jù)處理和控制單元，獲取待測光學(xué)元件不同方向上的失高值，用于計算失高差，完成待測光學(xué)元件的偏心測量。
[0011](三)有益效果
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于:
[0013](1)本發(fā)明基于空間六個自由度的原理，采用五點支撐限制其五個自由度，另外一個自由度上的偏差即為該自由度相對于其它五個自由度上的偏差。
[0014](2)本發(fā)明采用了測量與旋轉(zhuǎn)相分離的結(jié)構(gòu)方式，即待測元件旋轉(zhuǎn)時脫離五點支撐，待測元件測量時脫離轉(zhuǎn)臺。這樣，就對轉(zhuǎn)臺毫無轉(zhuǎn)動精度要求，避免了支撐點因工件旋轉(zhuǎn)而受到磨損，導(dǎo)致測量產(chǎn)生誤差，同時大大降低了待測光學(xué)元件受到劃傷的可能性。
[0015](3)本發(fā)明特別適合加工過程中光學(xué)元件的偏心控制，對于具有一定形狀的待測光學(xué)鏡面，通過位移傳感器的讀數(shù)直接判斷所測量點處的高低，在做上表記后進行后期處理，此時，不用計算其偏心的具體數(shù)值而直接判斷表的傾斜方向，非常直觀，容易識別。
[0016]總之，本發(fā)明不需要復(fù)雜的機械裝置與定位裝置，采用動點與固定點相結(jié)合的方式，在降低了對機械裝置的精度要求的同時大大提高了系統(tǒng)的檢測精度，利用常規(guī)的檢測裝置實現(xiàn)了光學(xué)元件加工過程中偏心誤差的檢測與控制，操作簡短，使用方便，不僅適合未成型以及成型的光學(xué)元件偏心的測量，而且能夠?qū)ζ渲行暮竦膸缀螀?shù)進行測量?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明檢測系統(tǒng)構(gòu)成示意圖；
[0018]圖2為支撐單元結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0019]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。
[0020]如附圖1和圖2所示，本發(fā)明一種光學(xué)元件偏心測量裝置，包括:升降支架1、位移傳感器2、力傳感器3、待測光學(xué)元件4、支撐單元5、升降旋轉(zhuǎn)臺6、基座7及數(shù)據(jù)處理和控制單元(圖中為示出)；其中:升降支架1與升降旋轉(zhuǎn)臺6底面固定在基座7上；位移傳感器2與力傳感器3連接在升降支架1的第一支臂和第二支臂上，沿著升降支架1的絲杠上下調(diào)節(jié)位移傳感器2和力傳感器3到基座的高度；支撐單元5具有多個支撐點、一個升降支撐點和一個測力支撐點，其中多個支撐點固定在基座7上，升降支撐點連接在升降支架1的第一支臂上，測力支撐點連接在升降支架1的第二支臂上；待測光學(xué)元件4放置于支撐單元5的多個支撐點上，待測光學(xué)元件4的下表面與在基座7上的多個支撐點接觸，待測光學(xué)元件4的側(cè)面和上表面？與連接在升降支架1上的升降支撐點和測力支撐點接觸；力傳感器3與待測光學(xué)元件4的側(cè)面接觸，力傳感器3用于顯示并記錄力傳感器3的初始示值；位移傳感器2位于待測光學(xué)元件4上面，用于測量和顯示待測光學(xué)元件4上表面上某一點處失高值；數(shù)據(jù)處理和控制單元與位移傳感器2連接，獲取并將待測光學(xué)元件4上表面上某一點處失高值生成位移信號，用于控制位移傳感器2的探測桿上升至高點；數(shù)據(jù)處理和控制單元與升降旋轉(zhuǎn)臺6連接，獲取并將位移傳感器2的探測桿上升至高點數(shù)據(jù)信息生成升降信號，用于控制升降旋轉(zhuǎn)臺6上表面升起并托起待測光學(xué)元件4離開支撐單元5后連同測光學(xué)元件4進行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)預(yù)定的角度后升降旋轉(zhuǎn)臺6開始下降，直至測光學(xué)元件4重新置于支撐單元5的多個支撐點之中；數(shù)據(jù)處理和控制單元控制位移傳感器2的探測桿開始下降，直至接觸到待測光學(xué)元件4的上表面，當力傳感器3示值與之前相同時，數(shù)據(jù)處理和控制單元通過位移傳感器2獲得待測光學(xué)元件4上在該角度上的失高值；數(shù)據(jù)處理和控制單元，獲取待測光學(xué)元件4不同方向上的失高值，用于計算失高差，完成待測光學(xué)元件4的偏心測量。
[0021]所述位移傳感器2是接觸式位移傳感器，或是非接觸式位移傳感器。該裝置的測量精度與位移傳感器2的測量精度一致。所述待測光學(xué)元件4 口徑與支撐單元5的直徑尺寸有關(guān)，其中，所述多個支撐點的圓型空間的直徑小于待測光學(xué)元件4 口徑，而連接在升降支架1上的升降支撐點所在圓的直徑等于待測光學(xué)元件4 口徑，以及力傳感器3的測力支撐點所在圓的直徑等于待測光學(xué)元件4 口徑。所述待測光學(xué)元件4是球面，或是非球面。光學(xué)元件偏心測量裝置，還包括在多個支撐點的圓型空間上放置的待測光學(xué)元件4是一塊參考平面鏡時，則用于測量待測光學(xué)元件4的中心厚度，且測量精度與使用的位移傳感器2的測量精度一致?；?為一塊大理石或者鑄鐵平板。所述位移傳感器2的探測桿具有一量程范圍為0?60111111。所述支撐單元5的支撐點最少為5點，最多為6點。
[0022]所述升降支架1、升降旋轉(zhuǎn)臺6、基座7的材料不受限制，可以是鋼件，也可是鋁件，還可以是大理石等材料。所述位移傳感器2和力傳感器3的數(shù)量最少為一個，若位移傳感器的數(shù)量多于一個，則相當于只使用一個位移傳感器的進行的多次測量。所述待測光學(xué)元件4不受材料的限制，可以是玻璃件，也可以是金屬件。
[0023]升降支架I與電動升降旋轉(zhuǎn)臺6固定在基座7上，待測光學(xué)元件4放置于支撐單元5上，位移傳感器2固定在升降支架I上，并根據(jù)待測光學(xué)元件4的具體形狀調(diào)節(jié)位移傳感器2在升降支架I上的高度。在位移傳感器2測量待測光學(xué)元件4表面上某一點處失高值且獲得力傳感器3數(shù)據(jù)后，其探測頭將縮回至高點，隨后升降旋轉(zhuǎn)臺6升起并帶動待測光學(xué)元件4離開支撐單元5，當待測光學(xué)元件4完全離開支撐單元5后進行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)至預(yù)定的角度后升降旋轉(zhuǎn)臺6開始下降，待測光學(xué)元件4重新置于支撐單元5上時，力傳感器3開始讀數(shù)，當與之前的讀數(shù)相同時，位移傳感器2開始下降并獲得待測光學(xué)元件4在該角度上的失高值。在得到待測光學(xué)元件4不同方向上的失高值后，通過計算失高差來完成待測光學(xué)元件4的偏心測量。
[0024]在本發(fā)明的系統(tǒng)使用過程中，需要根據(jù)待測光學(xué)元件的實際尺寸來選擇合適的五點支撐單元。一般情況下，支撐單元中側(cè)向兩定位點的口徑應(yīng)大于待測光學(xué)元件4的口徑，而底面三個支撐點的口徑應(yīng)該小于待測光學(xué)元件4的口徑。
[0025]在本發(fā)明中所使用的位移傳感器根據(jù)不同的檢測精度要求或者不同的檢測對象，其位移傳感器2的示值精度應(yīng)該高于待測光學(xué)元件偏心所要求達到的精度。
[0026]本發(fā)明中，在采集位移傳感器2數(shù)據(jù)時，應(yīng)該保證力傳感器3的示值一致或者相當。
[0027]本發(fā)明中，在升降旋轉(zhuǎn)臺6托起待測光學(xué)元件4之前應(yīng)確保位移傳感2器已經(jīng)升起并回位，且保證待測光學(xué)元件4升起之后也接觸不到位移傳感器2的探測部位，以保護位移傳感器2不受損壞。
[0028]所述待測光學(xué)元件的偏心可以表示為：Θ = arctg(A d / R);其中Λ d為所有測量點中，最大失高值與最小失高值之差，R為位移傳感器測量點到待測元件中心的徑向（水平）距離。
[0029]本發(fā)明的測量方法如下：
[0030]I。根據(jù)待測光學(xué)元件4的口徑調(diào)節(jié)支撐單元5 :使得支撐單元5中的三點位于待測光學(xué)元件4的口徑的半口徑與全口徑之間；待測光學(xué)元件4的側(cè)面的升降支撐點和測力支撐點位于待測光學(xué)元件4的中心厚的一半處，測量待測光學(xué)元件4的中心位置LI。
[0031]2。調(diào)節(jié)力傳感器3，待其有讀數(shù)顯示后記下其示值。
[0032]3。調(diào)節(jié)位移傳感器2的起始高度與位置，測量位移傳感器2的橫向距離L2并采集其數(shù)值dl。
[0033]4。升起位移傳感器2的探測部位。
[0034]5。升降旋轉(zhuǎn)6臺帶動待測光學(xué)元件4升起，在旋轉(zhuǎn)一定角度后落下回位。
[0035]6。位移傳感器2的探測部位下落并在力傳感器3與之前示值一致時采集位移傳感器2的數(shù)據(jù)d2。
[0036]7。重復(fù)步驟4。
[0037]8。升降旋轉(zhuǎn)臺旋6轉(zhuǎn)一周，測量完成，升起位移傳感器2的探測部位，取下待測光學(xué)元件4。由計算機中的數(shù)據(jù)處理和控制單元計算待測光學(xué)元件4的偏心誤差。具體計算公式如下：
【權(quán)利要求】
1.一種光學(xué)元件偏心測量裝置，其特征在于包括:升降支架(1)、位移傳感器(2)、力傳感器(3)、待測光學(xué)元件(4)、支撐單元(5)、升降旋轉(zhuǎn)臺(6)、基座(7)及數(shù)據(jù)處理和控制單元；其中: 升降支架⑴與升降旋轉(zhuǎn)臺(6)底面固定在基座(7)上； 位移傳感器(2)與力傳感器(3)連接在升降支架(1)的第一支臂和第二支臂上，沿著升降支架(1)的絲杠上下調(diào)節(jié)位移傳感器(2)和力傳感器(3)到基座的高度； 支撐單元(5)具有多個支撐點、一個升降支撐點和一個測力支撐點，其中多個支撐點固定在基座(7)上，升降支撐點連接在升降支架(1)的第一支臂上，測力支撐點連接在升降支架(1)的第二支臂上； 待測光學(xué)元件(4)放置于支撐單元(5)的多個支撐點上，待測光學(xué)元件(4)的下表面與在基座(7)上的多個支撐點接觸，待測光學(xué)元件(4)的側(cè)面和上表面與連接在升降支架(1)上的升降支撐點和測力支撐點接觸； 力傳感器(3)與待測光學(xué)元件(4)的側(cè)面接觸，力傳感器(3)用于顯示并記錄力傳感器⑶的初始示值； 位移傳感器(2)位于待測光學(xué)元件(4)上面，用于測量和顯示待測光學(xué)元件(4)上表面上某一點處失高值； 數(shù)據(jù)處理和控制單元與 位移傳感器(2)連接，獲取并將待測光學(xué)元件(4)上表面上某一點處失高值生成位移信號，用于控制位移傳感器(2)的探測桿上升至高點； 數(shù)據(jù)處理和控制單元與升降旋轉(zhuǎn)臺(6)連接，獲取并將位移傳感器(2)的探測桿上升至高點數(shù)據(jù)信息生成升降信號，用于控制升降旋轉(zhuǎn)臺(6)上表面升起并托起待測光學(xué)元件(4)離開支撐單元(5)后連同測光學(xué)元件(4)進行旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)預(yù)定的角度后升降旋轉(zhuǎn)臺(6)開始下降，直至測光學(xué)元件(4)重新置于支撐單元(5)的多個支撐點之中； 數(shù)據(jù)處理和控制單元控制位移傳感器(2)的探測桿開始下降，直至接觸到待測光學(xué)元件(4)的上表面，當力傳感器(3)示值與之前相同時，數(shù)據(jù)處理和控制單元通過位移傳感器(2)獲得待測光學(xué)元件(4)上在該角度上的失高值； 數(shù)據(jù)處理和控制單元，獲取待測光學(xué)元件(4)不同方向上的失高值，用于計算失高差，完成待測光學(xué)元件(4)的偏心測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件偏心測量裝置，其特征在于:所述位移傳感器(2)是接觸式位移傳感器，或是非接觸式位移傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件偏心測量裝置，其特征在于:該裝置的測量精度與位移傳感器(2)的測量精度一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件偏心測量裝置，其特征在于:所述待測光學(xué)元件(4)口徑與支撐單元(5)的直徑尺寸有關(guān)，其中，所述多個支撐點的圓型空間的直徑小于待測光學(xué)元件(4) 口徑，而連接在升降支架(1)上的升降支撐點所在圓的直徑等于待測光學(xué)元件(4) 口徑，以及力傳感器(3)的測力支撐點所在圓的直徑等于待測光學(xué)元件(4) 口徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件偏心測量裝置，其特征在于:所述待測光學(xué)元件(4)是球面，或是非球面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件偏心測量裝置，其特征在于:還包括在多個支撐點的圓型空間上放置的待測光學(xué)元件(4)是一塊參考平面鏡時，則用于測量待測光學(xué)元件(4)的中心厚度，且測量精度與使用的位移傳感器⑵的測量精度一致。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件偏心測量裝置，其特征在于:基座(7)為一塊大理石或者鑄鐵平板。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件偏心測量裝置，其特征在于:位移傳感器(2)的探測桿具有一量 程范圍為0~60111111。
【文檔編號】G01B21/24GK103837123SQ201410097979
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2014年3月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月17日
【發(fā)明者】雷柏平, 伍凡, 萬勇建, 侯溪 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所