離軸拋物面鏡焦距的檢測裝置與檢測方法
【專利摘要】一種離軸拋物面鏡焦距的檢測裝置，由斐索干涉儀及其標準平面鏡、五維調整架、補償小球及其三維調整架、承托固定底板和三坐標測量機組成，標準平面鏡是所述的斐索干涉儀的光束輸出窗口，所述的五維調整架的頂面固定一基座，在該基座固定待測離軸拋物面鏡和一輔助圓柱，所述的補償小球及其三維調整架須放置于待測離軸拋物面鏡的焦點處，以上所述的五維調整架及待測離軸拋物面鏡、補償小球及其三維調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離軸拋物面鏡的正上方，三坐標測量機在另外位置。本發(fā)明能夠準確測量待測離軸拋物面的焦距，彌補了現(xiàn)有技術中的空白。
【專利說明】離軸拋物面鏡焦距的檢測裝置與檢測方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及光學檢測【技術領域】，特別是一種基于斐索干涉儀的離軸拋物面鏡焦距的檢測裝置與檢測方法。

【背景技術】
[0002]光學元件的傳統(tǒng)檢測方法與技術已沿用了數(shù)十年。光學檢測涉及被測元件材料、口徑、種類以及測試技術、儀器和設備等。被測元件的種類繁多，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。光學檢測中常用的主要儀器可分為干涉儀類、表面輪廓儀類、MTF測試儀類、精密球徑儀類、焦距與偏心測試儀器類及其它儀器等。
[0003]國內外都在研制和發(fā)展各自的先進儀器。國內以南京理工大學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_;進口以美國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Tayloy-Hobson觸針式輪廓儀；滿足實際需求的三坐標測量儀、4D干涉儀等。
[0004]然而，在光學檢測儀器和技術應用上，仍存在很多問題和不足。目前，尚未有關于離軸拋物面焦距快速檢測的方法或裝置?，F(xiàn)有檢測儀器如Zygo干涉儀、牛頓干涉儀、4D干涉儀、Tayloy-Hobson等均無法直接檢測離軸拋物面焦距。
[0005] 申請人:于2013年申請的專利“一種離軸橢球面鏡的檢測裝置及其檢測方法”(申請?zhí)?201310422011.4)中記載的是一種用于檢測離軸橢球面的面型的裝置，無法實現(xiàn)對離軸拋物面鏡的焦距測量。


【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是以克服目前對離軸拋物面焦距進行檢測的困難，提供一種基于斐索干涉儀和三坐標測量機的離軸拋物面焦距的檢測裝置及其檢測方法，通過引進輔助圓柱和把被測離軸拋物面鏡、調節(jié)裝置一種固定在承托固定板后，通過三坐標機實現(xiàn)測離軸拋物面鏡的焦距。
[0007]本發(fā)明的技術解決方案如下:
[0008]一種離軸拋物面鏡焦距的檢測裝置，其特點在于，該裝置由斐索干涉儀及其標準平面鏡、五維調整架、補償小球及其三維調整架、輔助圓柱、承托固定底板和三坐標測量機組成；
[0009]所述的標準平面鏡是所述的斐索干涉儀的光束輸出窗口 ；
[0010]所述的五維調整架的頂面固定有一基座，在該基座一端固定有待測離軸拋物面鏡，另一端設有與該待測離軸拋物面鏡具有同一曲面的輔助圓柱；
[0011]所述的五維調整架、補償小球及其三維調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]所述的三維調整架具有X、Y、Z三維，所述的五維調整架具有X、Y、Z、Tip&Tilt五維。
[0014]所述的待測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裝置檢測待測離軸拋物面鏡焦距的方法，其特點在于，該方法包括下列步驟:
[0016]①根據(jù)待測離軸拋物面鏡的尺寸，選擇合適的標準平面鏡安裝到所述的斐索干涉儀上，標準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離軸拋物面鏡上；
[0017]②將待測離軸拋物面鏡和輔助圓柱固定在五維調整架上；
[0018]③將五維調整架、補償小球及其三維調整架粗略固定在承托固定底板上，使補償小球的球心到輔助圓柱的表面中心點的距離與待測離軸拋物面鏡的理論焦距相等；
[0019]④調整五維調整架，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)所述的標準球面鏡全部照射在基座上的待測離軸拋物面鏡；
[0020]調整五維調整架的高度，使斐索干涉儀發(fā)出的光束的中心高度和待測離軸拋物面鏡與光路垂直方向的中心高度一致；
[0021]⑤通過對三維調整架、五維調整架的調整使補償小球的球心置于待測離軸拋物面鏡的焦點的位置上；
[0022]⑥所述的斐索干涉儀上即得到待測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離軸拋物面鏡、五維調整架、補償小球與三維調整架整體放在三坐標測量機，測量得到的待測離軸拋物面鏡的頂點到補償小球的球心距離即待測離軸拋物面鏡的實際焦距。
[0024]所述的待測離軸拋物面鏡和輔助圓柱的加工方法如下:
[0025]在待測離軸拋物面鏡的理論頂點處放置一塊以該待測離軸拋物面鏡頂點的法線為旋轉軸的、直徑為5-15mm、其中一個截面與被測離軸拋物面鏡的拋物面為同一拋物面的輔助圓柱，與待測離軸拋物面鏡一同加工，由加工設備確保這一輔助柱體的截面與待測離軸拋物面為同一拋物面，同時確保該輔助圓柱的軸與該待測離軸拋物面鏡的法線重合。
[0026]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是能夠快速準確地測量待測離軸拋物面的焦距，滿足客戶的需求。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1是本發(fā)明離軸拋物面鏡焦距的檢測裝置的結構示意圖。
[0028]圖2是本發(fā)明離軸拋物面鏡的檢測裝置的光路圖。
[0029]圖3是補償小球及其三維調整架和待測離軸拋物面鏡的正視圖。
[0030]圖4是五維調整架的側視圖。
[0031]圖5是被測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是在三坐標測量機上測量的示意圖。
[0033]圖中:I一斐索干涉儀，2—標準平面鏡，3—待測離軸拋物面鏡，4一補償小球，5-二維調整架，6—五維調整架,7一承托固定底板，8一二坐標測量機，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)標準平面鏡透射的光線，12—經(jīng)待測離軸拋物面鏡反射的光線，13—經(jīng)補償小球反射的光線，14 一經(jīng)待測離軸拋物面鏡再次反射的光線，15—經(jīng)標準平面鏡表面折射回斐索干涉儀的光線，A—標準球面鏡的內反射面，A’一標準球面鏡的外表面，B—待測離軸拋物面鏡，C一輔助圓柱的表面，O—輔助圓柱的中心點(拋物面頂點)。

【具體實施方式】
[0034]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0035]請先參閱圖1，圖1是本發(fā)明離軸拋物面鏡焦距的檢測裝置的結構示意圖，如圖所示，一種離軸拋物面鏡焦距的檢測裝置，由斐索干涉儀I及其標準平面鏡2、輔助圓柱9、五維調整架6、補償小球4及其三維調整架5、三坐標測量機8組成，標準平面鏡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整架5，另一端供待測離軸拋物面鏡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離軸橢球面鏡的正上方。
[0036]1、斐索干涉儀:用一個經(jīng)過很好校正的物鏡準直從針孔發(fā)出的光。在準直物鏡與針孔(空間濾波器)之間放置一個分光鏡，以便從側面觀察干涉條紋。斐索干涉儀發(fā)出的光為平行單色光。
[0037]2、集成的待測離軸拋物面鏡、輔助圓柱及五維調整架與補償小球及三維調整架。
[0038]圖2是本發(fā)明離軸拋物面鏡的檢測裝置的光路圖，標準平面鏡的內反射A面作為參考平面，待測離軸拋物面B作為待測球面。根據(jù)平行的平面光波經(jīng)過待測離軸拋物面鏡后會聚在焦點的性質來確定補償小球與待測離軸拋物面鏡的相對距離，并通過對三維調整架和五維調整架的反復調整以找到補償小球的位置，使待測離軸拋物面鏡的面型最小，此時小球球心的位置就是焦點位置。
[0039]標準球面鏡的內反射面A作為參考平面，其面型精度是小于λ/20，待測離軸拋物面B是經(jīng)單點金剛石車床加工而成的離軸拋物面作為被測面，C面與B面是同時經(jīng)單點金剛石車床加工而成的含拋物面頂點的在軸拋物面。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入射到標準透射平面后，一部分光被標準球面鏡的內反射面A反射，該反射光線攜帶標準球面波信息。另一部分光經(jīng)標準球面鏡的內反射面A透射(稱為光線11)后平行入射到待測離軸拋物面B。根據(jù)拋物面的光學性質:平行光線經(jīng)拋物面后匯聚于拋物面的焦點F，在F點的位置上放置補償小球，小球的面型精度優(yōu)于λ/10。光線經(jīng)待測離軸拋物面鏡反射(稱為光線12)匯聚成的焦點與小球的球心點重合，光線經(jīng)過小球球面按原路反射(稱為光線13)回到待測離軸拋物面，再次經(jīng)過拋物面反射(稱為光線14)平行出射到標準平面鏡的外表面Α’，經(jīng)標準球面鏡的外表面Α’折射(稱為光線15)回到干涉儀中。平行單色光10經(jīng)標準球面鏡的內反射面A的反射光線與光線15滿足頻率相同、振動方向一致、相位差恒定三個條件，從而發(fā)生干涉現(xiàn)象，產(chǎn)生干涉條紋。通過斐索干涉儀觀察干涉條紋并對干涉條紋進行分析從而得出離軸拋物面表面的面型測量結果，從而確定了補償小球的位置。
[0040]斐索干涉儀是一種比較常用的等厚干涉儀，主要用于檢驗平面或球面面型。單色光源所發(fā)出的光被透鏡會聚在圓孔光闌上，光闌位于準直物鏡的焦平面上。從準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平面的上平面反射回來，再通過準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像。調整被測零件所在的工作臺，使兩個像重合。如果用望遠放大鏡代替目鏡，就可以在被測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)標準球面鏡的外表面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，點擊斐索干涉儀的測量鍵可以得到面型的結果。當調整到面型最小時的補償小球的球心位置就是拋物面焦點的位置。
[0041]將包含確定了補償小球球心位置及待測離軸拋物面鏡與輔助圓柱的整個承托固定底板放置到三坐標測量機上，可以測量出小球的球心位置和輔助圓柱的上拋物面頂點的位置，兩個位置間的距離即焦距可以直接由三坐標測量機給出。
【權利要求】
1.一種離軸拋物面鏡焦距的檢測裝置，其特征在于，該裝置由斐索干涉儀(1)及其標準平面鏡(2)、五維調整架￠)、補償小球(4)及其三維調整架(5)、輔助圓柱(9)、承托固定底板(7)和三坐標測量機(8)組成； 所述的標準平面鏡(2)是所述的斐索干涉儀(1)的光束輸出窗口 ； 所述的五維調整架￠)的頂面固定有一基座，在該基座一端固定有待測離軸拋物面鏡(3),另一端設有與該待測離軸拋物面鏡具有同一曲面的輔助圓柱(9)； 所述的五維調整架￠)、補償小球(4)及其三維調整架(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離軸拋物面鏡的正上方。
2.根據(jù)權利要求1所述的離軸拋物面鏡焦距的檢測裝置，其特征在于，所述的輔助圓柱⑶的直徑為5-15111111。
3.一種利用權利要求1所述的離軸拋物面鏡焦距的檢測裝置檢測待測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)待測離軸拋物面鏡的尺寸，選擇合適的標準平面鏡安裝到所述的斐索干涉儀上，標準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離軸拋物面鏡上； ②將待測離軸拋物面鏡(3)和輔助圓柱(9)固定在五維調整架(5)上； ③將五維調整架￠)、補償小球(4)及其三維調整架(5)粗略固定在承托固定底板(7)上，使補償小球(4)的球心到輔助圓柱(9)的表面中心點的距離與待測離軸拋物面鏡(3)的理論焦距相等； ④調整五維調整架(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)所述的標準球面鏡全部照射在基座上的待測離軸拋物面鏡(3)； 調整五維調整架￠)的高度，使斐索干涉儀發(fā)出的光束的中心高度和待測離軸拋物面鏡(3)與光路垂直方向的中心高度一致； ⑤通過對三維調整架(5)、五維調整架(6)的調整使補償小球(4)的球心置于待測離軸拋物面鏡的焦點(的的位置上； ⑥所述的斐索干涉儀上即得到待測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離軸拋物面鏡(3)、五維調整架￠)、補償小球(4)與三維調整架(5)整體放在三坐標測量機，測量得到的待測離軸拋物面鏡(3)的頂點到補償小球(4)的球心距離即待測離軸拋物面鏡的實際焦距。
4.根據(jù)權利要求3所述的檢測待測離軸拋物面鏡焦距的方法，其特征在于，所述的待測離軸拋物面鏡(3)和輔助圓柱(9)的加工方法如下: 在待測離軸拋物面鏡(3)的理論頂點處放置一塊以該待測離軸拋物面鏡頂點的法線為旋轉軸的、直徑為5-15.、其中一個截面與被測離軸拋物面鏡的拋物面為同一拋物面的輔助圓柱(9)，與待測離軸拋物面鏡一同加工，由加工設備確保這一輔助柱體的截面與待測離軸拋物面為同一拋物面，同時確保該輔助圓柱(9)的軸與該待測離軸拋物面鏡的法線重口。
【文檔編號】G01M11/02GK104359655SQ201410620690
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月6日 優(yōu)先權日:2014年11月6日
【發(fā)明者】施麗敏 申請人:上?，F(xiàn)代先進超精密制造中心有限公司