本發(fā)明屬于光學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種帶有Offner補(bǔ)償器的非球面檢測(cè)光路中光學(xué)間隔非接觸精密測(cè)量的系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

在非球面鏡加工檢測(cè)過程中，經(jīng)常會(huì)借助補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)干涉檢測(cè)。補(bǔ)償器按類型可分為折射式光學(xué)補(bǔ)償器、反射式光學(xué)補(bǔ)償器和衍射式光學(xué)補(bǔ)償器。Offner補(bǔ)償器屬于折射式補(bǔ)償器中最常用的一種，一般由兩片透鏡組成，可將干涉儀發(fā)出的平面波或球面波轉(zhuǎn)換成非球面波經(jīng)被檢非球面反射后再次經(jīng)補(bǔ)償器回到干涉儀，與參考光束形成干涉條紋。采用激光干涉儀配備合適F數(shù)的球面標(biāo)準(zhǔn)鏡頭即可實(shí)現(xiàn)非球面面形的干涉檢測(cè)。

在光學(xué)非球面的設(shè)計(jì)制造中，頂點(diǎn)曲率半徑R、二次常數(shù)K等幾何參數(shù)是表述非球面的重要參數(shù)，然而這兩個(gè)幾何參數(shù)不能直接測(cè)量，只有通過測(cè)量激光干涉儀標(biāo)準(zhǔn)鏡頭、Offner補(bǔ)償器與被測(cè)非球面鏡之間的光學(xué)間隔，并將其帶入到光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行復(fù)算得到頂點(diǎn)曲率半徑R、二次常數(shù)K，所以說只有將這些檢測(cè)光路中的光學(xué)間隔控制在其設(shè)計(jì)的公差范圍內(nèi)，并能精確測(cè)量，這樣才能夠滿足非球面的加工制造檢測(cè)及使用要求。

目前，對(duì)于帶有Offner補(bǔ)償器的非球面檢測(cè)光路光學(xué)間隔通常采用鋼卷尺或固定長(zhǎng)度的間隔測(cè)量桿等工具進(jìn)行測(cè)量。這種測(cè)量方法采用人為估讀的方式，很難準(zhǔn)確定位在各個(gè)表面的頂點(diǎn)位置，測(cè)量精度較低，約為0.5mm；該方法是一種接觸式測(cè)量方法，存在鏡面被劃傷的風(fēng)險(xiǎn)，而且也存在由于光學(xué)間隔距離較短無法用鋼卷尺或測(cè)量桿進(jìn)行測(cè)量的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種非接觸式并且能夠精密測(cè)量帶有Offner補(bǔ)償器的非球面檢測(cè)光路中的光學(xué)間隔的系統(tǒng)及檢測(cè)方法。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種光學(xué)間隔精密測(cè)量系統(tǒng)，其特別之處在于：包括沿光路依次設(shè)置的鏡面定位儀、十字分化板、Offner補(bǔ)償器和被測(cè)非球面鏡；

上述鏡面定位儀、十字分化板、Offner補(bǔ)償器和被測(cè)非球面鏡組成的光路與被測(cè)非球面鏡的最佳面形檢測(cè)光路共光軸；

鏡面定位儀與十字分化板之間的距離大于鏡面定位儀的工作距，十字分化板和Offner補(bǔ)償器的透鏡一之間的距離為L(zhǎng)₁，Offner補(bǔ)償器的透鏡一和透鏡二之間的距離為L(zhǎng)₂，Offner補(bǔ)償器的透鏡二和被測(cè)非球面鏡之間的距離為L(zhǎng)₃，不同的被測(cè)的非球面鏡計(jì)算所得的L₁、L₂、L₃不同。

上述鏡面定位儀和PC機(jī)連接。

為了能夠調(diào)節(jié)上述光學(xué)裝置，本發(fā)明的光學(xué)間隔精密測(cè)量系統(tǒng)還包括五維調(diào)整架二、五維調(diào)整架三、五維調(diào)整架四和五維調(diào)整架五，上述鏡面定位儀放置在五維調(diào)整架五上，上述十字分化板放置在五維調(diào)整架四上，上述Offner補(bǔ)償器放置在五維調(diào)整架二上，上述被測(cè)非球面鏡放置在五維調(diào)整架三上。

為了實(shí)現(xiàn)更精密的測(cè)量，上述鏡面定位儀的光學(xué)間隔測(cè)量精度為1μm。

上述十字分化板包括中心圓環(huán)，該中心圓環(huán)的直徑為0.5mm，中心圓環(huán)與十字分化板的外圓同心度為φ0.05mm。

本發(fā)明還提供了一種光學(xué)間隔精密測(cè)量方法，包括以下步驟：

步驟一：根據(jù)被測(cè)的非球面鏡，計(jì)算檢測(cè)光路圖，按照該光路圖搭建最佳面形檢測(cè)光路；

1.1：沿光路依次設(shè)置激光干涉儀、Offner補(bǔ)償器和被測(cè)非球面鏡，激光干涉儀的標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的焦點(diǎn)O₁和Offner補(bǔ)償器的透鏡一之間的距離為L(zhǎng)₁，Offner補(bǔ)償器的透鏡一和透鏡二之間的距離為L(zhǎng)₂，Offner補(bǔ)償器的透鏡二和被測(cè)非球面鏡之間的距離為L(zhǎng)₃；

1.2：將所述激光干涉儀、Offner補(bǔ)償器和被測(cè)非球面鏡分別放置在五維調(diào)整架一、五維調(diào)整架二和五維調(diào)整架三上，通過五維調(diào)整架一、五維調(diào)整架二、五維調(diào)整架三分別調(diào)整激光干涉儀、Offner補(bǔ)償器和被測(cè)非球面鏡，使得激光干涉儀、Offner補(bǔ)償器和被測(cè)非球面鏡共軸，形成最佳面形檢測(cè)光路，該軸即為最佳面形檢測(cè)光路光軸；

步驟二：將固定在五維調(diào)整架四上的十字分劃板放置在激光干涉儀標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的焦點(diǎn)O₁附近，通過五維調(diào)整架四調(diào)整十字分劃板，使十字分劃板的中心圓環(huán)位于最佳面形檢測(cè)光路光軸上；

步驟三：移走激光干涉儀和五維調(diào)整架一，將固定在五維調(diào)整架五上的鏡面定位儀放置在十字分劃板的前端，鏡面定位儀和十字分劃板之間的距離大于鏡面定位儀的工作距；

通過調(diào)整五維調(diào)整架五使鏡面定位儀出射的激光光束垂直入射到十字分劃板上的中心圓環(huán)，觀察PC機(jī)上的間隔測(cè)量界面，當(dāng)各個(gè)光學(xué)表面出現(xiàn)干涉信號(hào)且信號(hào)峰值最高時(shí)開始測(cè)量光學(xué)間隔；

步驟四：測(cè)量得出十字分劃板的厚度O₁O₃＝d₁、十字分劃板與透鏡一兩者之間空氣間隔O₃O₄＝d₂、透鏡一的中心厚度O₄O₅＝d₃、透鏡一與透鏡二兩者之間空氣間隔O₅O₆＝d₄、透鏡二的中心厚度O₆O₇＝d₅、透鏡二與被測(cè)非球面鏡兩者之間空氣間隔O₇O₂＝d₆，由此可得：L₁’＝d₁+d₂、L₂’＝d₃+d₄+d₅、L₃’＝d₆；其中L₁’、L₂’、和L₃’為L(zhǎng)₁、L₂、和L₃的實(shí)際測(cè)量值；

步驟五：將L₁’、L₂’、和L₃’等測(cè)量值代入光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行復(fù)算可得頂點(diǎn)曲率半徑R、二次常數(shù)K幾何參數(shù)值。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明利用鏡面定位儀實(shí)現(xiàn)了帶有Offner補(bǔ)償器的非球面檢測(cè)光路中光學(xué)間隔的非接觸高精度精密測(cè)量，解決了現(xiàn)有測(cè)量方法誤差復(fù)雜、測(cè)量精度低、易劃傷鏡面的問題，具有步驟原理清晰、易操作等優(yōu)點(diǎn)，為帶有Offner補(bǔ)償器的非球面檢測(cè)、加工制造提供了保障，本發(fā)明的測(cè)量精度約為0.05mm，檢測(cè)精度高，且為非接觸式測(cè)量，不存在測(cè)量時(shí)劃傷鏡面的風(fēng)險(xiǎn)。

附圖說明

圖1是帶有Offner補(bǔ)償器的非球面面形檢測(cè)光路示意圖；

圖2是放置十字分劃板后的檢測(cè)光路示意圖；

圖3是非球面檢測(cè)光路間隔非接觸測(cè)量結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是非球面檢測(cè)光路間隔示意圖；

圖5是十字分劃板的外形圖。

圖中附圖標(biāo)記為：1-激光干涉儀，1-1-標(biāo)準(zhǔn)鏡頭，1-2-五維調(diào)整架一，2-Offner補(bǔ)償器，2-1-五維調(diào)整架二，2-2-透鏡一，2-3-透鏡二，3-被測(cè)非球面鏡，3-1-五維調(diào)整架三，4-PC機(jī)，5-十字分劃板，5-1-五維調(diào)整架四，5-2-中心圓環(huán)，6-鏡面定位儀，6-1-五維調(diào)整架五，7-最佳面形檢測(cè)光路光軸。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。

如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明一種帶有Offner補(bǔ)償器的非球面檢測(cè)光路中光學(xué)間隔非接觸精密測(cè)量的系統(tǒng)有三條自準(zhǔn)直檢測(cè)光路，分別為激光干涉儀1、Offner補(bǔ)償器2與被測(cè)非球面鏡3組成的非球面面形自準(zhǔn)直檢測(cè)光路；激光干涉儀1與十字分劃板5組成的垂直定位自準(zhǔn)直光路；以及由鏡面定位儀6、十字分劃板5、Offner補(bǔ)償器2與被測(cè)非球面鏡3組成的光學(xué)間隔自準(zhǔn)直檢測(cè)光路。垂直定位自準(zhǔn)直光路、光學(xué)間隔自準(zhǔn)直檢測(cè)光路與非球面面形自準(zhǔn)直檢測(cè)光路為同一共光軸光路，即最佳非球面面形檢測(cè)光路光軸7。在非球面面形自準(zhǔn)直檢測(cè)光路和垂直定位自準(zhǔn)直光路中激光干涉儀1與PC機(jī)4連接，在光學(xué)間隔自準(zhǔn)直檢測(cè)光路中鏡面定位儀6與PC機(jī)4連接，PC機(jī)4上安裝有激光干涉儀1與鏡面定位儀6相對(duì)應(yīng)的測(cè)量軟件。

激光干涉儀1、鏡面定位儀6、Offner補(bǔ)償器2、被測(cè)非球面鏡3以及十字分劃板5分別放置在五維調(diào)整架一1-2、五維調(diào)整架二2-1、五維調(diào)整架三3-1、五維調(diào)整架四5-1和五維調(diào)整架五6-1上，實(shí)現(xiàn)相互獨(dú)立的前后、左右、上下平移以及左右、上下偏擺。

本發(fā)明在具體使用時(shí)，按照以下步驟進(jìn)行：

步驟一：按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的非球面面形檢測(cè)光路圖搭建實(shí)際檢測(cè)光路，將激光干涉儀1、Offner補(bǔ)償器2、被測(cè)非球面鏡3分別放置在五維調(diào)整架一1-2、五維調(diào)整架二2-1、五維調(diào)整架三3-1上，實(shí)現(xiàn)三者相互獨(dú)立的前后、左右、上下平移以及左右、上下偏擺，搭建完成非球面面形檢測(cè)光路；通過五維調(diào)整架一1-2、五維調(diào)整架二2-1、五維調(diào)整架三3-1同時(shí)對(duì)激光干涉儀1、Offner補(bǔ)償器2、被測(cè)非球面鏡3進(jìn)行粗調(diào)、微調(diào)，并觀察PC機(jī)4上的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量圖使測(cè)得的面形圖為最佳狀態(tài)，得到的干涉圖中的傾斜、離焦和彗差量為最小(即達(dá)到該被測(cè)非球面鏡設(shè)定的技術(shù)指標(biāo)時(shí))即可實(shí)現(xiàn)三者共軸，形成最佳面形檢測(cè)光路光軸7。

步驟二：將固定在五維調(diào)整架四5-1上的十字分劃板5放置在標(biāo)準(zhǔn)鏡頭1-1的焦點(diǎn)O₁附近，即“貓眼”位置，通過粗調(diào)五維調(diào)整架四5-1使中心圓環(huán)5-2與標(biāo)準(zhǔn)鏡頭1-1的焦點(diǎn)O₁大致重合，取下標(biāo)準(zhǔn)鏡頭1-1，此時(shí)激光干涉儀1出射平行光，微調(diào)五維調(diào)整架四5-1使得十字分劃板5的法線與激光干涉儀1出射光束光軸平行，然后再加上標(biāo)準(zhǔn)鏡頭1-1微調(diào)五維調(diào)整架四5-1使中心圓環(huán)5-2與標(biāo)準(zhǔn)鏡頭1-1的焦點(diǎn)O₁重合，并實(shí)時(shí)觀察PC機(jī)4面形測(cè)量界面待出現(xiàn)干涉條紋時(shí)微調(diào)結(jié)束，這樣不僅保證了十字分劃板5與最佳檢測(cè)光路光軸7垂直，中心圓環(huán)5-2位于最佳檢測(cè)光路光軸7上，而且使十字分劃板5精確放置在“貓眼”位置，即中心圓環(huán)5-2與焦點(diǎn)O₁精密重合。

步驟三：移走激光干涉儀1和五維調(diào)整架一1-2，將固定在五維調(diào)整架五6-1上的鏡面定位儀6放置在十字分劃板5的前端，通過粗調(diào)、微調(diào)五維調(diào)整架五6-1使鏡面定位儀6出射的激光光束垂直入射到十字分劃板5上的中心圓環(huán)5-2，即與最佳檢測(cè)光路光軸7精密重合，觀察PC機(jī)4上的間隔測(cè)量界面待使各個(gè)光學(xué)表面出現(xiàn)干涉信號(hào)且峰值最佳(最高)時(shí)開始測(cè)量光學(xué)間隔。

步驟四：按照步驟三測(cè)量的光學(xué)間隔分別為：十字分劃板5的厚度O₁O₃＝d₁、十字分劃板5與offner補(bǔ)償器的透鏡一2-2兩者之間空氣間隔O₃O₄＝d₂、透鏡一2-2的中心厚度O₄O₅＝d₃、透鏡一2-2與透鏡二2-3兩者之間的空氣間隔O₅O₆＝d₄、透鏡二2-3的中心厚度O₆O₇＝d₅、透鏡二2-3與被測(cè)非球面鏡3兩者之間空氣間隔O₇O₂＝d₆，由此可得：L₁’＝d₁+d₂、L₂’＝d₃+d₄+d₅、L₃’＝d₆。

步驟五：將L₁’、L₂’、L₃’測(cè)量值代入光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行復(fù)算可得頂點(diǎn)曲率半徑R、二次常數(shù)K等幾何參數(shù)值。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施方式僅限于此，對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡(jiǎn)單的推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定專利保護(hù)范圍。