非球面光學元件面形檢測裝置的制作方法

本發明涉及光學元件測量技術領域，尤其是涉及一種非球面光學元件的面形檢測裝置。

背景技術：

由于非球面光學元件的使用，不僅可以使光學系統的性能顯著提升，而且可以簡化系統的結構、降低系統的重量與成本，因此非球面光學元件在民用、軍用、天文、航空航天等領域得到廣泛應用。隨著空間技術不斷發展，人們對光學系統分辨率與接收能量的要求越來越高，因此，對非球面光學元件的面形精度要求越來越高，這時就需要與之對應的高精度加工設備與檢測技術作支撐。

光學干涉檢測是基于參考光束與被測光束疊加原理。在干涉檢測中，使用參考光束入射待測非球面，從待測非球面反射回的波前會包含非球面的面形信息，因此將入射的參考波前與從待測面反射回來的光束干涉形成干涉條紋，通過分析干涉條紋的明暗變化和形狀變化來獲得待測非球面的面形信息。

現有的光學元件面形干涉儀測量設備，測量方向上主要有兩種形式：一種形式為臥式，測量光束為水平方向，一種形式為立式向下，測量光束垂直向下。然而，當非球面光學元件在實際使用中處于倒置狀態時，由于非球面光學元件對支撐精度的要求極高，其在加工和裝調過程中的檢測條件均需要與實際使用中的狀態相同，即非球面光學元件在檢測時也需要保持倒置狀態，也即反射鏡面垂直向下，而測量光束垂直向上進行檢測。

然而，現有技術中，并沒有測量光束垂直向上進行檢測的光學元件面形測量干涉儀設備。

技術實現要素：

本發明實施方式主要解決的技術問題是提供一種非球面光學元件面形檢測裝置，其測量光束垂直向上對非球面光學元件進行檢測，提高了非球面光學元件的面形檢測精度。

為解決上述技術問題，本發明實施方式采用的一個技術方案是：提供一種非球面光學元件面形檢測裝置，用于對非球面光學元件的面形信息進行檢測，包括干涉儀和沿垂直方向從下至上依序設置的反射鏡、移相器、標準鏡、補償鏡和所述非球面光學元件；所述干涉儀用于出射水平方向的測量光束；所述反射鏡用于將所述水平方向的測量光束轉變成垂直向上的測量光束；所述移相器用于調整所述垂直向上的測量光束的相位；所述標準鏡用于提供參考面以對所述垂直向上的測量光束進行反射；所述補償鏡用于補償所述非球面光學元件的面形；所述非球面光學元件反射的測量光束與所述標準鏡的參考面反射的測量光束在所述干涉儀中形成干涉條紋。

在其中一些實施方式中，所述非球面光學元件面形檢測裝置還包括主體，所述主體包括相對設置的底板和頂板、固定連接于所述底板和所述頂板之間的第一側板和第二側板以及平行且固定設置于所述底板和所述頂板之間安裝板，所述第一側板和所述第二側板相對設置；所述干涉儀和所述反射鏡固定設置于所述底板上，所述移相器、所述標準鏡和所述補償鏡固定設置于所述安裝板上，所述非球面光學元件活動地設置于所述第一側板和所述第二側板之間。

在其中一些實施方式中，所述非球面光學元件面形檢測裝置包括45度反射鏡組件，所述45度反射鏡組件包括所述反射鏡、反射鏡支撐框、反射鏡安裝板和支撐架，所述反射鏡固定設置于所述反射鏡支撐框上，所述反射鏡支撐框固定設置于所述反射鏡安裝板上，所述反射鏡安裝板固定設置于所述支撐架上，所述支撐架固定設置于所述底板上。

在其中一些實施方式中，所述非球面光學元件面形檢測裝置包括標準鏡組件，所述標準鏡組件包括所述標準鏡和支撐座，所述標準鏡通過所述支撐座固定設置于所述移相器上，所述支撐座相對于所述移相器的斜度可調。

在其中一些實施方式中，所述非球面光學元件面形檢測裝置包括補償鏡組件，所述補償鏡組件包括所述補償鏡和支撐部，所述支撐部包括支撐板和補償鏡框；所述支撐板固定設置于所述安裝板上，所述補償鏡框設置于所述支撐板上且所述補償鏡框相對于所述安裝板的斜度可調，所述補償鏡固定設置于所述補償鏡框上。

在其中一些實施方式中，所述非球面光學元件面形檢測裝置包括非球面光學元件組件，所述非球面光學元件組件包括所述非球面光學元件、支撐框、支撐螺桿、支撐螺母和法蘭；所述非球面光學元件固定設置于所述支撐框上；所述支撐螺桿穿設于所述支撐框和所述法蘭上，且通過所述支撐螺母與所述支撐螺桿螺紋連接使所述支撐框和所述法蘭固定連接。

在其中一些實施方式中，所述支撐框包括支撐筒和定位部，所述支撐筒為中空圓筒狀，所述所述非球面光學元件固定設置于所述支撐筒上的一端；所述定位部從所述支撐筒的外壁向遠離所述支撐筒延伸；所述支撐螺桿的一端固定設置于所述法蘭上，所述支撐螺桿的另一端穿過所述定位部。

在其中一些實施方式中，所述非球面光學元件面形檢測裝置還包括轉臺，所述轉臺與所述法蘭固定連接，所述轉臺用于帶動所述非球面光學元件組件旋轉。

在其中一些實施方式中，所述非球面光學元件面形檢測裝置還包括第一調整機構，所述第一調整機構包括安裝塊、水平滑軌和正交滑軌，所述水平滑軌和所述正交滑軌垂直設置，所述安裝塊滑動地設置于所述水平滑軌上，所述水平滑軌滑動地設置于所述正交滑軌上，所述轉臺固定設置于所述安裝塊上。

在其中一些實施方式中，所述非球面光學元件面形檢測裝置還包括第二調整機構，所述第二調整機構包括調整板、第一移動副、第二移動副和第三移動副，所述第一移動副、第二移動副和第三移動副用于帶動所述調整板沿垂直方向移動和傾斜運動。

在其中一些實施方式中，所述非球面光學元件面形檢測裝置還包括測長干涉儀，所述測長干涉儀包括主機和多個反射角鏡，所述主機設置于所述頂板上，所述多個反射角鏡設轉置于所述調整板上。

在其中一些實施方式中，所述非球面光學元件面形檢測裝置還包括防震組件，所述防震組件從所述主體的外部對所述主體進行支撐，所述防震組件對所述主體的支撐點與所述干涉儀的干涉腔等高。

本發明實施方式的有益效果是：本發明實施方式的非球面光學元件面形檢測裝置，通過干涉儀和沿垂直方向從下至上依序設置的反射鏡、移相器、標準鏡、補償鏡和非球面光學元件，對非球面光學元件進行面形檢測，實現了非球面光學元件被測面豎直向下方向測量，從而減小了其他方向測量中支撐方式和重力方向對檢測精度的影響，提高了非球面光學元件的面形檢測準確度。

附圖說明

圖1是本發明實施方式的非球面光學元件面形檢測裝置的測量光路原理圖。

圖2是本發明實施方式的非球面光學元件面形檢測裝置的立體結構示意圖。

圖3是本發明實施方式的45度反射鏡組件的立體結構示意圖。

圖4是本發明實施方式的非球面光學元件組件的立體結構示意圖。

圖5是本發明實施方式的第二調整機構的立體結構示意圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施方式中的附圖，對本發明實施方式中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施方式僅僅是本發明一部分實施方式，而不是全部的實施方式。基于本發明中的實施方式，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施方式，都屬于本發明保護的范圍。

值得說明的是，在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“設置”、“連接”或“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電加接；可以是直接連接，也可以通過中間元件間接相連，也可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

在本發明的描述中，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。

圖1為本發明實施方式的非球面光學元件面形檢測裝置的測量光路原理圖，非球面光學元件面形檢測裝置采用光學干涉測量原理對非球面光學元件的面形信息進行檢測。非球面光學元件面形檢測裝置100包括干涉儀10、反射鏡21、移相器31、標準鏡41、補償鏡51和非球面光學元件61，其中，干涉儀10出射水平方向的測量光束；所述水平方向的測量光束經45度反射鏡21反射轉變為垂直向上的測量光束；所述垂直向上的測量光束再依次經過移相器31、標準鏡41和補償鏡51，最終到達非球面光學元件61，其中移相器31用于調整測量光束的相位，以便獲得多幅測量數據，標準鏡41用于提供參考面，補償鏡51用于補償非球面鏡面形，使之可以進行檢測；經非球面光學元件61反射回的測量光束與經標準鏡41的參考面反射回的測量光束在干涉儀10中形成干涉圖樣，通過對所述干涉圖樣進行分析，得到非球面光學元件61的面形測量數據。

具體地，圖2為本發明實施方式的非球面光學元件面形檢測裝置100的立體結構示意圖。非球面光學元件面形檢測裝置100包括主體101、干涉儀10、從下至上依序設置于主體101上的45度反射鏡組件20、移相器31、標準鏡組件40、補償鏡組件50和非球面光學元件組件60，以及轉臺70、第一調整機構80和第二調整機構90。

本發明實施方式中，主體101為框架結構，主體101包括相對設置的底板1011和頂板1012、固定連接于底板1011和頂板1012之間的第一側板1013、第二側板1014以及平行且固定設置于底板1011和頂板1012之間的安裝板1015。第一側板1013和第二側板1014相對設置。

底板1011上設置有干涉儀安裝板1016，干涉儀安裝板1016上開設有第一安裝孔1017，干涉儀10通過第一安裝孔1017裝設于第一側板1013上。干涉儀10出射水平方向的測量光束。

45度反射鏡組件20固定設置于底板1011上。請參閱圖3，本發明實施方式中，45度反射鏡組件20包括反射鏡21、反射鏡支撐框22、反射鏡安裝板23和支撐架24。反射鏡21固定設置于反射鏡支撐框22上，反射鏡支撐框22固定設置于反射鏡安裝板23上，反射鏡安裝板23固定設置于支撐架24上，支撐架24固定設置于底板1011上。

本發明實施方式中，支撐架24包括兩個支撐單元241，支撐單元241為等腰直角三角形，支撐單元241通過一個直角邊固定設置于底板1011上，反射鏡安裝板23固定設置于兩個支撐單元241的斜邊上，以使反射鏡安裝板23相對于底板1011上成45度夾角，進而使固定設置于反射鏡安裝板23上的反射鏡21相對于底板1011上成45度夾角。干涉儀10出射的水平方向的測量光束經反射鏡21反射轉變為垂直向上的測量光束。

本發明實施方式中，反射鏡21與反射鏡支撐框22通過柔性結構連接，以使反射鏡支撐框22不會損傷反射鏡21。反射鏡支撐框22通過三個緊定螺釘25固定設置于反射鏡安裝板23上，而且，通過分別調整三個緊定螺釘25的旋入深度，可以對反射鏡支撐框22相對于反射鏡安裝板23的角度進行微調，從而對反射鏡21相對于底板1011的角度進行微調，防止了45度反射鏡組件20經過多個連接結構后，反射鏡21相對于底板1011的角度與45度存在誤差，從而保證了反射鏡21相對于底板1011的45度夾角的精確度。

可以理解的是，反射鏡21與反射鏡支撐框22也可以通過剛性結構連接。可以理解的是，反射鏡支撐框22不限于通過三個緊定螺釘25與反射鏡安裝板23固定連接，反射鏡支撐框22可以通過至少一個緊定螺釘25與反射鏡安裝板23固定連接。可以理解的是，反射鏡支撐框22不限于僅通過緊定螺釘25與反射鏡安裝板23連接且調整反射鏡支撐框22相對于反射鏡安裝板23的角度，例如，反射鏡支撐框22還可以通過彈簧等結構與反射鏡安裝板23連接調整反射鏡支撐框22相對于反射鏡安裝板23的角度。

主體101的安裝板1015上開設有第二安裝孔(圖未示)，移相器31相應于所述第二安裝孔固定設置于安裝板1015上。移相器31用于對垂直向上的測量光束的相位進行調整，以獲得多幅測量數據。

請繼續參閱圖2，標準鏡組件40固定設置于移相器31上。標準鏡組件40包括標準鏡41和支撐座42，標準鏡41通過支撐座42固定設置于移相器31上，且標準鏡41的光軸與經反射鏡21反射且通過移相器31的垂直向上的測量光束同軸。標準鏡41用于提供參考面，以對測量光束進行反射。本發明實施方式中，支撐座42相對于移相器31的斜度可調，以使標準鏡41的光軸可以精確地調整為與經反射鏡21反射且通過移相器31的垂直向上的測量光束同軸。

請繼續參閱圖2，補償鏡組件50固定設置于主體101的安裝板1015上。補償鏡組件50包括補償鏡51和支撐部52，支撐部52固定設置于主體101的安裝板1015上，補償鏡51設置于支撐部52上。具體地，支撐部52包括支撐板521和補償鏡框522，支撐板521固定設置于安裝板1015上，補償鏡框522固定設置于支撐板521上且補償鏡框522與安裝板1015平行設置。補償鏡51設置于補償鏡框522上，以使補償鏡51的光軸與透射過標準鏡41的垂直向上的測量光束同軸。本發明實施方式中，支撐部52的補償鏡框522相對于安裝板1015的斜度可調，以使補償鏡51的光軸可以精確地調整為與透射過標準鏡41的垂直向上的測量光束同軸。

請繼續參閱圖2，第二調整機構90設置于主體101的第一側板1013和第二側板1014上，第一調整機構80設置于第二調整機構90上，轉臺70設置于第一調整機構80上，非球面光學元件組件60設置于轉臺70上。其中，轉臺70用于帶動非球面光學元件組件60旋轉；第一調整機構80用于帶動轉臺70和非球面光學元件組件60水平移動；第二調整機構90用于帶動第一調整機構80、轉臺70和非球面光學元件組件60垂直移動和傾斜運動。

請參閱圖4，非球面光學元件組件60包括非球面光學元件61、支撐框62、支撐螺桿63、支撐螺母64和法蘭65。非球面光學元件61固定設置于支撐框62上，支撐框62通過支撐螺桿63與支撐螺母64螺紋連接而設置于法蘭65上。

具體地，本發明實施方式中，支撐框62包支撐筒621和定位部623。支撐筒621為中空圓筒狀，非球面光學元件61固定設置于支撐筒621的一端，本發明實施方式中，非球面光學元件61與支撐筒621通過膠粘方式進行固定連接。定位部623從支撐筒621的外壁向遠離支撐筒621延伸，本發明實施方式中，定位部623為從支撐筒621的外壁向外延伸形成的三個凸耳。

支撐螺桿63的一端固定設置于法蘭65上，支撐螺桿63的另一端穿過支撐框62的定位部623，并通過支撐螺母64與支撐螺桿63穿過支撐框62的一端螺紋連接。當非球面光學元件組件60倒置時，也即，非球面光學元件61朝向補償鏡組件50設置時，支撐框62因為自身重力作用，抵持于支撐螺母64上，從而以使支撐框62通過支撐螺桿63和支撐螺母64設置于法蘭65上。本發明實施方式中，支撐螺桿63和支撐螺母64的數量均為三個。進一步地，通過分別調整三個支撐螺母64相對支撐螺桿63的旋入深度，可以對定位部623相對于法蘭65的角度進行微調，也就是說，可以對設置于支撐框62上的非球面光學元件61相對于法蘭65的角度進行微調，以使非球面光學元件61的光軸與轉臺70的旋轉軸平行，從而保證了對非球面光學元件61的面形檢測的準確度。可以理解的是，支撐螺桿63和支撐螺母64的數量均不限于三個，例如，支撐螺桿63和支撐螺母64的數量還可以為至少一個。

請繼續參閱圖2，法蘭65與轉臺70的固定連接，使轉臺70帶動非球面光學元件61、支撐框62和法蘭65一起旋轉。本發明實施方式中，轉臺70優選為氣浮轉臺，可以理解的是，轉臺70還可以為其他機械轉臺。

請繼續參閱圖2，轉臺70固定設置于第一調整機構80上。本發明實施方式中，第一調整機構80用于帶動轉臺70和非球面光學元件組件60水平移動，具體來說，第一調整機構80包括安裝塊81、水平滑軌(圖未示)和正交滑軌(圖未示)，其中，所述水平滑軌和所述正交滑軌垂直設置；安裝塊81滑動地設置于所述水平滑軌上，所述水平滑軌滑動地設置于所述正交滑軌上；轉臺70固定設置于第一調整機構80的安裝塊81上。因此，第一調整機構80可以帶動轉臺70和非球面光學元件組件60沿所述水平滑軌水平移動和/或帶動轉臺70和非球面光學元件組件60沿所述正交滑軌水平移動。

請同時參閱圖2和圖5，第二調整機構90包括調整板91、第一移動副92、第二移動副93和第三移動副94。第一移動副92和第二移動副93結構相同，第一移動副92包括第一滑軌921、滑動地設置于第一滑軌921上的第一滑板922和第一驅動機構923，第二移動副93包括第二滑軌931、滑動地設置于第二滑軌931上的第二滑板932和第二驅動機構933；第三移動副94包括兩個第三滑軌941、滑動地設置于兩個第三滑軌941上的第三滑板942和第三驅動機構943。

請繼續參閱圖2，第一滑軌921和第二滑軌931平行地、間隔地、沿垂直方向固定設置于主體101的第一側板1013上，兩個第三滑軌941平行地、間隔地、沿垂直方向固定設置于主體101的第二側板1014上。第一驅動機構923與第一滑板922固定連接，第一驅動機構923用于驅動第一滑板922沿第一滑軌921滑動；第二驅動機構933與第二滑板932固定連接，第二驅動機構933用于驅動第二滑板932沿第二滑軌931滑動；第三驅動機構943用于驅動第三滑板942沿兩個第三滑軌941滑動。本發明實施方式中，第一、二和三驅動機構923、933和943均為絲桿組件，所述絲桿組件包括電機、絲桿和螺母，螺母螺接于絲桿上，電機用于驅動螺母旋轉，從而帶動與絲桿連接的第一、二和三滑板922、932和942沿相應的滑軌滑動。可以理解的是，第一、二和三驅動機構923、933和943還可以為氣缸等其他驅動機構，本領域技術人員可以根據需求選擇合適的驅動機構，此處不再贅述。

請繼續參閱圖5，調整板91的一側與第一滑板922和第二滑板932可轉動連接，調整板91的另一側與第三滑板942可轉動連接，本發明實施方式中，調整板91通過球鉸鏈分別與第一滑板922、第二滑板932和第三滑板942可轉動連接。

當第一、二和三驅動機構923、933和943同時驅動第一、二和三滑板922、932和942以相同的速度垂直滑動時，調整板91將保持水平的狀態垂直移動；當第一、二和三驅動機構923、933和943以不同的速度驅動第一、二和三滑板922、932和942垂直滑動時，調整板91將以傾斜的狀態垂直移動。可以理解的是，調節第一、二和三驅動機構923、933和943分別對第一、二和三滑板922、932和942的驅動速度，可以調整調整板91的傾斜方向和傾斜角度。例如，當第一、二和三驅動機構923、933和943同時驅動第一、二和三滑板922、932和942垂直向下滑動，第二、三驅動機構933和943的驅動速度相同，第一驅動機構923的驅動速度大于第二、三驅動機構933和943的驅動速度時，第一滑板922帶動調整板91與第一滑板922連接的一角向下傾斜。從而調整板91帶動設置于調整板91上的第一調整機構80、轉臺70和非球面光學元件組件60沿垂直方向移動和傾斜運動，通過第二調整機構90可以調整非球面光學元件61的位置和角度，以提高非球面光學元件61的面形檢測的準確度。

可以理解，第三移動副94中的第三滑軌941的數量不限于兩個，例如，第三滑軌941的數量還可以為一個，三個等。

本發明實施方式的非球面光學元件面形檢測裝置100還可以包括測長干涉儀102，測長干涉儀102包括主機1021和三個反射角鏡1022，主機1021設置于主體101的頂板1012，三個反射角鏡1022分別設置于第二調整機構90的調整板91上，且三個反射角鏡1022分別對應調整板91與第一、二和三滑板922、932和942相連的部位設置。測長干涉儀102的主機1021出射光束，三個反射角鏡1022對所述光束進行反射，三個反射角鏡1022反射的光束在主機1021中形成干涉，進而測量出三個反射角鏡1022的相對位置，再進一步地測量出調整板91的傾斜方向和傾斜角度。可以理解的是，反射角鏡1022的數量并不限于三個，反射角鏡1022的數量可以為多個，只需本領域技術人員可以根據多個反射角鏡1022發射的光束測量出調整板91的傾斜方向和傾斜角度的即可。

請繼續參閱圖2，本發明實施方式的非球面光學元件面形檢測裝置100還可以包括防震組件103，防震組件103從主體101的外部對主體101進行支撐，且防震組件103對主體101的支撐點與干涉儀10的干涉腔等高，以減小非球面光學元件面形檢測裝置100受到的震動，從而提高了非球面光學元件面形檢測裝置100對非球面光學元件61的面形測量準確度。

本發明實施方式的非球面光學元件面形檢測裝置100，通過干涉儀10和沿垂直方向從下至上依序設置的反射鏡21、移相器31、標準鏡41、補償鏡51和非球面光學元件61，對非球面光學元件61進行面形檢測，實現了非球面光學元件61進行面形檢測時具有實際應用時相同的狀態，從而提高了非球面光學元件61的面形檢測準確度。而且通過第一調整機構80和第二調整機構90配合，其中，第一調整機構80實現水平兩個方向的移動，第二調整機構90實現垂直方向移動和三個傾斜方向運動，所述六個自由度運動能夠對非球面光學元件61的位置和角度進行精確調整，從而提高了非球面光學元件面形檢測裝置100對非球面光學元件61的面形測量準確度。

以上所述僅為本發明的實施方式，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。