用于超大口徑面形檢測(cè)的懸掛式擺臂輪廓儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)元件面形檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種用于超大口徑面形檢測(cè)的懸掛 式擺臂輪廓儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 超大口徑的光學(xué)元件的加工一般分為銑磨、研磨、拋光三個(gè)階段；銑磨階段，檢測(cè) 精度由銑磨機(jī)床控制；拋光階段，面形精度由干涉儀檢測(cè)監(jiān)控；研磨階段，由于面形反射率 較低且面形誤差較大無(wú)法采用干涉檢測(cè)，通常采用輪廓檢測(cè)。由于拋光階段的材料去除效 率低于研磨階段，為了提高反射鏡的加工效率，提高研磨精度、縮短拋光時(shí)間是提高加工效 率的有效手段；然而，限制研磨精度的因素主要來(lái)自于研磨階段的面形檢測(cè)精度，因此需要 一種有效指導(dǎo)超大口徑反射鏡研磨階段面形加工的高精度面形檢測(cè)手段。
[0003] 傳統(tǒng)的中心口徑光學(xué)元件輪廓檢測(cè)階段通常采用三坐標(biāo)式輪廓儀進(jìn)行檢測(cè)。而對(duì) 于超大口徑光學(xué)元件輪廓檢測(cè)，三坐標(biāo)輪廓儀主要存在以下不足：
[0004] 1)三坐標(biāo)輪廓儀的檢測(cè)精度受機(jī)械精度的影響與其檢測(cè)量程成反比關(guān)系，隨著光 學(xué)元件的口徑增大，檢測(cè)精度大大下降；對(duì)于lm量級(jí)的反射鏡，三坐標(biāo)輪廓儀的檢測(cè)精度 約為lumrms，此檢測(cè)能力與干涉檢測(cè)量程勉強(qiáng)能銜接上，而對(duì)于更大口徑的反射鏡，三坐 標(biāo)輪廓儀檢測(cè)精度已不能與干涉檢測(cè)有效銜接；
[0005] 2)三坐標(biāo)式輪廓儀采用接觸式采樣方式，對(duì)于大口徑光學(xué)元件檢測(cè)，尤其消耗時(shí) 間，單次檢測(cè)lm量級(jí)反射鏡，耗時(shí)約4h;而且采樣密度受限，對(duì)于加工較為關(guān)心的鏡面邊緣 面形信息不能很好的反映；
[0006] 3)三坐標(biāo)式輪廓儀為非在位檢測(cè)，反射鏡每次檢測(cè)需要從加工位轉(zhuǎn)移至三坐標(biāo)輪 廓儀上，對(duì)于大口徑光學(xué)元件，不但增加了時(shí)間成本和人力成本，還存在轉(zhuǎn)移過(guò)程中的鏡面 變形、磕碰等風(fēng)險(xiǎn)。
[0007] 美國(guó)Arizona大學(xué)光學(xué)加工中心的PengSu，JamesH.Burge等人采用擺 臂輪廓儀實(shí)現(xiàn)凸非球面的面形檢測(cè)，主要檢測(cè)案例見(jiàn)于2009年發(fā)表于SPIE(Proc. SPIE7426,OpticalManufacturingandTestingVIII,74260J(August21,2009)； doi:10. 1117/12.828493)的文章《SwingarmopticalCMMforaspherics》（《用于非球 面檢測(cè)的擺臂式光學(xué)三坐標(biāo)輪廓儀》），但是其主要檢測(cè)策略是去除面形檢測(cè)結(jié)果的低階項(xiàng) 誤差，約前40項(xiàng)Zernike擬合項(xiàng)，與干涉儀檢測(cè)結(jié)果對(duì)比，用于拋光階段面形高階項(xiàng)誤差的 測(cè)量。然而，本發(fā)明的主要目的是基于擺臂輪廓儀的檢測(cè)原理，實(shí)現(xiàn)包括低階項(xiàng)在內(nèi)的面形 輪廓檢測(cè)，用于指導(dǎo)反射鏡的研磨階段的面形加工。
[0008] 擺臂式輪廓儀存在的主要不足是受氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)震動(dòng)、測(cè)量臂剛性等因素的影響，面 形的低階項(xiàng)誤差檢測(cè)可能不準(zhǔn)確。
[0009]目前國(guó)內(nèi)外報(bào)道的擺臂輪廓儀屬立柱式，如圖1所示，這意味著測(cè)量臂長(zhǎng)度至少 應(yīng)大于反射鏡鏡面半徑。這增加了擺臂氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)的負(fù)擔(dān)且測(cè)量臂的長(zhǎng)度會(huì)放大擺臂氣浮轉(zhuǎn) 臺(tái)的振顫誤差，進(jìn)而影響面形檢測(cè)精度。參見(jiàn)附圖2,為對(duì)應(yīng)的立柱式擺臂輪廓儀的面形測(cè) 量點(diǎn)分布。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的在于提出一種用于超大口徑面形檢測(cè)的懸掛式擺臂輪廓儀，解決現(xiàn) 有技術(shù)存在的擺臂輪廓儀測(cè)量大口徑光學(xué)元件面形時(shí)臂長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致檢測(cè)精度下降的問(wèn)題。 [0011] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的用于超大口徑面形檢測(cè)的懸掛式擺臂輪廓儀包括連接 件A、氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)、連接件B、測(cè)量臂、配重件、連接件C和位移傳感器；
[0012] 所述的氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)通過(guò)連接件A與懸掛裝置懸掛連接；所述測(cè)量臂通過(guò)連接件B與 氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)固定；所述的測(cè)量臂的一端通過(guò)連接件C固定位移傳感器的測(cè)頭；另一端設(shè)置有 配重件；
[0013] 所述氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)軸隨懸掛裝置傾斜，通過(guò)待測(cè)反射鏡最接近球球心。
[0014] 所述的連接件B包括上部件和兩個(gè)松緊可調(diào)的卡扣：上部件與氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)固定，兩 個(gè)松緊可調(diào)的卡扣固定測(cè)量臂。
[0015] 所述測(cè)量臂的長(zhǎng)度不限，測(cè)量臂在連接件B上的安裝位置可調(diào)。
[0016] 在同一位置，所述測(cè)量臂可攜帶位移傳感器繞氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)至少一圈。
[0017] 所述測(cè)量臂攜帶位移傳感器繞氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)一圈在鏡面上掃過(guò)的弧線最大為2 弧度。
[0018] 本發(fā)明的工作原理為：本發(fā)明的用于超大口徑面形檢測(cè)的懸掛式擺臂輪廓儀是基 于擺臂輪廓儀工作原理，采用懸掛擺臂轉(zhuǎn)臺(tái)的方式，實(shí)現(xiàn)短測(cè)量臂測(cè)量超大口徑反射鏡面 形。
[0019] 擺臂輪廓檢測(cè)系統(tǒng)由一臺(tái)傾斜放置的高精度氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)、剛性測(cè)量臂和位于測(cè)量臂 末端的高精度非接觸式位移傳感器組成；待測(cè)反射鏡放置在另一個(gè)大轉(zhuǎn)臺(tái)上，反射鏡中心 位于大轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸上。氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)相對(duì)大轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸傾斜放置，傾斜角為9，氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸通 過(guò)反射鏡最接近球球心h，傾角0滿足：
[0020]
[0021] 具中，L:鏡囪中心點(diǎn)到氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸的距離；
[0022] R:反射鏡最接近球半徑；
[0023] 位移傳感器的測(cè)頭裝調(diào)至反射鏡光軸方向。檢測(cè)時(shí)測(cè)量臂與氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)固定在一 起，攜帶位移傳感器測(cè)頭繞氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，測(cè)頭在鏡面掃過(guò)一條弧線，測(cè)得軌跡位置 處非球面與其最接近球面的偏離量。位移傳感器測(cè)完一條弧線，反射鏡繞大轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 一定角度，繼續(xù)測(cè)下一條弧線。
[0024] 反射鏡旋轉(zhuǎn)一周后，得到位移傳感器在鏡面上的測(cè)量點(diǎn)分布圖，誤差面形為：
[0025]AS=S-S〇
[0026] 其中，S:實(shí)測(cè)面形各點(diǎn)的非球面偏離量；
[0027]S。:理想面形各點(diǎn)的非球面偏離量；
[0028] 對(duì)于凸非球面反射鏡的測(cè)量，擺臂氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)反方向傾斜，即順時(shí)針傾斜，使氣浮轉(zhuǎn) 臺(tái)軸經(jīng)過(guò)凸非球面最接近球球心，測(cè)量原理與凹非球面測(cè)量原理相同。
[0029]本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明的用于超大口徑面形檢測(cè)的懸掛式擺臂輪廓儀進(jìn)一 步提高了擺臂輪廓檢測(cè)的精度及檢測(cè)穩(wěn)定性，主要表現(xiàn)在以下三方面：
[0030] 1)氣浮轉(zhuǎn)臺(tái)端跳誤差、編碼器誤差和振動(dòng)誤差通過(guò)測(cè)量臂放大到檢測(cè)結(jié)果中，測(cè) 量臂越短，這些誤差源引入的系統(tǒng)誤差就越小，從而提高系統(tǒng)檢測(cè)精度；
[0031] 2)相同鏡面，測(cè)量臂越短，在鏡面上劃過(guò)的弧度就越大，可達(dá)2 31弧度，即一整圈， 可以有效減少低階面形如像散和三葉的測(cè)量不確定性，提高系統(tǒng)檢測(cè)的穩(wěn)定性。
[0032] 3)單條檢測(cè)弧線在鏡面上劃過(guò)的弧度達(dá)一整圈時(shí)，反射鏡邊緣采樣密度大大增 加，有效地實(shí)現(xiàn)邊緣細(xì)節(jié)信息的檢測(cè)。
【附圖說(shuō)明】
[0033]圖1為本發(fā)明的現(xiàn)有技術(shù)中存在的立柱式擺臂輪廓儀