一種旋轉(zhuǎn)對稱未知非球面面形誤差的測量方法及其測量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及光學(xué)測量領(lǐng)域，特別提供了一種旋轉(zhuǎn)對稱未知非球面面形誤差的測量 方法及其測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡及反射鏡，曲面形式多數(shù)為平面和球面，原因是運些簡單形 式的曲面加工、檢測容易，能夠做到批量化生產(chǎn)，也容易達到高精度的面形要求，尤其是各 種高精度面形檢測干設(shè)儀的出現(xiàn)大大降低了高精度平面和球面面形檢測的難度。盡管如 此，在某些高精度成像系統(tǒng)中，如光刻物鏡及核聚變系統(tǒng)，僅僅使用平面和球面鏡難W達到 預(yù)期的成像質(zhì)量，然而非球面鏡的引入成功解決了運一問題，而且非球面的應(yīng)用增加了非 球面設(shè)計的自由度，對改善光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，提高光學(xué)性能，減小外形尺寸和重量幾方 面起著重要作用。采用非球面技術(shù)設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)，可消除球差、慧差、象散、場曲，減小光 能損失，從而獲得高質(zhì)量的成像和高品質(zhì)的光學(xué)特性。然而，非球面的加工和檢測都要比球 面困難很多，運是因為:球面有無數(shù)個對稱軸，而非球面只有一個，所W非球面不能采用球 面加工時的方法加工;非球面各環(huán)帶的曲率半徑不同，在拋光時難W修正。目前，非球面檢 測的主要方法是輪廓法和干設(shè)法。
[0003] 干設(shè)測量法是測量光學(xué)元件的重要方法，既能實現(xiàn)高精度測量，又不會對待測面 產(chǎn)生損傷，比較典型的測量儀器如巧go公司的Fizeau干設(shè)儀。但是運種干設(shè)儀要實現(xiàn)對非 球面的測量，需要特殊的方法或裝置。在干設(shè)測量法中常用的測量方法有無像差點法、補償 鏡法、計算全息圖法、環(huán)帶拼接法、子孔徑拼接法、長波長法等。雖然運些方法均能實現(xiàn)高精 度測量，但是前提是必須知道非球面的所有幾何參數(shù)，且補償鏡法、計算全息圖法所使用的 補償裝置只能針對一種非球面，無像差點法只針對二次曲面。
[0004] 輪廓測量法采用接觸式或非接觸式的測量方式，直接測量非球面的矢高，然后利 用非球面方程，減去理想非球面的輪廓線，從而得到非球面的面形輪廓線。接觸式測量儀器 的典型代表有化rm Talysurf，采用探針直接與非球面接觸，通過橫向移動探針，并記錄探 針的高度變化，從而獲得非球面的輪廓，運種設(shè)備存在測量行程與測量精度矛盾的特點，且 容易劃傷被測表面;Ξ坐標測量機也是接觸式測量儀器，通過對空間坐標的測量，可W獲得 被測表面的外形輪廓，典型的如ZEISS的MICURA，運種設(shè)備測量范圍大，但是測量精度相對 較低，且容易對被測表面造成損傷。
[0005] 因此，如何研發(fā)一種在完全未知被測面的幾何參數(shù)的情況下，實現(xiàn)無損傷檢測，成 為人們亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種旋轉(zhuǎn)對稱未知非球面面形誤差的測量方法及 其測量裝置，W至少解決W往在非球面測量過程中需要已知非球面對應(yīng)的幾何參數(shù)，W及 測量方法精度不高，對待測非球面造成損傷等問題。
[0007] 本發(fā)明一方面提供了一種旋轉(zhuǎn)對稱未知非球面面形誤差的測量方法，其特征在 于，包括W下步驟：
[0008] 使用干設(shè)儀沿待測非球面表面一經(jīng)線方向進行逐點掃描采樣，獲得一組關(guān)于待測 非球面空間坐標的數(shù)組L(x，z，t)，其中，所述數(shù)組L(x，z，t)中包含待測非球面的頂點空間 坐標；
[0009] 依據(jù)所述數(shù)組L(x，z，t)，利用最小二乘擬合法計算獲得所述待測非球面的頂點曲 率半徑Ro、二次項系數(shù)K和高次項系數(shù)An;
[0010] 依據(jù)所述待測非球面的頂點曲率半徑Ro、二次項系數(shù)K和高次項系數(shù)An,計算獲得 所述待測非球面的理想矢高面；
[0011] 使用干設(shè)儀對所述待測非球面整個表面進行逐點掃描采樣，獲得所述待測非球面 的測量矢高面；
[0012] 將所述待測非球面的測量矢高面與所述待測非球面的理想矢高面進行比較，獲得 所述待測非球面的面形誤差。
[0013] 優(yōu)選，依據(jù)所述數(shù)組L(x，z，t)，利用最小二乘擬合法計算獲得所述待測非球面的 頂點曲率半徑Ro、二次項系數(shù)K和高次項系數(shù)An步驟，具體為：
[0014] 將所述數(shù)組L(x，z，t)中各采樣點對應(yīng)的X向和Z向值代入到公式(a)中，當(dāng)公式(a) 的值最小時，計算得到待測非球面相應(yīng)的頂點曲率半徑Ro、二次項系數(shù)K和高次項系數(shù)An;
[0015] 所述公式(a)具體為，
[0016]
[0017] 其中，N為采樣點個數(shù)，C = 1 /Ro為頂點曲率，Ro為頂點曲率半徑，K為二次項系數(shù)，Μ 為非球面系數(shù)的總階數(shù)，An為高次項系數(shù)。
[0018] 進一步優(yōu)選，依據(jù)所述待測非球面的頂點曲率半徑Ro、二次項系數(shù)K和高次項系數(shù) An,計算獲得所述待測非球面的理想矢高面公式為：
[0019]
[0020] 其中，Z為非球面的矢高，c = l/Ro為頂點曲率，Ro為頂點曲率半徑，K為二次項系數(shù)， P為非球面的徑向坐標，Μ為非球面系數(shù)的總階數(shù)，An為高次項系數(shù)。
[0021] 進一步優(yōu)選，干設(shè)儀進行掃描采樣過程中，干設(shè)儀的測量頭始終保持與待測非球 面垂直，且測量頭到待測非球面的距離保持恒定。
[0022] 進一步優(yōu)選，所述測量頭到被測非球面的距離大于測量頭的焦距。
[0023] 本發(fā)明另一方面還提供了一種旋轉(zhuǎn)對稱未知非球面面形誤差的測量裝置，其特征 在于，包括：
[0024] 基座 1;
[0025] 龍口吊2,跨設(shè)于所述基座1的上方，其包括橫梁21和設(shè)置于所述橫梁21下方的支 架22;
[0026] 氣浮轉(zhuǎn)臺3,位于所述龍口吊2的下方，安裝于所述基座1的上表面；
[0027] 調(diào)平調(diào)屯、工作臺4,固定安裝于所述氣浮轉(zhuǎn)臺3的上方；
[0028] 二維運動臺5,與所述氣浮轉(zhuǎn)臺3上表面垂直，固定安裝于所述基座1上；
[0029] T向旋轉(zhuǎn)臺6,垂直連接于所述二維運動臺5上；
[0030] X向參考測頭反射鏡7,固定設(shè)置于所述龍口吊2的一側(cè)支架22上；
[0031] Z向參考測頭反射鏡8,固定設(shè)置于所述龍口吊2的橫梁21上，且與所述X向參考測 頭反射鏡7垂直；
[0032] T向圓弧形反射鏡9,與所述二維運動臺5固定連接；
[0033] 多波長干設(shè)儀10,其包括X向參考測頭1001、Z向參考測頭1002、Τ向參考測頭1003、 目標測頭1004,其中，所述X向參考測頭1001和Ζ向參考測頭1002分別固定連接于所述Τ向圓 弧形反射鏡9的第一側(cè)壁901和第二側(cè)壁902上，且所述X向參考測頭1001與所述X向參考測 頭反射鏡7相對，所述Ζ向參考測頭1002與所述Ζ向參考測頭反射鏡8相對，所述Τ向參考測頭 1003和目標測頭1004背向連接，且均與所述Τ向旋轉(zhuǎn)臺6固定連接，所述Τ向參考測頭1003與 所述Τ向圓弧形反射鏡9的內(nèi)弧面相對；
[0034] 主控計算機11，分別與所述氣浮轉(zhuǎn)臺3、二維運動臺5、Τ向旋轉(zhuǎn)臺6和多波長干設(shè)儀 10連接，用于控制所述氣浮轉(zhuǎn)臺3、二維運動臺5和Τ向旋轉(zhuǎn)臺6的運動，接收所述波長干設(shè)儀 10中X向參考測頭1001、Ζ向參考測頭1002和Τ向參考測頭1003發(fā)送的位置信息W及目標測 頭1004發(fā)送的光強大小和與待測非球面15的距離量。
[0035] 優(yōu)選，所述基座1包括：
[0036] 大理石隔振臺101W及用于所述大理石隔振臺101支撐的氣浮隔振腿102。
[0037] 進一步優(yōu)選，所述Τ向圓弧形反射鏡9為圓屯、角為120°的弧形鏡，且弧形