[发明专利]锥镜及柱面镜面形测量装置和测量方法

权利要求书

1.一种锥镜及柱面镜面形测量装置，其特征在于包括波面测量干涉仪(1)、干涉仪支架(2)和精密旋转台(3)，所述的波面测量干涉仪(1)安装在所述的干涉仪支架(2)上；待测光学元件(4)安装在所述的精密旋转台(3)上，使所述的待测光学元件(4)的旋转对称轴与所述的精密旋转台(3)的旋转轴对准；所述的波面测量干涉仪(1)输出准直光束，并具有平面参考光路；所述的干涉仪支架(2)具有带动所述的波面测量干涉仪(1)沿平行于精密旋转台(3)的旋转轴方向移动的调节机构，以及调节波面测量干涉仪(1)输出准直光束方向的调节机构，调整所述的波面测量干涉仪出射光与待测光学元件的一条母线垂直，使入射至该母线的光线沿原路返回，由所述的波面测量干涉仪接收并与参考光产生干涉信号，干涉信号是线状干涉图，使得干涉条纹数量最少且干涉条纹最宽。

2.根据权利要求1所述的锥镜及柱面镜面形测量装置，其特征在于所述的待测光学元件是锥镜或柱面镜，所述的锥镜是凸锥镜，或顶角大于等于90度的凹锥镜。

3.根据权利要求1所述的锥镜及柱面镜面形测量装置，其特征在于所述的波面测量干涉仪是带有平面标准镜的Fizeau干涉仪，或泰曼格林干涉仪，或马赫泽德干涉仪,或输出平面光波的点衍射干涉仪。

4.根据权利要求1所述的锥镜及柱面镜面形测量装置，其特征在于所述的波面测量干涉仪是相移测量干涉仪，或单幅干涉图测量干涉仪，或动态测量干涉仪，或高速动态测量干涉仪。

5.利用权利要求1所述的锥镜及柱面镜面形测量装置进行锥镜及柱面镜面形的测量方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

1)将所述的待测光学元件(4)置于所述的精密旋转台(3)上，使所述的待测光学元件(4)的旋转对称轴与所述的精密旋转台(3)的旋转轴对准，调整所述的波面测量干涉仪出射光与待测光学元件的一条母线垂直，使入射至该母线的光线沿原路返回，由所述的波面测量干涉仪接收并与参考光产生干涉信号，干涉信号是线状干涉图，使得干涉条纹数量最少且干涉条纹最宽；然后建立坐标系，以所述的精密旋转台的旋转轴方向为Z方向，精密旋转台的径向两正交方向分别为X方向，Y方向，待测光学元件的母线与待测光学元件的旋转对称轴之间的夹角记为α，与波面测量干涉仪的出射光垂直的母线在XY平面的投影与X轴重合；使精密旋转台的旋转角范围与待测光学元件的旋转角范围相同，将精密旋转台的旋转角范围N等分，作为测量位置角度，记为θ_i，其中i＝1,2,3，…，N，N为正整数，θ₁为起始角；

2)标定精密旋转台的旋转同步轴向跳动误差δz(θ_i)，旋转同步径向跳动误差δx(θ_i)和标定精密旋转台的旋转同步倾斜误差Tx(θ_i)；

3)将所述的精密旋转台的旋转角θ旋转至θ₁位置；

4)使用所述的波面测量干涉仪进行测量，保存干涉图有效区域中心线像素的面形测量结果S_j(θ_i,w)；其中j＝1,2,3，…，M，M为正整数，表示第j次在θ_i位置测量得到的面形测量结果；θ_i为所述的精密旋转台的当前转角位置；w为母线坐标，w＝0,1,2,…，W-1，W为正整数，表示沿待测光学元件母线长度方向的像素坐标；

5)如果所述的精密旋转台的当前转角位置θ_i为θ_N，则进入步骤6)，否则将所述的精密旋转台旋转至下一个旋转角位置，即使得θ_i＝θ_i+1，返回步骤4)，

6)分别以不同w的S_j(θ₁,w)为起始点，w＝0,1,2,…，W-1，对W组面形测量数据S_j(θ_i,w)进行所对应相位数据的相位解包裹，然后由连续的相位数据更新面形测量数据S_j(θ_i,w)，使W组面形测量数据S_j(θ_i,w)均为连续数据；

7)重复步骤3)～6)共M次，共得到M组S_j(θ_i,w)测量结果；

8)按式(1)求取M组S_j(θ_i,w)的平均值S(θ_i,w)：

S(θ_i,w)＝(S₁(θ_i,w)+S₂(θ_i,w)+…+S_M(θ_i,w))/M； (1)

9)按式(2)从S(θ_i,w)中去除精密旋转台的旋转同步轴向跳动误差δz(θ_i)、旋转同步径向跳动误差δx(θ_i)和旋转同步倾斜误差Ty(θ_i)导致的测量误差，得到包含夹持偏心误差的待测光学元件表面面形检测结果F`(θ_i,w)：

F`(θ_i,w)＝S(θ_i,w)-δz(θ_i)·sin(α)-δx(θ_i)·cos(α)-Ty(θ_i)·w·PW， (2)

其中，PW为与母线坐标对应的每个坐标像素的宽度；

10)从F`(θ<sub>i</sub>,w)中，任意取母线坐标w不同的K组数据F`(θ_i,w_k)，k＝1,2,3，…，K，按照旋转夹持偏心误差分离方法，从中分离出待测光学元件安装至精密旋转台时的安装偏心误差导致的F`(θ_i,w_k)检测误差E(θ_i,w_k)；K组检测误差E(θ_i,w_k)的平均值E(θ_i)为：

E(θ_i)＝(E(θ_i,w₁)+E(θ_i,w₂)+…+E(θ_i,w_K))/K, (3)

从F`(θ_i,w)中去除待测光学元件安装偏心导致的检测误差E(θ_i)，得到待测光学元件表面面形检测结果F(θ_i,w)：

F(θ_i,w)＝F`(θ_i,w)-E(θ_i) (4)。