[发明专利]锥形镜柱面镜面形的测量装置及测量方法

权利要求书

1.一种锥形镜柱面镜面形的测量装置，其特征在于包括波面测量干涉仪(1)、干涉仪支架(2)、精密旋转台(12)和转台实时测量系统；所述的波面测量干涉仪(1)安装在干涉仪支架(2)上；所述的转台实时测量系统包含辅助测量圆柱体(3)和5个精密位移测量传感器；

所述的辅助测量圆柱体(3)安装在所述的精密旋转台(12)上，所述的辅助测量圆柱体(3)的中心轴与所述的精密旋转台(12)的旋转轴共轴；所述的5个精密位移测量传感器，分别是置于所述的辅助测量圆柱体(3)之外的z轴方向、x轴方向、y轴方向的Z通道位移的精密位移测量传感器(5)，上截面X通道位移的精密位移测量传感器(6)和下截面X通道位移的精密位移测量传感器(8)，上截面Y通道位移的精密位移测量传感器(7)和下截面Y通道位移的精密位移测量传感器(9)，所述的上截面(10和下截面(11)是两个存在一段距离的水平面，垂直距离记为l；所述的辅助测量圆柱体(3)的上表面供待测光学元件(4)锥形镜或柱面镜放置。

2.根据权利要求1所述的锥形镜及柱面镜面形测量装置，其特征在于所述的锥形镜是凸锥镜，或顶角大于等于90度的凹锥镜；

3.根据权利要求1所述的锥形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，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。

4.根据权利要求1所述的锥形镜及柱面镜面形测量装置，其特征在于所述的干涉仪支架是多维调整架。

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

①建立检测系统的坐标系，以精密旋转台(12)的旋转轴方向为Z方向，精密旋转台径向两正交方向分别为X方向，Y方向，被测光学元件(4)的母线与被测光学元件的旋转对称轴之间的夹角记为α，与波面测量干涉仪出射光垂直的母线在XY平面的投影与X轴重合；精密旋转台的旋转角的范围与被测光学元件的旋转角的范围相同；将精密旋转台的旋转角范围N等分，记为θ_i，其中i＝1,2,3，…，N，N为正整数，θ₁为起始角，与被测光学元件的被测表面起始位置对应；

②标定辅助测量圆柱体(3)的辅助测量面的圆度误差h(θ_i)和平面度偏差z₀(θ_i)；

③调整测量装置，使波面测量干涉仪(1)观察到被测光学元件(4)一条母线对应的线状干涉图，干涉条纹数量最少且干涉条纹最宽，干涉条纹区域中心位置测量的是被测光学元件的母线，此时干涉条纹区域中心位置与波面测量干涉仪出射光垂直；

④将所述的精密旋转台(12)的旋转角θ旋转至θ₁,即起始角位置；

⑤使用波面测量干涉仪(1)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(θ_i,w)；所述的转台实时测量系统测得精密旋转台每个旋转位置的轴向跳动误差δz(θ_i)，径向跳动误差δx(θ_i)，X方向旋转倾误差T_x(θ_i)；w为母线坐标，w＝0,1,2,…，W-1，W为正整数，表示沿被测光学元件母线长度方向的像素坐标；

⑥将所述的精密旋转台(12)旋转至θ_i转角的下一个旋转角位置，重复步骤⑤，直至完成全部N个旋转角位置的测量；分别以不同w的S(θ₁,w)为起始点，w＝0,1,2,…，W-1，对W组面形测量数据S(θ_i,w)(i＝1,2,3，…，N)进行所对应相位的相位解包裹，使W组面形测量数据S(θ_i,w)均为连续数据；

⑦根据下式(1)从S(θ_i,w)中去除标定的精密旋转台的旋转轴向跳动误差δz(θ_i)，旋转径向跳动误差δx(θ_i)，旋转倾斜误差T_x(θ_i)对测量结果的影响,

F`(θ_i,w)＝S(θ_i,w)-δz(θ_i)·sin(α)-δx(θ_i)·cos(α)-Tx(θ_i)·w·PW， (1)

其中PW为与母线坐标对应的每个坐标像素的宽度；

⑧从F`(θ<sub>i</sub>,w)中，任意取母线坐标w不同的K组去除误差后的面形测量数据F`(θ_i,w_k)，其中i＝1,2,3，…，N，k＝1,2,3，…，K，按照旋转夹持偏心误差分离方法，从中分离出被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,

从F`(θ_i,w)中去除被测光学元件安装偏心导致的检测误差E(θ_i)，得到被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)。