非接触式复杂光学面形高精度三维测量方法及测量装置

摘要

非接触式复杂光学面形高精度三维测量方法及测量装置，涉及光学面形检测技术领域，解决现有对光学元件面形的测量方法存在测量成本高、精度低且无法对光学元件面形实现三维测量等问题，基于非接触的三维坐标位置扫描获取光学表面高度信息的二维分布，测得其面形或轮廓信息。通过三维平移台在x-y方向的平移对光学表面进行逐点扫描，测量每点上光学表面轮廓高度h的变化；扫描过程中，随着光学表面高度的变化，在Z方向移动三维平移台，使光谱共焦传感器始终定焦于待测光学元件表面，微型三光束干涉仪对准标准平面反射镜，实时测量两者距离的变化，获得该光学表面的面形信息；本发明具有低成本、容易操作等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及光学面形检测技术领域，具体涉及一种非接触式的复杂光学面 形高精度三维测量装置及测量方法。

背景技术

在迫切需求和技术进步的推动下，光学系统中越来越多地使用具有复杂面 形的光学元件。复杂面形光学元件的具有更多自由度，可以有效地校正各类高 级像差，简化光学系统结构，提高光学系统性能。复杂面形光学元件对现代光 学系统发展意义重大，广泛应用于各种类型光学成像、光学探测、光电对抗系 统中。

光学面形测量方法分为干涉测量法和轮廓扫描测量法。干涉测量法测量复 杂光学面形一般采用补偿镜和计算全息图的方法；采用补偿镜干涉法需要针对 被测的具体面形设计和加工特定的补偿镜，测量成本极高；采用计算全息法时 被测面形的测量范围及精度受全息片的制作精度和尺寸限制，且尺寸越大，精 度越低。轮廓扫描测量法分为接触式与非接触式；接触式面形扫描测量装置主 要包括三坐标测量机和探针式轮廓仪，通过探头依次扫描待测面形得到测量数 据，测量过程可能会破坏光学表面光洁度和膜层，不适合光学表面的测量；非 接触式轮廓扫描测量法主要有长程轮廓仪，它是一个f-θ透镜系统，通过光学探 头测量测量光束与标准光束的偏离来测量光学表面的斜度，从而测量其表面轮 廓，但是只能获得一维扫描面形，不能得到三维面形。

发明内容

本发明为解决现有对光学元件面形的测量方法存在测量成本高、精度低且 无法对光学元件面形实现三维测量等问题，提供一种非接触式复杂光学面形高 精度三维测量方法及测量装置。

非接触式复杂光学面形高精度三维测量方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、使用自准直仪调整光谱共焦传感器、微型三光束干涉仪以及标准 平面反射镜指向，使所述光谱共焦传感器、微型三光束干涉仪和标准平面反射 镜同轴；

步骤二、将待测光学元件安装在测量平台上，确定待测光学元件面形的扫 描点数量和扫描间距；对所述待测光学元件面形的扫描点依次进行扫描，测量 并记录每个扫描点的三维轮廓信息；对所有扫描点的三维轮廓信息进行多项式 拟合，获得待测光学元件面形的三维面形图；

具体测量过程为：

首先，在X-Y方向移动三维平移台至待测光学元件面形的起始扫描点，在 Z方向移动三维平移台，使光谱共焦传感器定焦于所述起始扫描点，所述光谱共 焦传感器与起始扫描点的距离为d，微型三光束干涉仪测量至标准平面反射镜的 距离，获得待测光学元件上起始扫描点的三维轮廓信息；

然后，在X-Y方向上将三维平移台移至待测光学元件面形的下一个扫描点， 在Z方向移动三维平移台，使光谱共焦传感器定焦于对应的扫描点，保持光谱 共焦传感器与该对应扫描点的距离为d；微型三光束干涉仪实时测量所述微型三 光束干涉仪至标准平面反射镜的距离，获得该扫描点的三维轮廓信息，直到完 成所有扫描点三维轮廓信息的测量；

最后，对所有扫描点的三维轮廓信息进行多项式拟合，获得待测光学元件 面形的三维面形图。

非接触式复杂光学面形高精度三维测量，该装置包括测量平台、光谱共焦 传感器、三维平移台、微型三光束干涉仪和标准平面反射镜；所述光谱共焦传 感器和微型三光束干涉仪固定于三维平移台上；所述三维平移台和标准平面反 射镜固定在测量平台上。

本发明的有益效果：本发明所述的装置基于非接触的三维坐标位置扫描获 取光学表面高度信息的二维分布(高度h随x、y的分布)，从而测得其面形或 轮廓信息。通过三维平移台在x-y方向的平移对光学表面进行逐点扫描，测量每 点上光学表面轮廓高度h的变化(Z向)；扫描过程中，随着光学表面高度的变 化，在Z方向移动三维平移台，使得光谱共焦传感器始终定焦于待测光学元件 表面，即光谱共焦传感器与各测量点间的距离保持不变，起到“零位监视器” 作用；

所述微型三光束干涉仪对准标准平面反射镜，实时测量两者距离的变化， 该变化量就是光学表面不同扫描点的相对高度变化h；记录不同扫描点的(x，y， h)信息，即可得到该光学表面的面形信息；采用多次多项式拟合得到最佳近似 曲面，可以用于描述该光学表面面形。测量平台采用不锈钢气浮平台，能够消 除外界振动影响；

本发明所述的非接触式面形扫描测量装置，在不损坏光学表面的前提下高 精度测量复杂光学表面的3D面形，具有低成本、容易操作等优点。

附图说明

图1为本发明所述的非接触式复杂光学面形高精度三维测量装置的结构示 意图。

图中：1、测试平台，2、三维平移台，3、光谱共焦传感器，4、微型三光 束干涉仪，5、标准平面反射镜，6、待测光学元件。

具体实施方式

具体实施方式一、非接触式复杂光学面形高精度三维测量方法，该方法由 以下步骤实现：

一、使用自准直经纬仪分别瞄准光谱共焦传感器3、微型三光束干涉仪4、 标准平面反射镜5，调整三者姿态，使得三者指向在同一方向上；

二、将待测光学元件6安装在测试平台上，使用水平仪辅助调整样品姿态， 消除倾斜等误差；根据测量要求及待测光学元件的尺寸，确定扫描测量点数量N 及间距d等扫描参数；设定三维平移台2在水平方向X、垂直方向Y向移动至扫 描起始点(x₀，y₀)，在前后方向z向移动使得光谱共焦传感器3定焦于该点； 所述微型三光束干涉仪4测量至标准平面反射镜5的距离h_(0，0)；

三、三维平移台2在X-Y向移动至下一扫描点(x₁，y₀)，在z向移动使得光 谱共焦传感器3定焦于该点，即保持扫描过程中光谱共焦传感器的探头与待测 光学元件6测量点的距离不变；微型三光束干涉仪4测量至标准平面反射镜5 的距离h_(1，0)；

四、重复上述过程，获取所有扫描点的高度分布信息(x_i，y_j，h_(i，j))；

五、对所有扫描点的高度分布信息(x_i，y_j，h_(i，j))进行多项式拟合，得到 待测光学元件面形的三维面形图。

本实施方式所述的光谱共焦传感器3对待测光学元件面形的“零位监视” 精度为20nm；微型三光束干涉仪4对标准平面反射镜5的距离测量精度为1nm； 三维平移台X-Y向运动范围为400mm，位置重复性优于3μm，Z向运动范围为 50mm，位置重复性优于50nm；标准平面反射镜5口径为300mm，面形精度为 λ/8，表面镀有铝膜。

具体实施方式二、结合图1说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式 一所述的非接触式复杂光学面形高精度三维测量方法的测量装置，该装置包括 测量平台1、光谱共焦传感器3、三维平移台2、微型三光束干涉仪4和标准平 面反射镜5；所述光谱共焦传感器3和微型三光束干涉仪4固定于三维平移台2 上；所述三维平移台2和标准平面反射镜5固定在测量平台2上。

本实施方式所述的测量平台1采用不锈钢气浮平台，所述的标准平面反射 镜5的表面镀有铝膜。