CN106643556A - 一种椭球反射镜面形检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明椭球反射镜面形检测装置和方法属于精密光学测量领域；该装置沿光轴方向依次设置面形检测干涉仪、聚焦透镜、椭球反射镜和面形参考球；其中，聚焦透镜的焦点和椭球反射镜的第一焦点重合，面形参考球的球心和椭球反射镜的第二焦点重合；面形检测干涉仪发出平行光束，依次经过聚焦透镜后会聚、椭球反射镜第一次反射、面形参考球反射、椭球反射镜第二次反射和聚焦透镜折射，最后入射到集成在面形检测干涉仪中的图像传感器上；该方法首先放置面形参考球，然后确定面形参考球的径向位置，再确定面形参考球的轴向位置，最后计算椭球反射镜的面形误差；本发明能够实现在不接触椭球反射镜条件下，完成对椭球反射镜直接、高灵敏度、大动态范围的测量。
Description
技术领域
本发明一种椭球反射镜面形检测装置和方法属于精密光学测量领域。
背景技术
基于椭球反射照明的显微测量装置作为一种特殊的显微镜，其结构特点是采用大数值孔径椭球反射镜，对样品实现前向与后向的大角度照明。该装置能够有效地克服传统显微系统分辨力受数值孔径限制的不足，大幅度提高系统的横向分辨力和轴向分辨力，具有广阔的应用前景。
椭球反射镜作为椭球反射照明显微测量装置中的核心光学元件，其面形精度直接决定显微成像效果。为了保证椭球反射镜的面形精度，充分发挥基于椭球反射照明的显微测量装置的技术优势，需要对椭球反射镜面形进行高精度检测。
根据被测元件的几何形状，可将面形检测方法分为平面面形检测、球面面形检测和非球面面形检测。其中，非球面面形检测方法与平面面形检测方法和球面面形检测方法存在本质区别。非球面面形检测方法主要包括光检法和接触测量法，其中，光检法观测直接、灵敏度高并且不会对被测面造成划伤，但是无法定量测量；而接触测量法虽然动态范围大，但容易对被测表面造成划伤。
发明内容
针对椭球反射镜面形检测的技术需求，以及光检法和接触测量法的技术问题，本发明公开了一种椭球反射镜面形检测装置和方法，能够实现在不接触椭球反射镜条件下，完成对椭球反射镜直接、高灵敏度、大动态范围的测量。
本发明的目的是这样实现的：
一种椭球反射镜面形检测装置，沿光轴方向依次设置面形检测干涉仪、聚焦透镜、椭球反射镜和面形参考球；其中，聚焦透镜的焦点和椭球反射镜的第一焦点重合，面形参考球的球心和椭球反射镜的第二焦点重合；面形检测干涉仪发出平行光束，经过聚焦透镜后会聚到椭球反射镜的第一焦点，形成点光源，再经过椭球反射镜反射，照射到面形参考球上，从面形参考球表面反射的光束，再依次经过椭球反射镜反射和聚焦透镜折射，最后入射到集成在面形检测干涉仪中的图像传感器上。
上述椭球反射镜面形检测装置，所述面形参考球表面镀膜，镀膜方法是先对面形参考球的半球面镀膜，再对面形参考球的剩余部分镀膜。
上述椭球反射镜面形检测装置，所述面形参考球为非镀膜的金属球体。
一种在上述椭球反射镜面形检测装置上实现的椭球反射镜面形检测方法，包括以下步骤：
步骤a、放置面形参考球
将面形参考球放置在椭球反射镜第二焦点邻域内；
步骤b、确定面形参考球的径向位置
在径向移动面形参考球，移动原则为：只要图像传感器上的干涉图样的对称性减弱，就向相反方向移动面形参考球，干涉图样完全对称时，所对应面形参考球的径向位置即为所求；
步骤c、确定面形参考球的轴向位置
在轴向移动面形参考球，移动原则为：只要图像传感器上的干涉图样的圆环数量增加时，就向相反方向移动面形参考球，干涉图样的圆环数量最少时，所对应面形参考球的轴向位置即为所求；
步骤d、计算椭球反射镜的面形误差E1
利用反射波前与参考波前偏差的极差K和面形参考球的面形误差E2，按照E1＝(K-2E2)/4计算得到椭球反射镜的面形误差E1；
所述反射波前与参考波前偏差的极差K能够从面形检测干涉仪上间接读取；
所述面形参考球的面形误差E2为已知。
有益效果：
本发明不仅提供了一种全新的椭球反射镜面形检测技术手段，实现了在不接触椭球反射镜条件下，完成了对椭球反射镜直接、高灵敏度、大动态范围的测量，除此之外，本发明还具有以下技术优势：
第一、本发明椭球反射镜面形检测装置仅包括面形检测干涉仪、聚焦透镜、椭球反射镜和面形参考球，由于元件数量少，因此具有结构简单，装调方便的技术优势。
第二、在本发明椭球反射镜面形检测装置结构下，将椭球反射镜的面形误差、反射波前与参考波前偏差的极差以及面形参考球的面形误差有机结合，利用反射波前与参考波前偏差的极差以及面形参考球的面形误差直接得到椭球反射镜面形误差，具有方法简单实用的技术优势。
第三、由于反射波前与参考波前偏差的极差能够从面形检测干涉仪上间接读取，面形参考球的面形误差为已知或能够通过传统面形检测手段得到，因此具有快速测量的技术优势。
附图说明
图1是本发明椭球反射镜面形检测装置的结构示意图。
图2是本发明椭球反射镜面形检测方法的流程图。
图中：1面形检测干涉仪、2聚焦透镜、3椭球反射镜、4面形参考球。
具体实施例
下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。
具体实施例一
本实施例是椭球反射镜面形检测装置实施例。
本实施例的椭球反射镜面形检测装置，结构示意图如图1所示。该椭球反射镜面形检测装置，沿光轴方向依次设置面形检测干涉仪1、聚焦透镜2、椭球反射镜3和面形参考球4；其中，聚焦透镜2的焦点和椭球反射镜3的第一焦点重合，面形参考球4的球心和椭球反射镜3的第二焦点重合；面形检测干涉仪1发出平行光束，经过聚焦透镜2后会聚到椭球反射镜3的第一焦点，形成点光源，再经过椭球反射镜3反射，照射到面形参考球4上，从面形参考球4表面反射的光束，再依次经过椭球反射镜3反射和聚焦透镜2折射，最后入射到集成在面形检测干涉仪1中的图像传感器上。
具体实施例二
本实施例是椭球反射镜面形检测装置实施例。
本实施例的椭球反射镜面形检测装置，在具体实施例一的基础上，进一步限定：所述面形参考球4表面镀膜，镀膜方法是先对面形参考球4的半球面镀膜，再对面形参考球4的剩余部分镀膜。
本实施例要求面形参考球4表面镀膜，并限定了镀膜方法，在这样的技术条件下，能够保证镀膜工作区域对称，使测量结果不受面形参考球4方向的影响，减少一个误差源，提高检测精度。
具体实施例三
本实施例是椭球反射镜面形检测装置实施例。
本实施例的椭球反射镜面形检测装置，在具体实施例一的基础上，进一步限定：所述面形参考球4为非镀膜的金属球体。
本实施例要求面形参考球4为非镀膜的金属球体，在这样的技术条件下，同样能够保证镀膜工作区域对称，使测量结果不受面形参考球4方向的影响，减少一个误差源，提高检测精度。
具体实施例四
本实施例是椭球反射镜面形检测方法实施例。
本实施例的椭球反射镜面形检测方法，流程图如图2所示，该方法在具体实施例一所述的椭球反射镜面形检测装置上实现，包括以下步骤：
步骤a、放置面形参考球4
将面形参考球4放置在椭球反射镜3第二焦点邻域内；
步骤b、确定面形参考球4的径向位置
在径向移动面形参考球4，移动原则为：只要图像传感器上的干涉图样的对称性减弱，就向相反方向移动面形参考球4，干涉图样完全对称时，所对应面形参考球4的径向位置即为所求；
步骤c、确定面形参考球4的轴向位置
在轴向移动面形参考球4，移动原则为：只要图像传感器上的干涉图样的圆环数量增加时，就向相反方向移动面形参考球4，干涉图样的圆环数量最少时，所对应面形参考球4的轴向位置即为所求；
步骤d、计算椭球反射镜3的面形误差E1
利用反射波前与参考波前偏差的极差K和面形参考球4的面形误差E2，按照E1＝(K-2E2)/4计算得到椭球反射镜3的面形误差E1；
所述反射波前与参考波前偏差的极差K能够从面形检测干涉仪1上间接读取；
所述面形参考球4的面形误差E2为已知。
Claims (4)
1.一种椭球反射镜面形检测装置，其特征在于，沿光轴方向依次设置面形检测干涉仪(1)、聚焦透镜(2)、椭球反射镜(3)和面形参考球(4)；其中，聚焦透镜(2)的焦点和椭球反射镜(3)的第一焦点重合，面形参考球(4)的球心和椭球反射镜(3)的第二焦点重合；面形检测干涉仪(1)发出平行光束，经过聚焦透镜(2)后会聚到椭球反射镜(3)的第一焦点，形成点光源，再经过椭球反射镜(3)反射，照射到面形参考球(4)上，从面形参考球(4)表面反射的光束，再依次经过椭球反射镜(3)反射和聚焦透镜(2)折射，最后入射到集成在面形检测干涉仪(1)中的图像传感器上。
2.根据权利要求1所述的椭球反射镜面形检测装置，其特征在于，所述面形参考球(4)表面镀膜，镀膜方法是先对面形参考球(4)的半球面镀膜，再对面形参考球(4)的剩余部分镀膜。
3.根据权利要求1所述的椭球反射镜面形检测装置，其特征在于，所述面形参考球(4)为非镀膜的金属球体。
4.一种在权利要求1所述椭球反射镜面形检测装置上实现的椭球反射镜面形检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、放置面形参考球(4)
将面形参考球(4)放置在椭球反射镜(3)第二焦点邻域内；
步骤b、确定面形参考球(4)的径向位置
在径向移动面形参考球(4)，移动原则为：只要图像传感器上的干涉图样的对称性减弱，就向相反方向移动面形参考球(4)，干涉图样完全对称时，所对应面形参考球(4)的径向位置即为所求；
步骤c、确定面形参考球(4)的轴向位置
在轴向移动面形参考球(4)，移动原则为：只要图像传感器上的干涉图样的圆环数量增加时，就向相反方向移动面形参考球(4)，干涉图样的圆环数量最少时，所对应面形参考球(4)的轴向位置即为所求；
步骤d、计算椭球反射镜(3)的面形误差E1
利用反射波前与参考波前偏差的极差K和面形参考球(4)的面形误差E2，按照E1＝(K-2E2)/4计算得到椭球反射镜(3)的面形误差E1；
所述反射波前与参考波前偏差的极差K能够从面形检测干涉仪(1)上间接读取；
所述面形参考球(4)的面形误差E2为已知。
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