一种旋转对称未知非球面面形误差的测量方法及其测量装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及光学测量领域，特别提供了一种旋转对称未知非球面面形误差的测量 方法及其测量装置。
【背景技术】
[0002] 在光学系统中的透镜及反射镜，曲面形式多数为平面和球面，原因是运些简单形 式的曲面加工、检测容易，能够做到批量化生产，也容易达到高精度的面形要求，尤其是各 种高精度面形检测干设仪的出现大大降低了高精度平面和球面面形检测的难度。尽管如 此，在某些高精度成像系统中，如光刻物镜及核聚变系统，仅仅使用平面和球面镜难W达到 预期的成像质量，然而非球面镜的引入成功解决了运一问题，而且非球面的应用增加了非 球面设计的自由度，对改善光学系统的成像质量，提高光学性能，减小外形尺寸和重量几方 面起着重要作用。采用非球面技术设计的光学系统，可消除球差、慧差、象散、场曲，减小光 能损失，从而获得高质量的成像和高品质的光学特性。然而，非球面的加工和检测都要比球 面困难很多，运是因为:球面有无数个对称轴，而非球面只有一个，所W非球面不能采用球 面加工时的方法加工;非球面各环带的曲率半径不同，在抛光时难W修正。目前，非球面检 测的主要方法是轮廓法和干设法。
[0003] 干设测量法是测量光学元件的重要方法，既能实现高精度测量，又不会对待测面 产生损伤，比较典型的测量仪器如巧go公司的Fizeau干设仪。但是运种干设仪要实现对非 球面的测量，需要特殊的方法或装置。在干设测量法中常用的测量方法有无像差点法、补偿 镜法、计算全息图法、环带拼接法、子孔径拼接法、长波长法等。虽然运些方法均能实现高精 度测量，但是前提是必须知道非球面的所有几何参数，且补偿镜法、计算全息图法所使用的 补偿装置只能针对一种非球面，无像差点法只针对二次曲面。
[0004] 轮廓测量法采用接触式或非接触式的测量方式，直接测量非球面的矢高，然后利 用非球面方程，减去理想非球面的轮廓线，从而得到非球面的面形轮廓线。接触式测量仪器 的典型代表有化rm Talysurf，采用探针直接与非球面接触，通过横向移动探针，并记录探 针的高度变化，从而获得非球面的轮廓，运种设备存在测量行程与测量精度矛盾的特点，且 容易划伤被测表面;Ξ坐标测量机也是接触式测量仪器，通过对空间坐标的测量，可W获得 被测表面的外形轮廓，典型的如ZEISS的MICURA，运种设备测量范围大，但是测量精度相对 较低，且容易对被测表面造成损伤。
[0005] 因此，如何研发一种在完全未知被测面的几何参数的情况下，实现无损伤检测，成 为人们亟待解决的问题。
【发明内容】
[0006] 鉴于此，本发明的目的在于提供一种旋转对称未知非球面面形误差的测量方法及 其测量装置，W至少解决W往在非球面测量过程中需要已知非球面对应的几何参数，W及 测量方法精度不高，对待测非球面造成损伤等问题。
[0007] 本发明一方面提供了一种旋转对称未知非球面面形误差的测量方法，其特征在 于，包括W下步骤：
[0008] 使用干设仪沿待测非球面表面一经线方向进行逐点扫描采样，获得一组关于待测 非球面空间坐标的数组L(x，z，t)，其中，所述数组L(x，z，t)中包含待测非球面的顶点空间 坐标；
[0009] 依据所述数组L(x，z，t)，利用最小二乘拟合法计算获得所述待测非球面的顶点曲 率半径Ro、二次项系数K和高次项系数An;
[0010] 依据所述待测非球面的顶点曲率半径Ro、二次项系数K和高次项系数An,计算获得 所述待测非球面的理想矢高面；
[0011] 使用干设仪对所述待测非球面整个表面进行逐点扫描采样，获得所述待测非球面 的测量矢高面；
[0012] 将所述待测非球面的测量矢高面与所述待测非球面的理想矢高面进行比较，获得 所述待测非球面的面形误差。
[0013] 优选，依据所述数组L(x，z，t)，利用最小二乘拟合法计算获得所述待测非球面的 顶点曲率半径Ro、二次项系数K和高次项系数An步骤，具体为：
[0014] 将所述数组L(x，z，t)中各采样点对应的X向和Z向值代入到公式(a)中，当公式(a) 的值最小时，计算得到待测非球面相应的顶点曲率半径Ro、二次项系数K和高次项系数An;
[0015] 所述公式(a)具体为，
[0016]
[0017] 其中，N为采样点个数，C = 1 /Ro为顶点曲率，Ro为顶点曲率半径，K为二次项系数，Μ 为非球面系数的总阶数，An为高次项系数。
[0018] 进一步优选，依据所述待测非球面的顶点曲率半径Ro、二次项系数K和高次项系数 An,计算获得所述待测非球面的理想矢高面公式为：
[0019]
[0020] 其中，Z为非球面的矢高，c = l/Ro为顶点曲率，Ro为顶点曲率半径，K为二次项系数， P为非球面的径向坐标，Μ为非球面系数的总阶数，An为高次项系数。
[0021] 进一步优选，干设仪进行扫描采样过程中，干设仪的测量头始终保持与待测非球 面垂直，且测量头到待测非球面的距离保持恒定。
[0022] 进一步优选，所述测量头到被测非球面的距离大于测量头的焦距。
[0023] 本发明另一方面还提供了一种旋转对称未知非球面面形误差的测量装置，其特征 在于，包括：
[0024] 基座 1;
[0025] 龙口吊2,跨设于所述基座1的上方，其包括横梁21和设置于所述横梁21下方的支 架22;
[0026] 气浮转台3,位于所述龙口吊2的下方，安装于所述基座1的上表面；
[0027] 调平调屯、工作台4,固定安装于所述气浮转台3的上方；
[0028] 二维运动台5,与所述气浮转台3上表面垂直，固定安装于所述基座1上；
[0029] T向旋转台6,垂直连接于所述二维运动台5上；
[0030] X向参考测头反射镜7,固定设置于所述龙口吊2的一侧支架22上；
[0031] Z向参考测头反射镜8,固定设置于所述龙口吊2的横梁21上，且与所述X向参考测 头反射镜7垂直；
[0032] T向圆弧形反射镜9,与所述二维运动台5固定连接；
[0033] 多波长干设仪10,其包括X向参考测头1001、Z向参考测头1002、Τ向参考测头1003、 目标测头1004,其中，所述X向参考测头1001和Ζ向参考测头1002分别固定连接于所述Τ向圆 弧形反射镜9的第一侧壁901和第二侧壁902上，且所述X向参考测头1001与所述X向参考测 头反射镜7相对，所述Ζ向参考测头1002与所述Ζ向参考测头反射镜8相对，所述Τ向参考测头 1003和目标测头1004背向连接，且均与所述Τ向旋转台6固定连接，所述Τ向参考测头1003与 所述Τ向圆弧形反射镜9的内弧面相对；
[0034] 主控计算机11，分别与所述气浮转台3、二维运动台5、Τ向旋转台6和多波长干设仪 10连接，用于控制所述气浮转台3、二维运动台5和Τ向旋转台6的运动，接收所述波长干设仪 10中X向参考测头1001、Ζ向参考测头1002和Τ向参考测头1003发送的位置信息W及目标测 头1004发送的光强大小和与待测非球面15的距离量。
[0035] 优选，所述基座1包括：
[0036] 大理石隔振台101W及用于所述大理石隔振台101支撑的气浮隔振腿102。
[0037] 进一步优选，所述Τ向圆弧形反射镜9为圆屯、角为120°的弧形镜，且弧形