非球面光学元件面形检测装置的制作方法

本发明涉及光学元件测量技术领域，尤其是涉及一种非球面光学元件的面形检测装置。

背景技术：

由于非球面光学元件的使用，不仅可以使光学系统的性能显著提升，而且可以简化系统的结构、降低系统的重量与成本，因此非球面光学元件在民用、军用、天文、航空航天等领域得到广泛应用。随着空间技术不断发展，人们对光学系统分辨率与接收能量的要求越来越高，因此，对非球面光学元件的面形精度要求越来越高，这时就需要与之对应的高精度加工设备与检测技术作支撑。

光学干涉检测是基于参考光束与被测光束叠加原理。在干涉检测中，使用参考光束入射待测非球面，从待测非球面反射回的波前会包含非球面的面形信息，因此将入射的参考波前与从待测面反射回来的光束干涉形成干涉条纹，通过分析干涉条纹的明暗变化和形状变化来获得待测非球面的面形信息。

现有的光学元件面形干涉仪测量设备，测量方向上主要有两种形式：一种形式为卧式，测量光束为水平方向，一种形式为立式向下，测量光束垂直向下。然而，当非球面光学元件在实际使用中处于倒置状态时，由于非球面光学元件对支撑精度的要求极高，其在加工和装调过程中的检测条件均需要与实际使用中的状态相同，即非球面光学元件在检测时也需要保持倒置状态，也即反射镜面垂直向下，而测量光束垂直向上进行检测。

然而，现有技术中，并没有测量光束垂直向上进行检测的光学元件面形测量干涉仪设备。

技术实现要素：

本发明实施方式主要解决的技术问题是提供一种非球面光学元件面形检测装置，其测量光束垂直向上对非球面光学元件进行检测，提高了非球面光学元件的面形检测精度。

为解决上述技术问题，本发明实施方式采用的一个技术方案是：提供一种非球面光学元件面形检测装置，用于对非球面光学元件的面形信息进行检测，包括干涉仪和沿垂直方向从下至上依序设置的反射镜、移相器、标准镜、补偿镜和所述非球面光学元件；所述干涉仪用于出射水平方向的测量光束；所述反射镜用于将所述水平方向的测量光束转变成垂直向上的测量光束；所述移相器用于调整所述垂直向上的测量光束的相位；所述标准镜用于提供参考面以对所述垂直向上的测量光束进行反射；所述补偿镜用于补偿所述非球面光学元件的面形；所述非球面光学元件反射的测量光束与所述标准镜的参考面反射的测量光束在所述干涉仪中形成干涉条纹。

在其中一些实施方式中，所述非球面光学元件面形检测装置还包括主体，所述主体包括相对设置的底板和顶板、固定连接于所述底板和所述顶板之间的第一侧板和第二侧板以及平行且固定设置于所述底板和所述顶板之间安装板，所述第一侧板和所述第二侧板相对设置；所述干涉仪和所述反射镜固定设置于所述底板上，所述移相器、所述标准镜和所述补偿镜固定设置于所述安装板上，所述非球面光学元件活动地设置于所述第一侧板和所述第二侧板之间。

在其中一些实施方式中，所述非球面光学元件面形检测装置包括45度反射镜组件，所述45度反射镜组件包括所述反射镜、反射镜支撑框、反射镜安装板和支撑架，所述反射镜固定设置于所述反射镜支撑框上，所述反射镜支撑框固定设置于所述反射镜安装板上，所述反射镜安装板固定设置于所述支撑架上，所述支撑架固定设置于所述底板上。

在其中一些实施方式中，所述非球面光学元件面形检测装置包括标准镜组件，所述标准镜组件包括所述标准镜和支撑座，所述标准镜通过所述支撑座固定设置于所述移相器上，所述支撑座相对于所述移相器的斜度可调。

在其中一些实施方式中，所述非球面光学元件面形检测装置包括补偿镜组件，所述补偿镜组件包括所述补偿镜和支撑部，所述支撑部包括支撑板和补偿镜框；所述支撑板固定设置于所述安装板上，所述补偿镜框设置于所述支撑板上且所述补偿镜框相对于所述安装板的斜度可调，所述补偿镜固定设置于所述补偿镜框上。

在其中一些实施方式中，所述非球面光学元件面形检测装置包括非球面光学元件组件，所述非球面光学元件组件包括所述非球面光学元件、支撑框、支撑螺杆、支撑螺母和法兰；所述非球面光学元件固定设置于所述支撑框上；所述支撑螺杆穿设于所述支撑框和所述法兰上，且通过所述支撑螺母与所述支撑螺杆螺纹连接使所述支撑框和所述法兰固定连接。

在其中一些实施方式中，所述支撑框包括支撑筒和定位部，所述支撑筒为中空圆筒状，所述所述非球面光学元件固定设置于所述支撑筒上的一端；所述定位部从所述支撑筒的外壁向远离所述支撑筒延伸；所述支撑螺杆的一端固定设置于所述法兰上，所述支撑螺杆的另一端穿过所述定位部。

在其中一些实施方式中，所述非球面光学元件面形检测装置还包括转台，所述转台与所述法兰固定连接，所述转台用于带动所述非球面光学元件组件旋转。

在其中一些实施方式中，所述非球面光学元件面形检测装置还包括第一调整机构，所述第一调整机构包括安装块、水平滑轨和正交滑轨，所述水平滑轨和所述正交滑轨垂直设置，所述安装块滑动地设置于所述水平滑轨上，所述水平滑轨滑动地设置于所述正交滑轨上，所述转台固定设置于所述安装块上。

在其中一些实施方式中，所述非球面光学元件面形检测装置还包括第二调整机构，所述第二调整机构包括调整板、第一移动副、第二移动副和第三移动副，所述第一移动副、第二移动副和第三移动副用于带动所述调整板沿垂直方向移动和倾斜运动。

在其中一些实施方式中，所述非球面光学元件面形检测装置还包括测长干涉仪，所述测长干涉仪包括主机和多个反射角镜，所述主机设置于所述顶板上，所述多个反射角镜设转置于所述调整板上。

在其中一些实施方式中，所述非球面光学元件面形检测装置还包括防震组件，所述防震组件从所述主体的外部对所述主体进行支撑，所述防震组件对所述主体的支撑点与所述干涉仪的干涉腔等高。

本发明实施方式的有益效果是：本发明实施方式的非球面光学元件面形检测装置，通过干涉仪和沿垂直方向从下至上依序设置的反射镜、移相器、标准镜、补偿镜和非球面光学元件，对非球面光学元件进行面形检测，实现了非球面光学元件被测面竖直向下方向测量，从而减小了其他方向测量中支撑方式和重力方向对检测精度的影响，提高了非球面光学元件的面形检测准确度。

附图说明

图1是本发明实施方式的非球面光学元件面形检测装置的测量光路原理图。

图2是本发明实施方式的非球面光学元件面形检测装置的立体结构示意图。

图3是本发明实施方式的45度反射镜组件的立体结构示意图。

图4是本发明实施方式的非球面光学元件组件的立体结构示意图。

图5是本发明实施方式的第二调整机构的立体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

值得说明的是，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”或“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电加接；可以是直接连接，也可以通过中间元件间接相连，也可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

图1为本发明实施方式的非球面光学元件面形检测装置的测量光路原理图，非球面光学元件面形检测装置采用光学干涉测量原理对非球面光学元件的面形信息进行检测。非球面光学元件面形检测装置100包括干涉仪10、反射镜21、移相器31、标准镜41、补偿镜51和非球面光学元件61，其中，干涉仪10出射水平方向的测量光束；所述水平方向的测量光束经45度反射镜21反射转变为垂直向上的测量光束；所述垂直向上的测量光束再依次经过移相器31、标准镜41和补偿镜51，最终到达非球面光学元件61，其中移相器31用于调整测量光束的相位，以便获得多幅测量数据，标准镜41用于提供参考面，补偿镜51用于补偿非球面镜面形，使之可以进行检测；经非球面光学元件61反射回的测量光束与经标准镜41的参考面反射回的测量光束在干涉仪10中形成干涉图样，通过对所述干涉图样进行分析，得到非球面光学元件61的面形测量数据。

具体地，图2为本发明实施方式的非球面光学元件面形检测装置100的立体结构示意图。非球面光学元件面形检测装置100包括主体101、干涉仪10、从下至上依序设置于主体101上的45度反射镜组件20、移相器31、标准镜组件40、补偿镜组件50和非球面光学元件组件60，以及转台70、第一调整机构80和第二调整机构90。

本发明实施方式中，主体101为框架结构，主体101包括相对设置的底板1011和顶板1012、固定连接于底板1011和顶板1012之间的第一侧板1013、第二侧板1014以及平行且固定设置于底板1011和顶板1012之间的安装板1015。第一侧板1013和第二侧板1014相对设置。

底板1011上设置有干涉仪安装板1016，干涉仪安装板1016上开设有第一安装孔1017，干涉仪10通过第一安装孔1017装设于第一侧板1013上。干涉仪10出射水平方向的测量光束。

45度反射镜组件20固定设置于底板1011上。请参阅图3，本发明实施方式中，45度反射镜组件20包括反射镜21、反射镜支撑框22、反射镜安装板23和支撑架24。反射镜21固定设置于反射镜支撑框22上，反射镜支撑框22固定设置于反射镜安装板23上，反射镜安装板23固定设置于支撑架24上，支撑架24固定设置于底板1011上。

本发明实施方式中，支撑架24包括两个支撑单元241，支撑单元241为等腰直角三角形，支撑单元241通过一个直角边固定设置于底板1011上，反射镜安装板23固定设置于两个支撑单元241的斜边上，以使反射镜安装板23相对于底板1011上成45度夹角，进而使固定设置于反射镜安装板23上的反射镜21相对于底板1011上成45度夹角。干涉仪10出射的水平方向的测量光束经反射镜21反射转变为垂直向上的测量光束。

本发明实施方式中，反射镜21与反射镜支撑框22通过柔性结构连接，以使反射镜支撑框22不会损伤反射镜21。反射镜支撑框22通过三个紧定螺钉25固定设置于反射镜安装板23上，而且，通过分别调整三个紧定螺钉25的旋入深度，可以对反射镜支撑框22相对于反射镜安装板23的角度进行微调，从而对反射镜21相对于底板1011的角度进行微调，防止了45度反射镜组件20经过多个连接结构后，反射镜21相对于底板1011的角度与45度存在误差，从而保证了反射镜21相对于底板1011的45度夹角的精确度。

可以理解的是，反射镜21与反射镜支撑框22也可以通过刚性结构连接。可以理解的是，反射镜支撑框22不限于通过三个紧定螺钉25与反射镜安装板23固定连接，反射镜支撑框22可以通过至少一个紧定螺钉25与反射镜安装板23固定连接。可以理解的是，反射镜支撑框22不限于仅通过紧定螺钉25与反射镜安装板23连接且调整反射镜支撑框22相对于反射镜安装板23的角度，例如，反射镜支撑框22还可以通过弹簧等结构与反射镜安装板23连接调整反射镜支撑框22相对于反射镜安装板23的角度。

主体101的安装板1015上开设有第二安装孔(图未示)，移相器31相应于所述第二安装孔固定设置于安装板1015上。移相器31用于对垂直向上的测量光束的相位进行调整，以获得多幅测量数据。

请继续参阅图2，标准镜组件40固定设置于移相器31上。标准镜组件40包括标准镜41和支撑座42，标准镜41通过支撑座42固定设置于移相器31上，且标准镜41的光轴与经反射镜21反射且通过移相器31的垂直向上的测量光束同轴。标准镜41用于提供参考面，以对测量光束进行反射。本发明实施方式中，支撑座42相对于移相器31的斜度可调，以使标准镜41的光轴可以精确地调整为与经反射镜21反射且通过移相器31的垂直向上的测量光束同轴。

请继续参阅图2，补偿镜组件50固定设置于主体101的安装板1015上。补偿镜组件50包括补偿镜51和支撑部52，支撑部52固定设置于主体101的安装板1015上，补偿镜51设置于支撑部52上。具体地，支撑部52包括支撑板521和补偿镜框522，支撑板521固定设置于安装板1015上，补偿镜框522固定设置于支撑板521上且补偿镜框522与安装板1015平行设置。补偿镜51设置于补偿镜框522上，以使补偿镜51的光轴与透射过标准镜41的垂直向上的测量光束同轴。本发明实施方式中，支撑部52的补偿镜框522相对于安装板1015的斜度可调，以使补偿镜51的光轴可以精确地调整为与透射过标准镜41的垂直向上的测量光束同轴。

请继续参阅图2，第二调整机构90设置于主体101的第一侧板1013和第二侧板1014上，第一调整机构80设置于第二调整机构90上，转台70设置于第一调整机构80上，非球面光学元件组件60设置于转台70上。其中，转台70用于带动非球面光学元件组件60旋转；第一调整机构80用于带动转台70和非球面光学元件组件60水平移动；第二调整机构90用于带动第一调整机构80、转台70和非球面光学元件组件60垂直移动和倾斜运动。

请参阅图4，非球面光学元件组件60包括非球面光学元件61、支撑框62、支撑螺杆63、支撑螺母64和法兰65。非球面光学元件61固定设置于支撑框62上，支撑框62通过支撑螺杆63与支撑螺母64螺纹连接而设置于法兰65上。

具体地，本发明实施方式中，支撑框62包支撑筒621和定位部623。支撑筒621为中空圆筒状，非球面光学元件61固定设置于支撑筒621的一端，本发明实施方式中，非球面光学元件61与支撑筒621通过胶粘方式进行固定连接。定位部623从支撑筒621的外壁向远离支撑筒621延伸，本发明实施方式中，定位部623为从支撑筒621的外壁向外延伸形成的三个凸耳。

支撑螺杆63的一端固定设置于法兰65上，支撑螺杆63的另一端穿过支撑框62的定位部623，并通过支撑螺母64与支撑螺杆63穿过支撑框62的一端螺纹连接。当非球面光学元件组件60倒置时，也即，非球面光学元件61朝向补偿镜组件50设置时，支撑框62因为自身重力作用，抵持于支撑螺母64上，从而以使支撑框62通过支撑螺杆63和支撑螺母64设置于法兰65上。本发明实施方式中，支撑螺杆63和支撑螺母64的数量均为三个。进一步地，通过分别调整三个支撑螺母64相对支撑螺杆63的旋入深度，可以对定位部623相对于法兰65的角度进行微调，也就是说，可以对设置于支撑框62上的非球面光学元件61相对于法兰65的角度进行微调，以使非球面光学元件61的光轴与转台70的旋转轴平行，从而保证了对非球面光学元件61的面形检测的准确度。可以理解的是，支撑螺杆63和支撑螺母64的数量均不限于三个，例如，支撑螺杆63和支撑螺母64的数量还可以为至少一个。

请继续参阅图2，法兰65与转台70的固定连接，使转台70带动非球面光学元件61、支撑框62和法兰65一起旋转。本发明实施方式中，转台70优选为气浮转台，可以理解的是，转台70还可以为其他机械转台。

请继续参阅图2，转台70固定设置于第一调整机构80上。本发明实施方式中，第一调整机构80用于带动转台70和非球面光学元件组件60水平移动，具体来说，第一调整机构80包括安装块81、水平滑轨(图未示)和正交滑轨(图未示)，其中，所述水平滑轨和所述正交滑轨垂直设置；安装块81滑动地设置于所述水平滑轨上，所述水平滑轨滑动地设置于所述正交滑轨上；转台70固定设置于第一调整机构80的安装块81上。因此，第一调整机构80可以带动转台70和非球面光学元件组件60沿所述水平滑轨水平移动和/或带动转台70和非球面光学元件组件60沿所述正交滑轨水平移动。

请同时参阅图2和图5，第二调整机构90包括调整板91、第一移动副92、第二移动副93和第三移动副94。第一移动副92和第二移动副93结构相同，第一移动副92包括第一滑轨921、滑动地设置于第一滑轨921上的第一滑板922和第一驱动机构923，第二移动副93包括第二滑轨931、滑动地设置于第二滑轨931上的第二滑板932和第二驱动机构933；第三移动副94包括两个第三滑轨941、滑动地设置于两个第三滑轨941上的第三滑板942和第三驱动机构943。

请继续参阅图2，第一滑轨921和第二滑轨931平行地、间隔地、沿垂直方向固定设置于主体101的第一侧板1013上，两个第三滑轨941平行地、间隔地、沿垂直方向固定设置于主体101的第二侧板1014上。第一驱动机构923与第一滑板922固定连接，第一驱动机构923用于驱动第一滑板922沿第一滑轨921滑动；第二驱动机构933与第二滑板932固定连接，第二驱动机构933用于驱动第二滑板932沿第二滑轨931滑动；第三驱动机构943用于驱动第三滑板942沿两个第三滑轨941滑动。本发明实施方式中，第一、二和三驱动机构923、933和943均为丝杆组件，所述丝杆组件包括电机、丝杆和螺母，螺母螺接于丝杆上，电机用于驱动螺母旋转，从而带动与丝杆连接的第一、二和三滑板922、932和942沿相应的滑轨滑动。可以理解的是，第一、二和三驱动机构923、933和943还可以为气缸等其他驱动机构，本领域技术人员可以根据需求选择合适的驱动机构，此处不再赘述。

请继续参阅图5，调整板91的一侧与第一滑板922和第二滑板932可转动连接，调整板91的另一侧与第三滑板942可转动连接，本发明实施方式中，调整板91通过球铰链分别与第一滑板922、第二滑板932和第三滑板942可转动连接。

当第一、二和三驱动机构923、933和943同时驱动第一、二和三滑板922、932和942以相同的速度垂直滑动时，调整板91将保持水平的状态垂直移动；当第一、二和三驱动机构923、933和943以不同的速度驱动第一、二和三滑板922、932和942垂直滑动时，调整板91将以倾斜的状态垂直移动。可以理解的是，调节第一、二和三驱动机构923、933和943分别对第一、二和三滑板922、932和942的驱动速度，可以调整调整板91的倾斜方向和倾斜角度。例如，当第一、二和三驱动机构923、933和943同时驱动第一、二和三滑板922、932和942垂直向下滑动，第二、三驱动机构933和943的驱动速度相同，第一驱动机构923的驱动速度大于第二、三驱动机构933和943的驱动速度时，第一滑板922带动调整板91与第一滑板922连接的一角向下倾斜。从而调整板91带动设置于调整板91上的第一调整机构80、转台70和非球面光学元件组件60沿垂直方向移动和倾斜运动，通过第二调整机构90可以调整非球面光学元件61的位置和角度，以提高非球面光学元件61的面形检测的准确度。

可以理解，第三移动副94中的第三滑轨941的数量不限于两个，例如，第三滑轨941的数量还可以为一个，三个等。

本发明实施方式的非球面光学元件面形检测装置100还可以包括测长干涉仪102，测长干涉仪102包括主机1021和三个反射角镜1022，主机1021设置于主体101的顶板1012，三个反射角镜1022分别设置于第二调整机构90的调整板91上，且三个反射角镜1022分别对应调整板91与第一、二和三滑板922、932和942相连的部位设置。测长干涉仪102的主机1021出射光束，三个反射角镜1022对所述光束进行反射，三个反射角镜1022反射的光束在主机1021中形成干涉，进而测量出三个反射角镜1022的相对位置，再进一步地测量出调整板91的倾斜方向和倾斜角度。可以理解的是，反射角镜1022的数量并不限于三个，反射角镜1022的数量可以为多个，只需本领域技术人员可以根据多个反射角镜1022发射的光束测量出调整板91的倾斜方向和倾斜角度的即可。

请继续参阅图2，本发明实施方式的非球面光学元件面形检测装置100还可以包括防震组件103，防震组件103从主体101的外部对主体101进行支撑，且防震组件103对主体101的支撑点与干涉仪10的干涉腔等高，以减小非球面光学元件面形检测装置100受到的震动，从而提高了非球面光学元件面形检测装置100对非球面光学元件61的面形测量准确度。

本发明实施方式的非球面光学元件面形检测装置100，通过干涉仪10和沿垂直方向从下至上依序设置的反射镜21、移相器31、标准镜41、补偿镜51和非球面光学元件61，对非球面光学元件61进行面形检测，实现了非球面光学元件61进行面形检测时具有实际应用时相同的状态，从而提高了非球面光学元件61的面形检测准确度。而且通过第一调整机构80和第二调整机构90配合，其中，第一调整机构80实现水平两个方向的移动，第二调整机构90实现垂直方向移动和三个倾斜方向运动，所述六个自由度运动能够对非球面光学元件61的位置和角度进行精确调整，从而提高了非球面光学元件面形检测装置100对非球面光学元件61的面形测量准确度。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。