一种自由曲面的检测方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种光学自由曲面的检测方法。

背景技术：

传统的光学系统通常采用共轴系统，例如球面或者非球面镜。但随着光学设备的应用范围不断扩展，传统的光学系统已经无法满足光学设备高性能、小型化的要求。因此，非共轴反射系统应运而生。非共轴光学系统中光学自由曲面具有平面和球面等不能够替代的功能，因此，利用光学自由曲面形状来根据实际需要设计，使得光学自由曲面在成像、照明、测量等领域的应用越来越受到人们的青睐。

光学自由曲面通常指无法用球面或非球面系数来表示的光学曲面，主要指非旋转对称轴的曲面或只能用参数向量来表示的曲面。光学自由曲面广泛应用于复印打印设备中、彩色crt中、飞机的机窗等领域，因此，光学自由曲面的设计和制造技术逐渐成为研究热点。

然而，现有的光学自由曲面的检测难度很大，加工精度不高，成本大，特别是如何来实现光学自由曲面的高精密测量成为提高光学自由曲面设计的主要技术难题。

技术实现要素：

为了克服以上问题，本发明旨在提供一种光学自由曲面的检测方法，从而提高光学自由曲面的检测精度。

为了达到上述目的，本发明提供了一种光学自由曲面的检测方法，包括：

步骤01：提供一测试结构；测试结构具有光学自由曲面；

步骤02：获取光学自由曲面的中心位置；

步骤03：在光学自由曲面上划出多条曲线，以所述中心位置作为坐标原点，建立三维坐标系，获取多条曲线的曲线坐标数据；

步骤04：根据所述曲线坐标数据，拟合出模拟曲面；

步骤05：将模拟曲面和理论光学自由曲面进行比较，得到光学自由曲面的面形误差值。

优选地，所述步骤02具体包括：

步骤021：根据测试结构的外部轮廓尺寸来设定测试结构的外部轮廓的中心；

步骤022：找出经所述测试结构的外部轮廓的中心的光学自由曲面的一条法线，该法线与光学自由曲面的交点作为光学自由曲面的中心位置。

优选地，设定测试结构的外部轮廓尺寸的中心包括：测量测试结构的外部轮廓尺寸，根据外部轮廓尺寸计算出测试结构外部轮廓的几何中心。

优选地，当测试结构采用车削方式获得，则以测试结构的车削的中心为测试结构外部轮廓的中心。

优选地，所述步骤03中，具体包括：沿x方向划出多条x方向的曲线，并且，沿y方向划出多条y方向的曲线；x方向的曲线与y方向的曲线相交。

优选地，所述步骤03中，其中一条x方向的曲线划过所述中心位置；其中一条y方向的曲线划过所述中心位置与所述一条x方向的曲线相交。

优选地，沿x方向划出多条x方向的曲线，然后，获取x方向的曲线的曲线坐标数据；再获取x方向的曲线在z方向的厚度，将该z方向的厚度补偿到x方向的曲线的曲线坐标数据中，获得修正后的x方向的曲线的曲线坐标数据。

优选地，所述步骤05具体包括：建立理论光学自由曲面的坐标原点和三维坐标系，使得理论光学自由曲面的坐标原点与所述光学自由曲面的坐标原点在z方向上相对应，从而使得理论光学自由曲面与光学自由曲面相互平行；然后，获取理论光学自由曲面的坐标数据以及获取模拟曲面的坐标数据，再将相同x值和y值的理论光学自由曲面的z值与光学自由曲面的z值相减，从而得到光学自由曲面上每个点的误差值，光学自由曲面上每个点的x值、y值和相应的误差值构成光学自由曲面的面形误差值。

优选地，所述步骤03中，采用三坐标测量机来获取所述坐标原点，建立三维坐标系，以及获取所述曲线坐标数据。

本发明的一种光学自由曲面的检测方法，针对现有的光学自由曲面的检测难度大且精度低的问题，通过获取光学自由曲面的中心位置作为坐标原点建立三维坐标系，并且通过在光学自由曲面上划出多条曲线，从而获得曲线坐标数据，并据此拟合出模拟曲面，再根据模拟曲面和理论光学自由曲面的比较，得到光学自由曲面的面形误差值，从而实现了对光学自由曲面的有效监测，提高了光学自由曲面的检测精度。

附图说明

图1为本发明的一个较佳实施例的光学自由曲面的检测方法的流程示意图图2～10为本发明的一个较佳实施例的光学自由曲面的检测方法的各个制备步骤示意图

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容作进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

以下结合附图1～10和具体实施例对本发明作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、清晰地达到辅助说明本实施例的目的。

请参阅图1，本实施例的一种光学自由曲面的检测方法，包括：

步骤01：请参阅图2，提供一测试结构；测试结构具有光学自由曲面；

具体的，测试结构可以为任何工件，例如，各种反射镜、凹凸透镜等。

步骤02：获取光学自由曲面的中心位置；

具体的，本实施例中，获取光学自由曲面的中心位置的具体过程可以包括：

步骤021：根据测试结构的外部轮廓尺寸来设定测试结构的外部轮廓的中心；这里，设定测试结构的外部轮廓尺寸的中心包括：测量测试结构的外部轮廓尺寸，根据外部轮廓尺寸计算出测试结构外部轮廓的几何中心。此外，当测试结构采用车削方式获得，则以测试结构的车削的中心为测试结构外部轮廓的中心。

或者，首先，请参阅图3，采用红外探测仪获得测试结构的外部轮廓尺寸数据，然后，请参阅图4，拟合出测试结构外部轮廓的第一模拟多边形，然后，找出第一模拟多边形的几何中心；接着，请参阅图5，将第一模拟多边形进行多次旋转，每次旋转角度相同，每次旋转后可以移动第一模拟多边形使其顶点较多地贴合在外部轮廓上，并找出每次旋转后的第一模拟多边形的几何中心，直至第一模拟多边形恢复原位；然后，将所有得到的第一模拟多边形的几何中心依序连接，得到第二模拟多边形，再找出第二模拟多边形的几何中心作为测试结构外部轮廓的中心。需要说明的是，采用该方法找几何中心时，上述图5和图6中示出了规则的外部轮廓，规则的外部轮廓如圆形、椭圆形、正多边形等对称图形，多次旋转后得到的第一模拟多边形的多个几何中心基本上在同一位置，从而可以利用上述方法更加精准确定几何中心；针对不规则的外部轮廓，如图6所示，虚线框表示旋转的第一模拟多边形，实线轮廓表示外部轮廓，可以看到，虚线轮廓旋转后得到的多个几何中心为黑圆点，这里示出了四个旋转虚线轮廓，得到四个黑圆点表示四个几何中心，将这四个黑圆点依序连接得到一个四边形，然后利用四边形很容易获取外部轮廓的中心，如图6中黑五角星所示。

步骤022：请参阅图7，找出经测试结构的外部轮廓的中心的光学自由曲面的一条法线，该法线与光学自由曲面的交点作为光学自由曲面的中心位置。这里，需要说明的是，当存在有多条法线经过外部轮廓的中心时，选取光学自由曲面上相对于外部轮廓所构成平面的高度最大的位置所在法线，也即是z值最大的位置所在法线。

步骤03：请参阅图8，在光学自由曲面上划出多条曲线，以中心位置作为坐标原点，建立三维坐标系，获取多条曲线的曲线坐标数据；

具体的，本实施例中，可以采用轮廓仪来在光学自由曲面上划线，曲线坐标数据的获取可以采用如下方式：沿x方向划出多条x方向的曲线，并且，沿y方向划出多条y方向的曲线；x方向的曲线与y方向的曲线相交。为了进一步提高检测精度，本实施例中可以设置其中一条x方向的曲线划过所述中心位置，其中一条y方向的曲线划过所述中心位置与所述一条x方向的曲线相交。本实施例中，可以采用三坐标测量机来获取所述坐标原点，建立三维坐标系，以及获取曲线坐标数据。

步骤04：请参阅图9，根据曲线坐标数据，拟合出模拟曲面；

具体的，本实施例中，可以但不限于采用matlab软件进行拟合，拟合模拟曲面的方法可以包括：

步骤041：沿x方向划出多条x方向的曲线；

步骤042：获取x方向的曲线的曲线坐标数据；

步骤043：获取x方向的曲线在z方向的厚度，将该z方向的厚度补偿到x方向的曲线的曲线坐标数据中，获得修正后的x方向的曲线的曲线坐标数据。

步骤05：请参阅图10，将模拟曲面和理论光学自由曲面进行比较，得到光学自由曲面的面形误差值。

具体的，建立理论光学自由曲面的坐标原点和三维坐标系，使得理论光学自由曲面的坐标原点与光学自由曲面的坐标原点在z方向上相对应，从而使得理论光学自由曲面与光学自由曲面相互平行，如图10所示；然后，获取理论光学自由曲面的坐标数据以及获取模拟曲面的坐标数据，再将相同x值和y值的理论光学自由曲面的z值与光学自由曲面的z值相减，从而得到光学自由曲面上每个点的误差值，光学自由曲面上每个点的x值、y值和相应的误差值构成光学自由曲面的面形误差值。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然所述实施例仅为了便于说明而举例而已，并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，本发明所主张的保护范围应以权利要求书所述为准。