[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉及光学测量领域，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

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 这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涉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以达到预期的成像质 量，然而非球面镜的引入成功解决了这一问题，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， 这是因为：球面有无数个对称轴，而非球面只有一个，所以非球面不能采 用球面加工时的方法加工；非球面各环带的曲率半径不同，在抛光时难以 修正。目前，非球面检测的主要方法是轮廓法和干涉法。

干涉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Zygo公司的Fizeau干涉仪。 但是这种干涉仪要实现对非球面的测量，需要特殊的方法或装置。在干涉 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。虽然这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。

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FormTalysurf，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，这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；三坐标测量机也是接触式测量仪器，通过对空间坐标的测量， 可以获得被测表面的外形轮廓，典型的如ZEISS的MICURA，这种设备测 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。

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

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，以至少解决以往在非球面测量过程中需要已知非 球面对应的几何参数，以及测量方法精度不高，对待测非球面造成损伤等 问题。

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，包括以下步骤：

使用干涉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；

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R₀、二次项系数K和高次项系数A_n；

依据所述待测非球面的顶点曲率半径R₀、二次项系数K和高次项系数 A_n，计算获得所述待测非球面的理想矢高面；

使用干涉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；

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。

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R₀、二次项系数K和高次项系数A_n步骤，具体为：

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R₀、二 次项系数K和高次项系数A_n；

所述公式(a)具体为，