[发明专利]微小光学零件表面轮廓的白光干涉拼接测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种微小光学零件表面轮廓的白光干涉拼接测量装置及方法，本发明装置的隔振平台分别设有Z向平移调整机构和四轴调整台，Z向平移调整机构上设有带干涉显微物镜的白光干涉仪，四轴调整台上安装有绕Y向旋转的俯仰转台，俯仰转台上安装有绕Z向旋转的回转转台，回转转台上安装有对心机构，对心机构上设有用于安装被测光学零件的弹性夹具，俯仰转台与回转转台的轴线交汇于被测光学零件的曲率半径中心。本发明装置可用于旋转对称非球面、衍射光学元件、计算全息光学元件等光学复杂曲面零件的表面轮廓干涉测量，具有通用性强、结构简单、测量精度高的优点；本发明方法基于白光干涉子孔径扫描拼接原理，测量范围大而分辨率高。

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，具体涉及一种微小光学零件表面轮廓的白光干涉拼接测量装置及方法。

背景技术

光学复杂曲面零件因灵活的形状特征对优化光学系统像质、缩小空间结构十分有利。随着超精密加工技术的发展，光学复杂曲面零件如二次曲面、高次非球面、曲面光栅和菲涅尔透镜等已成功投入市场并发挥革新作用，特别在口径较小的民用市场如手机相机、监控相机等系统中已有广泛应用。此类光学零件口径较小(10mm左右)但都具有复杂的几何形面和高精度特点，有的还在基底上叠加了不连续表面微结构，给表面轮廓检测(获取表面形貌、台阶高度或表面粗糙度等信息)带来了巨大的挑战。传统显微表面形貌测量如白光干涉仪、扫描探针显微镜等测量视场太小，不满足10mm级全口径表面测量需求；而波面干涉检验需要针对特定被测曲面定制专用的补偿器，造成经济和时间成本浪费，亟需一种具有高精度、高通用性、高效率的测量装置及方法。

现有光学复杂曲面表面轮廓测量方法通用性较差的缺点，例如公告号为CN102686972A的中国专利文献公开了“测量光学表面形状的方法以及干涉测量装置”，其中包括激光波面干涉测量装置、位置测量系统、定位设备等，该测量装置主要用于对光学表面形状实施子孔径拼接测量。然而，该技术方案采用波面干涉仪，主要用于大口径、较平缓的光学零件表面测量，因为波面干涉仪的动态范围很小，只适用于非球面度很小、可近似为球面的浅度非球面，不适用于微小口径的非球面甚至高次非球面测量。公告号为CN103267494A的中国专利文献公开了“一种表面形貌干涉测量的方法及装置”，该技术方案提出利用多波长轮换与相移扫描结合的白光干涉测量方法，实现表面形貌的高精度绝对测量。该方法受限于物镜镜头景深，且测量时间大大增加，引入了干涉测量噪声。并且与常规干涉显微测量方法类似，测量视场只有1mm左右，该方法无法获取10mm级全口径的表面形貌。公告号为CN105509635A的中国专利文献公开了“一种适用于大范围表面形貌测量的白光干涉仪”，其中关键部件包括Z向粗驱动系统、Z向精驱动系统、光栅计量系统、白光干涉光路系统、XY水平位移摆角结构等，对试件实施高精度垂直水平测量，并采用形貌恢复算法恢复试件的表面形貌。但主要缺点是光学测量系统过于复杂，对准困难，准确度也易受三维拼接算法的影响。公告号为CN110940283A的中国专利文献公示了“基于白光干涉仪的微小齿轮齿距偏差和齿廓偏差高精度测量方法”，该技术方案采用白光干涉测量方法及三维点云数据，提高了齿轮轮廓的提取精度和齿轮定心精度。但该测量方法仅对齿顶圆直径小于1mm的微小齿轮有效，并不适用于其他微结构光学元件。公告号为CN107687826A的中国专利文献公开了“一种白光干涉仪待测量工件自动定位方法及装置”该技术方案将白光干涉物镜或载物台的二维倾角转换为线性轴的移动量，在点测量试件表面粗糙度过程中自动定位，但没有公开有关光学复杂曲面表面轮廓的具体测量方法。综上所述，上述光学曲面元件表面轮廓的测量方法或测量装置只适用于部分特定光学曲面元件，通用性差。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种微小光学零件表面轮廓的白光干涉拼接测量装置及方法，本发明装置可用于旋转对称非球面、衍射光学元件、计算全息光学元件等光学复杂曲面零件的表面轮廓干涉测量，具有通用性强、结构简单、测量精度高的优点；本发明方法基于白光干涉子孔径扫描拼接原理，测量范围大而分辨率高。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：