一种非球面镜的偏心测量装置和偏心测量方法及光学定心仪与流程

本发明涉及光学元件检测技术领域，尤其涉及一种非球面镜的偏心测量装置和偏心测量方法及光学定心仪。

背景技术：

非球面镜在光学系统中的应用不但提高了光学系统成像质量，同时减小了光学系统的体积，因此非球面镜在现代光学系统中应用逐渐普遍。特别是高精度的投影光刻物镜和显微镜中大量使用非球面镜来达到极限的成像质量。目前对于非球面镜的一种定心检测方法是在现有的光学定心仪上增加距离传感器，通过光学定心仪将镜头固定在高精度的转台上随转台转动，通过自准直仪和头镜组合产生汇聚光，轴向移动自准直仪将汇聚光的焦点与镜面的球心重合，通过自准直仪的ccd(charge-coupleddevice，电荷耦合元件)上所成的叉丝像或点像中心的旋转半径来检测镜面球心点相对转台转轴的偏心。接着距离传感器测量非球面边缘环带的端跳，使用定心仪的自准直仪测量非球面顶点球的偏心。当非球面边缘环带端跳和非球面顶点球偏心调整到最小时，非球面的偏心和倾斜即均调整到了最小。另一种高精度的非球面定心方法是用干涉仪代替自准直仪，通过检测非球面随转台转动过程中干涉图的变化来判断非球面相对转台转轴的偏心和倾斜大小。但是两种方法均需要增加额外的测量装置，成本较大，另外，第一种方法中需要距离传感器的支撑和对准，第二种方法中需要进行干涉仪和非球面补偿镜或cgh(computer-generatedhologram，计算机生成的全息图)的调整，都增加了测量的复杂性。

技术实现要素：

本发明旨在解决现有技术中测量复杂且成本较高的技术问题，提供一种测量过程简单且成本较低的非球面镜的偏心测量装置和偏心测量方法及光学定心仪。

本发明提供一种非球面镜的偏心测量装置，所述偏心测量装置包括：自准直仪、透镜装置、气浮转台和设置在所述气浮转台上的被测量的非球面镜，所述自准直仪、透镜装置和被测量的非球面镜依次沿着所述自准直仪的光轴方向设置，且所述透镜装置与自准直仪同轴设置并将所述自准直仪输出的平行光汇聚成至少两个焦点，其中一个焦点与所述非球面镜的顶点球球心重合，另外至少一个焦点与非球面镜的至少一个环带的最佳拟合球球心重合。

本发明还提供一种非球面镜的偏心测量方法，所述偏心测量方法包括以下步骤：

将自准直仪、透镜装置和被测量的非球面镜依次沿着所述自准直仪的光轴方向设置，其中所述被测量的非球面镜设置在气浮转台上；

将所述透镜装置与自准直仪同轴设置；

轴向移动所述自准直仪和调整所述透镜装置，以使所述透镜装置将所述自准直仪输出的平行光汇聚成至少两个焦点且在所述自准直仪上形成两个叉丝像分离，其中一个焦点与所述非球面镜的顶点球球心重合，另外至少一个焦点与非球面镜的至少一个环带的最佳拟合球球心重合；

根据两个叉丝像所述自准直仪上的运动轨迹确定非球面镜的偏心量，根据两个叉丝像的相对位置变化确定非球面镜的倾斜量。

本发明还提供一种光学定心仪，包括上述的偏心测量装置。

本发明的技术方案与现有技术相比，有益效果在于：通过将所述透镜装置与自准直仪同轴设置并通过所述透镜装置将所述自准直仪输出的平行光汇聚成至少两个焦点，其中一个焦点与所述非球面镜的顶点球球心重合，另外至少一个焦点与非球面镜的至少一个环带的最佳拟合球球心重合，使非球面镜的偏心量和非球面镜27的倾斜量可以同时测量得到，从而测量过程简单且成本降低。

附图说明

图1为一种非球面镜的偏心测量装置的结构示意图。

图2为本发明非球面镜的偏心测量装置的第一种实施例的结构示意图。

图3为本发明非球面镜的偏心测量装置的第二种实施例的结构示意图。

图4为本发明非球面镜的偏心测量装置的第三种实施例的结构示意图。

图5为本发明非球面镜的偏心测量装置的第四种实施例的结构示意图。

图6为本发明非球面镜的偏心测量方法一种实施例的流程图。

图中，1、ccd传感器；2、分光镜；3、准直镜；4、分划板；5、led灯；6、头镜；7、非球面镜；8、气浮转台；9、距离传感器；20、自准直仪的光轴方向；21、ccd传感器；22、分光镜；23、准直镜；24、分划板；25、led灯；27、非球面镜；28、气浮转台；210、中心镜片；211、环形镜片；310、中心镜片；311、第一环形镜片；312、第二环形镜片；410、头镜；411、楔形透镜；510、头镜；511、通光口径较大的楔形透镜；512、通光口径较小的楔形透镜；x、偏心方向；y、轴向。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图1所示，一种非球面镜的偏心测量装置包括ccd传感器1、分光镜2、准直镜3、分划板4和led灯5构成自准直仪，所述自准直仪可沿自准直仪的光轴方向运动，且所述自准直仪出口处连接头镜6将自准直仪的平行光汇聚到一点，并使该点与放在气浮转台8上的非球面镜7的顶点球球心重合，使用距离传感器9测量非球面镜7的边缘跳动。自准直仪的ccd传感器1上的由非球面镜7顶点球反射回的光在分划板4上形成的叉丝像随着气浮转台8的转动而旋转，当叉丝像的旋转半径和距离传感器9测量的非球面镜7的边缘跳动为零时，非球面镜7相对于气浮转台8的偏心和倾斜量即调整到零，即测量到非球面镜7的偏心量和倾斜量，但是该装置中需要距离传感器的支撑和对准，增加了测量的难度且增加非球面镜的装调成本。

本发明提供一种实施例的非球面镜的偏心测量装置，如图2所示，所述偏心测量装置包括：自准直仪、透镜装置、气浮转台28和设置在所述气浮转台上的被测量的非球面镜27，所述自准直仪、透镜装置和被测量的非球面镜27沿着所述自准直仪的光轴方向20依次设置，且所述透镜装置与自准直仪同轴设置并将所述自准直仪输出的平行光汇聚成至少两个焦点，其中一个焦点与所述非球面镜的顶点球球心重合，另外至少一个焦点与非球面镜的至少一个环带的最佳拟合球球心重合。

在具体实施中，所述自准直仪包括ccd传感器21、分光镜22、准直镜23、分划板24和led灯25，所述ccd传感器21、分光镜22和准直镜23沿着所述自准直仪的光轴方向20依次设置，分划板24和led灯25设置在分光镜22的侧边。

在具体实施中，如图2所示，所述透镜装置包括中心镜片210和环形镜片211，所述中心镜片210设置在环形镜片211的通孔内且与所述环形镜片211同轴设置。而且中心镜片210的通光口径和环形镜片211的通光口径的面积相同，保证两个镜片透过光的光强相同，另外面积相同可以保证两个镜片透过光的光强相同，这样在ccd传感器21上得到的叉丝像亮度相同以提高检测精度。

通过反射式光学定心仪的基础上增加在自准直仪的汇聚路上设置透镜装置以实现非球面偏心和倾斜的测量。由于非球面的所有法线相交成一条线段，该线段称为非球面的光轴。将非球面沿径向离散成不同的环带，每一个环带的最佳拟合球的球心在非球面的光轴上，不同环带的球心位置不同。同时将至少两个环带的最佳拟合球球心的偏心调整到最小，即实现了将非球面的偏心量和倾斜量调整到最小。本发明利用非球面的这种特性，更改自准直仪最前面的透镜装置的结构，使自准直仪能够同时检测非球面的两个或多个不同环带最佳拟合球球心的偏心量，实现对非球面偏心倾斜的同时检测。另外该测量装置不需要增加其他测量仪器，降低了非球面装调成本；该测量装置只需要对自准直仪和透镜进行调整对准，并且在自准直仪ccd上可实时显示非球面偏心和倾斜大小，操作方便提高了非球面装调效率。该测量装置仅用光管即可测量非球面偏心和倾斜，因此也适用于非球面为镜头内部面的情况。

在具体实施中，中心镜片210为轴向固定镜片即所述中心镜片210相对自准直仪的光轴方向20位置固定，环形镜片211为轴向移动镜片即所述环形镜片211相对自准直仪的光轴方向20位置可变，且中心镜片210和环形镜片211均可相对自准直仪进行偏心调整即沿着x方向可相对自准直仪进行调整。中心镜片210和环形镜片211将自准直仪的平行光汇聚为不同的焦点，轴向移动自准直仪使得中心镜片210的焦点与非球面镜27的顶点球球心重合即沿着y方向移动自准直仪使得中心镜片210的焦点与非球面镜27的顶点球球心重合，那么在自准直仪的ccd传感器21上产生经非球面镜27顶点球反射的叉丝像。接着轴向移动环形镜片211使得所述环形镜片211的焦点与非球面镜27的一个环带的最佳拟合球球心重合，自准直仪ccd传感器21上产生经非球面镜27的一个环带反射的叉丝像。调整中心镜片210和环形镜片211相对自准直仪的偏心位置，使在自准直仪的ccd传感器21上的两个叉丝像分离，以保证在气浮转台28旋转过程中两个叉丝像不产生重合现象。测量过程中，当自准直仪的ccd传感器21上的两个叉丝像分离时，在ccd传感器21上的运动轨迹可以绘制成两个圆，以其中任意一个圆半径作为非球面镜27的偏心量，以两个叉丝像在ccd传感器21上的相对位置的变化作为非球面镜27的倾斜量。

本发明还提供一种实施例的非球面镜的偏心测量装置，所述透镜装置包括中心镜片310和至少两个环形镜片，如图3所示，所述中心镜片310设置在第一环形镜片311的通孔内，第一环形镜片311设置在第二环形镜片312的通孔，所述中心镜310、第一环形镜片311和第二环形镜片312同轴设置。而且中心镜片310的通光口径与第一环形镜片311和第二环形镜片312的通光口径的面积相同，保证三个镜片透过光的光强相同，另外面积相同可以保证三个镜片透过光的光强相同，这样在ccd传感器21上得到的叉丝像亮度相同以提高检测精度。

在具体实施中，中心镜片310为轴向固定镜片即所述中心镜片310相对自准直仪的光轴方向20位置固定，第一环形镜片311和第二环形镜片312均为轴向移动镜片即所述环形镜片211相对自准直仪的光轴方向20位置可变，且中心镜片310，第一环形镜片311和第二环形镜片312均可相对自准直仪进行偏心调整即沿着x方向可相对自准直仪进行调整。中心镜片310，第一环形镜片311和第二环形镜片312将自准直仪的平行光汇聚为不同的焦点，轴向移动自准直仪使得中心镜片310的焦点与非球面镜27的顶点球球心重合即沿着y方向移动自准直仪使得中心镜片310的焦点与非球面镜27的顶点球球心重合，那么在自准直仪的ccd传感器21上产生经非球面镜27顶点球反射的叉丝像。接着轴向移动第一环形镜片311和第二环形镜片312使得所述第一环形镜片311和第二环形镜片312的焦点与非球面镜27的两个不同的环带的最佳拟合球球心重合，自准直仪ccd传感器21上产生经非球面镜27的一个环带反射的叉丝像。调整中心镜片310，第一环形镜片311和第二环形镜片312相对自准直仪的偏心位置，使在自准直仪的ccd传感器21上的两个叉丝像分离，以保证在气浮转台28旋转过程中两个叉丝像不产生重合现象。测量过程中，当自准直仪的ccd传感器21上的两个叉丝像分离时，在ccd传感器21上的运动轨迹可以绘制成两个圆，以其中任意一个圆半径作为非球面镜27的偏心量，以两个叉丝像在ccd传感器21上的相对位置的变化作为非球面镜27的倾斜量。

在具体实施中，所述透镜装置包括一个中心镜片和多个环形镜片，中心镜片布置在一个直径较小的环形镜片的通孔中，直径较小的环形镜片布置在直径稍大的环形镜片的通孔中，直径稍大的环形镜片布置在直径较大的环形镜片的通孔，依此递推可以布置多个环形镜片同时检测非球面的多个环带。

本发明还提供一种实施例的非球面镜的偏心测量装置，如图4所示，所述透镜装置包括头镜410和楔形透镜411，所述头镜410和楔形透镜411依次沿着所述自准直仪的光轴方向20设置且所述头镜410和楔形透镜410同轴设置，楔形透镜411的通光口径小于楔形透镜411所在处光路的口径，以保证非透过楔形透镜411的光强度与透过楔形透镜411的光强度相同。其中非透过楔形透镜411的光线汇聚在原焦点上，透过楔形透镜411的光线汇聚在远离头镜410的一点上。调整自准直仪轴向位置并根据非球面镜27参数设置合适厚度的楔形透镜411以使透过楔形透镜411光线的汇聚点与非球面镜27的顶点球球心重合，在自准直仪ccd传感器21上产生经非球面镜27顶点球反射的一个叉丝像。同时非透过楔形透镜411光线的汇聚点与非球面镜27的一个环带的最佳拟合球球心重合，在自准直仪ccd传感器1上产生的经非球面镜27的一个环带反射的另一个叉丝像。自准直仪ccd传感器1上的两个叉丝像分离的距离由楔形透镜411的楔角大小决定，当两个叉丝的相对方向由楔形透镜411的楔角方向决定。测量过程中，以一个叉丝像的旋转半径作为非球面镜27偏心量，以两个叉丝像的相对位置的变化作为非球面镜27倾斜量。

本发明还提供一种实施例的非球面镜的偏心测量装置，所述透镜装置包括头镜和至少两个楔形透镜，如图5所示，所述头镜510、通光口径较大的楔形透镜511和通光口径较小的楔形透镜512依次沿着所述自准直仪的光轴方向20设置且所述头镜头镜510、通光口径较大的楔形透镜511和通光口径较小的楔形透镜512同轴设置。也就是说，头镜510的汇聚光路上放置通光口径较大的楔形透镜511，透过通光口径较大的楔形透镜511的汇聚光路上同轴放置通光口径较小的楔形透镜512，透过通光口径较小的楔形透镜512光的汇聚点与非球面镜27的顶点球球心重合，透过通光口径较大的楔形透镜511但非通光口径较小的楔形透镜512光光的汇聚点与非透过通光口径较大的楔形透镜511的汇聚点分别与非球面镜7的不同环带最佳拟合球球心重合。调整自准直仪轴向位置并根据非球面镜27参数设置合适厚度的通光口径较大的楔形透镜511和通光口径较小的楔形透镜512以使透过通光口径较小的楔形透镜512光的汇聚点与非球面镜27的顶点球球心重合，在自准直仪ccd传感器21上产生经非球面镜27顶点球反射的一个叉丝像。同时透过通光口径较大的楔形透镜511但非通光口径较小的楔形透镜512光的汇聚点与非透过通光口径较大的楔形透镜511的汇聚点分别与非球面镜27的不同环带最佳拟合球球心重合，在自准直仪ccd传感器21上产生的经非球面镜27的一个环带反射的另一个叉丝像。自准直仪ccd传感器21上的两个叉丝像分离的距离由通光口径较大的楔形透镜511和通光口径较小的楔形透镜512的楔角大小决定，两个叉丝的相对方向由通光口径较大的楔形透镜511和通光口径较小的楔形透镜512的楔角方向决定。测量过程中，以一个叉丝像的旋转半径作为非球面镜27偏心量，以两个叉丝像的相对位置的变化作为非球面镜27倾斜量。

在具体实施中，所述透镜装置包括头镜和多个楔形透镜，头镜的汇聚光路上放置通光口径较大的楔形透镜，透过通光口径较大的楔形透镜的汇聚光路上同轴放置通光口径较小的楔形透镜，透过通光口径较小的楔形透镜的汇聚光路上同轴放置通光口径更小的楔形透镜，依此递推可以布置多个环形镜片同时检测非球面的多个环带。

在具体实施中，本发明还提供一种实施例的非球面镜的偏心测量方法，如图6所示，所述偏心测量方法包括以下步骤：

步骤s60，将自准直仪、透镜装置和被测量的非球面镜依次沿着所述自准直仪的光轴方向设置，其中所述被测量的非球面镜设置在气浮转台上；

步骤s61，将所述透镜装置与自准直仪同轴设置；

步骤s62，轴向移动所述自准直仪和调整所述透镜装置，以使所述透镜装置将所述自准直仪输出的平行光汇聚成至少两个焦点且在所述自准直仪上形成两个叉丝像分离，其中一个焦点与所述非球面镜的顶点球球心重合，另外至少一个焦点与非球面镜的至少一个环带的最佳拟合球球心重合；

步骤s63，根据两个叉丝像在所述自准直仪上的运动轨迹确定非球面镜的偏心量，根据两个叉丝像的相对位置变化确定非球面镜的倾斜量。

在具体实施中，当所述透镜装置包括中心镜片和环形镜片时，所述轴向移动所述自准直仪和调整所述透镜装置步骤，具体为：

轴向移动自准直仪以使所述中心镜片的焦点与非球面镜的顶点球球心重合；

轴向移动环形镜片以使所述环形镜片的焦点与非球面镜的一个环带的最佳拟合球球心重合；

调整所述中心镜片和环形镜片相对所述自准直仪的偏心位置以使所述自准直仪上形成两个叉丝像分离。

具体的所述透镜装置包括一个中心镜片和多个环形镜片，中心镜片布置在一个直径较小的环形镜片的通孔中，直径较小的环形镜片布置在直径稍大的环形镜片的通孔中，直径稍大的环形镜片布置在直径较大的环形镜片的通孔，依此递推可以布置多个环形镜片以同时检测非球面的多个环带。

在具体实施中，当所述透镜装置包括头镜和楔形透镜时，所述轴向移动所述自准直仪和调整所述透镜装置的位置步骤，具体为：

轴向移动所述自准直仪以及根据非球面镜的参数设置合适厚度的楔形透镜以使透过所述楔形透镜的光的焦点与非球面镜的顶点球球心重合，非透过所述楔形透镜的光的焦点与非球面镜的一个环带的最佳拟合球球心重合且在所述自准直仪上形成两个叉丝像分离。

具体的，所述透镜装置包括头镜和多个楔形透镜，头镜的汇聚光路上放置通光口径较大的楔形透镜，透过通光口径较大的楔形透镜的汇聚光路上同轴放置通光口径较小的楔形透镜，透过通光口径较小的楔形透镜的汇聚光路上同轴放置通光口径更小的楔形透镜，依此递推可以布置多个环形镜片以同时检测非球面的多个环带。

由于非球面的所有法线相交成一条线段，该线段称为非球面的光轴。将非球面沿径向离散成不同的环带，每一个环带的最佳拟合球的球心在非球面的光轴上，不同环带的球心位置不同。同时将至少两个环带的最佳拟合球球心的偏心调整到最小，即实现了将非球面的偏心量和倾斜量调整到最小。本发明利用非球面的这种特性，更改自准直仪最前面的透镜装置的结构，使自准直仪能够同时检测非球面的两个或多个不同环带最佳拟合球球心的偏心量，实现对非球面偏心倾斜的同时检测。另外该方法不需要增加其他测量仪器，降低了非球面装调成本；该方法只需要对自准直仪和透镜进行调整对准，并且在自准直仪ccd上可实时显示非球面偏心和倾斜大小，操作方便提高了非球面装调效率。该方法仅用光管即可测量非球面偏心和倾斜，因此也适用于非球面为镜头内部面的情况。

本发明还提供一种实施例的光学定心仪，上述的偏心测量装置。

由于非球面的所有法线相交成一条线段，该线段称为非球面的光轴。将非球面沿径向离散成不同的环带，每一个环带的最佳拟合球的球心在非球面的光轴上，不同环带的球心位置不同。同时将至少两个环带的最佳拟合球球心的偏心调整到最小，即实现了将非球面的偏心量和倾斜量调整到最小。本发明利用非球面的这种特性，更改自准直仪最前面的透镜装置的结构，使自准直仪能够同时检测非球面的两个或多个不同环带最佳拟合球球心的偏心量，实现对非球面偏心倾斜的同时检测。另外该测量装置不需要增加其他测量仪器，降低了非球面装调成本；该测量装置只需要对自准直仪和透镜进行调整对准，并且在自准直仪ccd上可实时显示非球面偏心和倾斜大小，操作方便提高了非球面装调效率。该测量装置仅用光管即可测量非球面偏心和倾斜，因此也适用于非球面为镜头内部面的情况。

上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理和最佳实施例，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。