测量光学表面的曲率半径

各种光学公司采用干涉仪和滑动机构来执行非接触和精确的半径测量。干涉测量长期以来一直用于测量曲率半径,因为它提供了0.01%的精确测量。实际上,通过适当的实现,这种精度可以进一步提高到0.001%。本应用笔记探讨了光学和光学机械误差的控制和校正。

半径测量

半径测量非常容易受到现场实现和方法的影响。控制环境因素,警惕的测量过程和适当的工具设计对于获得所需的精度非常重要,这是通过该测量方法提供的。

球体的半径是指距球面的距离,或者到相关的曲率中心。使用点源干涉仪,可以查看这些位置,从而创建诸如Twyman-Green或Fizeau的融合波前,如下图所示。

半径测量几何,显示猫

图1。 半径测量几何,显示猫'S-Eye和Concocal测量位置。

当''cat's-eye''位置,干涉仪光束达到球面上的点。无效的边缘图案指定点焦点位于球体上’S表面。在共聚焦位置,无效的条纹图案指定干涉仪点焦点与曲率重合’S表面中心。通过计算零件之间的距离在这些空位置之间移动,即来自猫'S-Eye点到共聚焦,测量曲率半径。当测量轴满足曲率和猫的表面中心时,可以精确地计算该距离'眼睛观点。像ABB一样的主要错误é误差通常是10到100 pm,可以通过采用距离测量干涉仪来除去。测量并校正剩余的误差,例如轴向对准误差和腔空误差。其他错误,如工具和环境错误也是编目和测量的。

ABB.é误差是由沿着从运动轴移位的轴测量来引起的。

图2。 ABB.é误差是由沿着从运动轴移位的轴测量来引起的。

半径测量设备

半径测量设备包括配置为线性干涉仪的DMI,相位测量点源干涉仪,具有传输球或分发透镜,以及带有五个运动轴的轨道/导向组件,用于抓住被测表面。该安装件沿轨道/导轨移动。

干涉式半径测量系统,包括具有变速器球的灰度化的Fizeau干涉仪,DM1具有线性间距,五轴安装和指导。

图3。 干涉式半径测量系统,包括具有变速器球的灰度化的Fizeau干涉仪,DM1具有线性间距,五轴安装和指导。

距离测量干涉仪的一个优点是轨道规格被大量放松。干涉仪‘S移动角立方体连接到部件安装件上,使其尖端保持在部件轴上。

有两个可能的实现是可用的,一个是Z跟踪,其中移动立方体仅定位到安装的z调节,因此不能跟踪尖端/倾斜函数或横向。

另一个是完全跟踪,其中移动立方体位于该部分处,因此可以追踪部分的尖端/倾斜或横向运动,该尖端/倾斜或横向运动沿着距离测量干涉仪的轴线呈现。在Z跟踪实现中,距离测量干涉仪的信号在零件的横向运动期间不会丢失。

Zygo.'S Verifire™HD干涉仪&Photonics West 2016的Nomad™光学分析器演示

错误来源

轴向对准误差

对于半径测量,三个轴很重要,它们包括d(DM1 beam), p (part axis) and r (axis of motion)。这些轴之间存在的角度是α (p,d), β (p,r) and γ (r,d),如下图所示。

半径测量的相关轴,p,r和d。

图4。 半径测量的相关轴,p,r和d。

沿部件轴的净运动(p)是r,它碰巧是表面半径。对于完整的跟踪配置,误差仅依赖于部件轴对距离测量干涉仪的对准。在Z跟踪配置的情况下,根据零件对齐方式β和系统对齐γ,误差变为化合物。

为了获得精确的测量,在共聚焦和猫之间的表面净运动'S-Eye位置应在部件轴的方向上,距离测量必须在该相同方向上计算所有运动,即D,P和R轴必须保持平行。

空腔错误

由非核腔引起的位置误差从球体的SAG方程获得。通常,量化腔电量的误差是<快速传输球的1%,并接近慢速传输球的PPM水平。然而,这不应该与失真引起的峰值误差混淆,这可以是快速传输球体的功率的10%。尽管如此,由于方程式的形式,这种权力的额定误差并不具有重要意义。因此,与失真相比,光圈校准是一个重大误差。

图错误

通常,猫'S-Eye点相对于最佳拟合球表示一些高度。这是一个标称错误,永久地低于峰谷表面误差。

除了轴向对准,测量中还存在光学误差,噪声和环境和工具误差,

结论

当采用距离测量干涉仪以确定沿部件轴线测试的表面的运动时,通过干涉式技术的半径测量的精度显着提高。波长补偿和空腔误差的额外校正可以将其余误差限制为千分尺寸。

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