CN102717305A - 一种光学自由曲面原位测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于先进制造中的光学表面自由曲面零件制造技术领域，涉及一种光学自由曲面原位测量方法，包括：1）搭建波前像差测量系统，并将测量系统和加工刀具一并固定于超精密加工车床上；2）在进行光学自由曲面加工后，采用波前像差测量系统对加工器件的光学质量进行测试，得到波前像差数据；3）根据测量得到的加工工件的波前像差数据，进行Zernike多项式各项参数求解，并进行基本成像质量评价指标以及调制传递函数和点扩散函数的计算，用于光学质量的综合评价。本发明以光学成像质量为直接测量对象，区别于传统的面形数据的测量方式，更加能符合实际的应用需求，同时避免了二次装夹等引入的误差。

Description

一种光学自由曲面原位测量方法

所属技术领域

本发明属于先进制造中的光学表面自由曲面零件制造技术领域。

背景技术

自由曲面是一类复杂曲面形式，它的特点主要是不具有对称轴。自由曲面器件在众多领域中应用广泛，应用于光学器件上被称为光学自由曲面。鉴于自由曲面特殊面型的特点，在光学应用中具有校正像差、改善像质、扩大视场等特点，因此，正在逐步取代传统的回转光学曲面（如球面、非球面等），称为新一代光学元器件。各类应用领域对光学自由曲面的加工精度提出了极其严格的要求，如面型精度达亚微米级，面型粗糙度达纳米级等，一般须借助超精密检测手段实现光学自由曲面的制造闭环控制加工。

超精密加工的精度有赖于测量的验证，并获得补偿与修正数据。由于光学自由曲面具有非回转对称面型，采用离线测量方法很难避免二次装恰引入的对正误差，因此，原位测量是实现光学自由曲面测量行之有效的途径。所谓原位测量即测量系统固定于加工机床上，在加工结束后，工件不必拆卸就能使用测量系统进行加工曲面的测量。有关原位测量的研究已广泛开展，如美国Moore公司采用气浮轴承和差动变压传感器设计开发了接触式原位测量系统；美国专利6539642利用相同的思路开发了接触式原位测量系统，借助激光干涉仪进行位移量的测量，并通过巧妙的轴承加力方式实现了测头的可控测力；文献（Gao W.,AokiJ.,Ju B.F.,Kiyono S.,Surface profile measurement of a sinusoidal grid using an atomic forcemicroscope on a diamond turning machine,Precision Engineering 2007,31:304–309.）成功开发出基于原子力显微镜测头的原位测量系统，实现了周期为150μm、振幅025μm正弦曲面的原位测量。

然而，已有的原位测量方法仅关注几何面型误差测量。由于光学自由曲面设计方式新颖，设计方法牵扯到全新的理论，目前仍很难给出恰当的几何公差。另外，光学自由曲面设计过程是一个最优化过程，其中借助了大量的简化和近似计算，设计得到的光学质量自身也可能已不能严格符合理想要求。尽管如此，光学自由曲面最终的应用需求是明确的，即光学质量应该是最终的评价指标，如光学器件的像差、慧差、球差、MTF等光学参数。然而，实现光学自由曲面光学质量的原位测量方法未见公开报道，直接影响高质量光学自由曲面的制造。

发明内容

本发明主要是设计一种光学自由曲面原位测量新方法，借助波前像差测量实现光学成像质量的测量，适合于各类光学器件的超精密加工过程。本发明的技术方案如下：

一种光学自由曲面原位测量方法，包括下列步骤：

1）搭建波前像差测量系统，并将测量系统和加工刀具一并固定于超精密加工车床上；

2）在进行光学自由曲面加工后，采用波前像差测量系统对加工器件的光学质量进行测试，如果加工器件的口径较小，口径在波前像差测量系统测量范围之内，则通过机床运动机构控制加工工件或波前像差测量系统运动，将加工工件放置于波前像差测量系统的测量范围中，通过波前像差测量得到波前像差数据，若加工器件口径较大，口径范围超出了波前像差测量系统测量范围，则根据机床运动机构的特点，选择采用螺旋线测量路径，对器件进行子区域测量；在螺旋线路径设计时，需要确保所有测量子区域之间有重叠区域，对于重叠的衔接区域测量数据进行平均值求解得到，从而得到整个口径的波前像差数据；

3）根据测量得到的加工工件的波前像差数据，进行Zernike多项式各项参数求解，并进行基本成像质量评价指标以及调制传递函数和点扩散函数的计算，用于光学质量的综合评价。

本发明的步骤（1）中，若被加工的自由曲面为反射面，则将包含准直激光光源的波前像差测量系统直接固定于加工刀具旁边；若被加工的自由曲面为透射面，将不包含准直激光光源的波前像差测量系统直接固定于加工刀具一旁，在固定被测面的夹具内部固定一个斜角为45°平面反射镜，在夹具旁安装准直激光光源系统，准直激光光源从夹具的侧面开口投射平行光，通过平面反射镜的反射透射经过被测曲面后投射到波前像差测量系统中，实现波前像差的原位测量；步骤3）中所述的基本成像质量评价指标通常为离焦、球差和慧差。

本发明提及的光学自由曲面测量方法，是以光学成像质量为直接测量对象，区别于传统的面形数据的测量方式，因此，更加能符合实际的应用需求。另外，测量系统采用技术成熟的波前像差测量技术，进行光学质量评价，系统结构简单，易于安装实现，同时采用原位测量方式，避免了二次装夹等引入的误差，尤其对于光学自由曲面来说非回转对称、形状不规则，在二次装恰时很难进行位置再次对正，因此，原位测量方法还可避免对正的困难，因此，本发明具有很好的应用价值。本发明提出的光学自由曲面原位测量方法，不局限于超精密车削加工系统中，同样适用于超精密铣削、磨削、抛光等加工系统及变形加工系统中，而这些系统中波前像差测量系统的安装方式可能有所区别，但测量思路和方式均相同。

附图说明

图1Shack-Hartmann测量原理示意图，图1a透射器件测量，图1b反射器件测量。

图2反射曲面波前误差原位测量示意图，图2a光路示意图，图2b三维示意图。

图3透射曲面波前误差原位测量示意图，图3a光路示意图，图3b三维示意图。

图4大口径复杂曲面测量示意图。

具体实施方式

波前像差是评价光学器件成像质量的重要评价参数。波前像差的最佳分析手段是Zernike多项式分解法。通过分解得到的每个Zernike项均有特定的光学指标意义，如传统几何光学描述成像质量的位置误差、初级像差、高级像差等，并通过多项式组合可以得到基础的成像质量评价指标（离焦、球差、慧差等）和综合评价函数（调制传递函数、点扩散函数等），从而进行系统的光学质量评价。因此，波前像差测量可作为光学质量测量的重要手段。波前像差可采用干涉理论和光线追迹理论实现测量，而最常用的是Twyman-Green干涉、Shack-Hartmann波前传感器（SHWS）法。SHWS测量方法已较成熟，有商业化的产品可供直接使用，如：德国Trioptics公司的WaveSensor，俄罗斯MoorSeeker公司的ShaH-3060，美国Thorland公司的WFS300-14AR/150-5C等，避免了直接搭建系统的困难，也提高了测量精度，同时这些产品还提供了必要的软件系统，实现了系统测量、波前像差Zernike多项式分解、光学质量参数求解等功能。因此，本专利以SHWS为例进行光学质量原位测量方法说明。

图1是SHWS测量原理图，测量系统主要由准直激光光源1、望远光路系统4、显微物镜3和SHWS5组成。图1a和图1b分别显示了针对透射光学器件和反射光学器件的测量系统结构。以透射光学器件测量为例，如图1a中，准直激光光源1平行投射并透射通过被测光学器件2，然后经过显微物镜3、望远光路系统4转为不同的孔径光束，平行投射到SHWS5中进行波前像差测试。而反射光学器件的测量则需要准直激光光源1和SHWS5在被测光学器件2的同侧，准直激光通过放置在SHWS5前的分光棱镜6投射进入测量光路中，而经由被测光学器件2反射回的光束经分光棱镜6投射到SHWS5中进行波前像差测试。具体测量技术和方法可以参考文献（Tae Moon Jeong,Manoj Menon,and Geunyoung Yoon，Measurement of wave-frontaberration in soft contact lenses by use of a Shack–Hartmann wave-front sensor，Applied Optics,2005，Vol.44，4523-4527；Liping Zhao,Wenjiang Guo,Xiang Li and I-Ming Chen,Reference-freeShack–Hartmann wavefront sensor,Optics Letters,2011,36/15,2752-2754.）。

本发明将波前像差测量系统用于原位测量方法，即测量系统固定于加工机床上，在加工结束后，工件不必拆卸就能使用波前像差测量系统进行测量。针对反射和透射器件的波前像差测量方式不同，以超精密车削机床为例，设计了反射和透射器件的原位测量系统，分别如图2和3所示。对于反射曲面来说，采用准直激光光源1和SHWS5在同侧的方式，如图2a所示，可将波前测量系统9直接装配于加工机床上，与加工刀具7并排放置在机床上的运动机构中。系统结构的三维图如图2b所示。在工件加工结束后，可通过机床运动机构控制波前测量系统9运动到工件前，并控制工件在测量系统的测量范围内进行测量。而对于透射曲面来说，为了进行波前像差测量需采用被测器件方向投射光源的方式。因此，如图3所示，在固定被测面的夹具14内部固定一个斜角为45°的平面反射镜10，在夹具旁安装准直激光光源1。准直激光光源1从夹具14的侧面开口投射平行光，经过平面反射镜10的反射，透过被测曲面2后投射到波前像差测量系统9中，如图3a所示。图3b显示了波前测量系统原位放置于超精密车床上进行透射曲面测量的三维效果图。

SHWS的微透镜阵列是传感器的核心器件，由于面型复杂且精度要求高，因此，是影响传感器成本较高的主要因素，为了降低系统成本，微透镜阵列的单元数目不能使用太多，器件口径也不能太大，但这种方式会直接影响测量分辨率较低。为了有效解决成本和空间分辨率的矛盾，本发明基于原位测量方法提出一种解决大口径光学自由曲面的波前测量的低成本方法。即使用测量口径较小的波前传感器，借助超精密车床精密运动机构进行分区域测量，最后将所有测量区域进行拼接得到大口径曲面的测量结果。根据超精密车床的运动机构特点，将工件固定于旋转主轴8上，波前像差测量系统9被当做加工刀具7进行相同的运动控制，因此，测量子区域11在工件表面上呈螺旋线12分布，如图4所示。在螺旋线12路径设计，要保证所有测量子区域11之间有重叠区域，使得无被测盲区，而重叠的衔接区域测量数据可进行简单的平均值求解得到，从而实现大口径光学自由曲面13的测量。

本发明针对光学自由曲面器件进行波前像差的原位测量，具体实施流程如下：

1）搭建波前像差测量系统，并将测量系统和加工刀具一并固定于超精密加工车床上；

2）在进行光学自由曲面加工后，采用波前像差测量系统对加工器件的光学质量进行测试，如果加工器件的口径较小，口径在波前像差测量系统测量范围之内，跳至步骤3），若加工器件口径较大，口径范围超出了波前像差测量系统测量范围，则需要跳至步骤4）；

3）通过机床运动机构控制加工工件或波前像差测量系统运动，将加工工件放置于波前像差测量系统的测量范围中，通过波前像差测量得到波前像差数据；

4）根据机床运动机构的特点，选择采用螺旋线测量路径，对器件进行子区域测量；在螺旋线路径设计时，保证所有测量子区域之间有重叠区域，而重叠的衔接区域测量数据可进行简单的平均值求解得到，得到整个口径的波前像差数据；

5）测量得到波前像差，可借助相关软件进行Zernike多项式各项参数求解，并基于Zernike多项式进行基本成像质量评价指标（离焦、球差、慧差等）和综合评价函数（MTF、PSF等）的计算，用于光学质量的综合评价。

本发明的原位测量方法流程中，提及的波前像差测量系统的原位化，具体过程如下所述：

波前像差测量系统和加工刀具一并固定于加工机床上，在加工工件的同一侧。对于被测曲面为反射面，包含准直激光光源的波前像差测量系统直接固定于加工刀具一旁；而对于被测曲面为透射面，不包含准直激光光源的波前像差测量系统直接固定于加工刀具一旁，在固定被测面的夹具内部固定一个斜角为45°平面反射镜，在夹具旁安装准直激光光源系统，准直激光光源从夹具的侧面开口投射平行光，通过平面反射镜的反射透射经过被测曲面后投射到波前像差测量系统中，实现波前像差的原位测量。

Claims (3)

1.一种光学自由曲面原位测量方法，包括下列步骤：

1）搭建波前像差测量系统，并将测量系统和加工刀具一并固定于超精密加工车床上；

2）在进行光学自由曲面加工后，采用波前像差测量系统对加工器件的光学质量进行测试，如果加工器件的口径较小，口径在波前像差测量系统测量范围之内，则通过机床运动机构控制加工工件或波前像差测量系统运动，将加工工件放置于波前像差测量系统的测量范围中，通过波前像差测量得到波前像差数据，若加工器件口径较大，口径范围超出了波前像差测量系统测量范围，则根据机床运动机构的特点，选择采用螺旋线测量路径，对器件进行子区域测量；在螺旋线路径设计时，需要确保所有测量子区域之间有重叠区域，对于重叠的衔接区域测量数据进行平均值求解得到，从而得到整个口径的波前像差数据；

3）根据测量得到的加工工件的波前像差数据，进行Zernike多项式各项参数求解，并进行基本成像质量评价指标以及调制传递函数和点扩散函数的计算，用于光学质量的综合评价。

2.根据权利要求1所述的原位测量方法，其特征在于，在步骤（1）中，若被加工的自由曲面为反射面，则将包含准直激光光源的波前像差测量系统直接固定于加工刀具旁边；若被加工的自由曲面为透射面，将不包含准直激光光源的波前像差测量系统直接固定于加工刀具一旁，在固定被测面的夹具内部固定一个斜角为45°平面反射镜，在夹具旁安装准直激光光源系统，准直激光光源从夹具的侧面开口投射平行光，通过平面反射镜的反射透射经过被测曲面后投射到波前像差测量系统中，实现波前像差的原位测量。

3.根据权利要求1所述的原位测量方法，其特征在于，步骤（3）中所述的基本成像质量评价指标为离焦、球差和慧差。

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