CN102879182B - 采用激光跟踪仪检测离轴非球面偏心量的方法 - Google Patents

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Abstract

采用激光跟踪仪检测离轴非球面偏心量的方法，涉及光学非球面制造过程中精确控制偏心量的方法，它解决现有方法对光学表面的检测精度和可靠性低、难于实现大口径元件测量，并且无法测量离轴非球面元件偏心量的问题，本发明方法首先用激光跟踪仪测量补偿器的基准面信息，通过计算获得光轴基准数据；然后用激光跟踪仪测量待检非球面的基准面信息，通过计算获得非球面中心的实测数据；最后与光轴基准相比较得到偏心量数据。本发明所述的方法操作简便、数据处理简明、通用性好。

Description

采用激光跟踪仪检测离轴非球面偏心量的方法
技术领域
本发明涉及一种光学非球面制造过程中精确控制偏心量的方法。
背景技术
目前国内外测量光学元件偏心量的方法主要分为两类，干涉比较法和准直测量法。干涉比较法基本原理由激光器发出的光束被特殊设计的光学系统分为参考光束和检测光束，检测光束经过被检元件后携带被检元件的偏心量信息，参考光束与检测光束发生干涉，通过判读干涉条纹获得偏心量信息；准直测量法通过被检测元件自准返回到检测仪器像面上的像与基准轴的偏差获得偏心量信息。干涉比较方法测量透镜中心误差具有快捷、高精度等优点，但容易受杂光影响，使检测精度和可靠性降低；准直测量法具有结构简单、效率高的特点，另外还可以测量系统的焦距等其它参数，但有时需要被检元件随转台旋转，检测大口径元件时的成本很高、实现难度也比较大，准直测量法对被检元件表面的反射率要求也较高。干涉比较法和准直测量法都无法测量离轴非球面的偏心量。
发明内容
本发明为解决现有方法对光学表面的检测精度和可靠性低、难于实现大口径元件测量，并且无法测量离轴非球面元件偏心量的问题，提供一种采用激光跟踪仪检测离轴非球面偏心量的方法。
采用激光跟踪仪检测离轴非球面偏心量的方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、调整补偿器、干涉仪和待测非球面的相对位置，使补偿器、干涉仪和待测非球面同轴；
步骤二、采用激光跟踪仪测量步骤一所述的补偿器的基准面，获得补偿器的光轴位置数据；
步骤三、采用激光跟踪仪测量待测非球面的基准面数据，根据补偿器的机械设计参数、待测非球面的基准面数据和待测非球面的设计参数，获得待测非球面的几何中心点的空间位置数据；
步骤四、采用激光跟踪仪计算步骤三获得的待测非球面的几何中心点的空间位置数据与步骤二获得的补偿器的光轴位置数据的偏差，即为待测非球面的偏心量。
本发明的原理：本发明运用激光跟踪仪检测非球面偏心量的方法需用到的装置包括激光跟踪仪、待检非球面、干涉仪、高精度非球面补偿器和计算机等；本发明借助了激光跟踪仪的高精度、便携性等优点来精确测量非球面元件的偏心量，激光跟踪仪测量为接触式测量，需要被测工件上有点、线、面等测量基准信息，通过测量基准信息，再进行几何计算得到想要的物理量。对于偏心量的测量，首先要调整干涉仪、补偿器以及非球面三者之间的相对光学位置，然后利用激光跟踪仪采集整个光路中各个部分的基准信息，最后根据偏心量的定义通过构造、结算获得偏心量并进行精度分析。采用本发明所述的方法也可以测量同轴非球面光学元件的偏心量。
本发明的有益效果：本发明采用激光跟踪仪检测离轴非球面偏心量的方法操作简便、数据处理简明、通用性好。解决了现有技术对光学表面要求高、难于检测大口径元件、无法检测离轴非球面等不足。
附图说明
图1为采用本发明方法或者现有方法测量同轴非球面偏心量的方法检测示意图；
图2为本发明所述的采用激光跟踪仪检测离轴非球面偏心量的方法的检测示意图。
图中：1、干涉仪，2、补偿器，3、激光跟踪仪，4、待测非球面，5、偏心量，6、待测非球面的几何中心。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1和图2说明本实施方式，采用激光跟踪仪检测离轴非球面偏心量的方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、步骤一、调整补偿器2、干涉仪1和待检测非球面的相对位置，使补偿器2、干涉仪1和待测非球面4同轴；
步骤二、采用激光跟踪仪测量步骤一所述的补偿器2的基准面，获得补偿器2的光轴位置数据；
步骤三、采用激光跟踪仪3测量待检非球面的基准面数据，根据补偿器2的机械设计参数、待测非球面4的基准面数据和待测非球面4的设计参数，获得待测非球面4的几何中心点的空间位置数据；
步骤四、根据步骤二和步骤三获得的补偿器2的光轴位置数据和待测非球面4几何中心的空间位置数据，由光学偏心量的定义，光学元件的光学面的几何中心相对于光轴的偏差即为偏心量，采用激光跟踪仪3附带的软件就可以解算出非球面的在x方向和y方向的偏心量Δx和Δy。
本实施方式所述的补偿器2的机械设计参数包括补偿器的平面度、柱面度、垂直度和机械尺寸。所述待测非球面4的设计参数包括二次曲面系数、顶点曲率半径、高次项系数等光学设计参数以及元件外形尺寸。
具体实施方式二、结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的采用激光跟踪仪检测非球面偏心量的方法的实施例：
a、调整补偿器2与干涉仪1岀射的平行光准直；然后，根据ZYGO干涉仪1软件MetroPro中的Zernike系数调整待检非球面与补偿器2和干涉仪1三者的相对位置，这一般要反复多次，最终才能调整完成；
b、补偿器2设计时都会有机械基准面，这些基准面与补偿器2的光轴信息相关联，因此在完成干涉仪1、补偿器2、待测非球面4光学调整后，利用激光跟踪仪3测量补偿器2上的基准面，并根据基准面信息计算出光轴基准；
所述的补偿器2的基准面一般为外圆柱面和两个端平面，通过跟踪仪采集外圆柱基准面的数据点，进行数据拟合，可以得到圆柱基准面的方程以及圆柱轴线的方程，因为补偿器2装配时是根据外圆柱面和两个端平面基准进行的，所以圆柱的轴线可以作为光轴基准使用（同轴偏差一般小于5″）。
c、待测非球面4上也有用于检测和装配的基准面，利用激光跟踪仪3测量待检非球面反射镜上的基准面信息，根据基准面的测量数据以及机械设计参数和非球面设计参数，可以通过构造得出非球面几何中心点的空间位置信息；
以圆形外轮廓的待测非球面4光学元件为例，其基准面一般为背部平面和侧圆柱面，利用激光跟踪仪3测量待测非球面4反射镜上的侧圆柱面的基准面信息，获得侧圆柱面的轴线方程，此轴线方程通过待测非球面4表面的几何中心（此处激光跟踪仪3只要按圆柱特征去测量采集圆柱面上的数据点，软件中就可以得到圆柱轴线方程及圆柱的直径等信息）；然后以球面特征测量待测非球面4光学元件表面可以得到光学元件表面的球面方程，圆柱面的轴线和待测非球面4光学元件表面的球面相交得到待测非球面4的几何中心6点坐标。
d、根据b和c得到的补偿器2光轴基准信息和待测非球面4几何中心点的空间位置信息，以及偏心量的光学定义，可以很方便地解算出非球面的偏心量；
e、重复步骤a到d，进行多次测量，并进行精度分析。

Claims (3)

1.采用激光跟踪仪检测离轴非球面偏心量的方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：
步骤一、调整补偿器(2)、干涉仪(1)和待测非球面(4)的相对位置，使补偿器(2)、干涉仪(1)和待测非球面(4)同轴；
步骤二、采用激光跟踪仪(3)测量步骤一所述的补偿器(2)的基准面，获得补偿器(2)的光轴位置数据；
步骤三、采用激光跟踪仪(3)测量待测非球面(4)的基准面数据，根据补偿器(2)的机械设计参数、待测非球面(4)的基准面数据和待测非球面(4)的设计参数，获得待测非球面(4)的几何中心点的空间位置数据；
步骤四、采用激光跟踪仪(3)计算步骤三获得的待测非球面(4)的几何中心点的空间位置数据与步骤二获得的补偿器(2)的光轴位置数据的偏差，即为待测非球面(4)的偏心量。
2.根据权利要求1所述的采用激光跟踪仪检测离轴非球面偏心量的方法，其特征在于，补偿器(2)的机械设计参数包括补偿器的平面度、柱面度、垂直度和机械尺寸。
3.根据权利要求1所述的采用激光跟踪仪检测离轴非球面偏心量的方法，其特征在于，所述待测非球面(4)的设计参数包括二次曲面系数、顶点曲率半径、高次项系数三个光学设计参数以及元件外形尺寸。
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