CN103558013A - 一种旋转对称自由曲面透镜的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转对称自由曲面透镜的检测方法。在被检光路上设置一个反射镜，所提供的反射镜能够将通过被检自由曲面透镜的光线按原路返回，从而实现对旋转对称自由曲面的干涉检测。所设计反射镜以单点金钢石车床加工而成，从而保证其最终的检测精度。本发明提供了一种检测自由曲面的新方法，它与传统的接触式检测方法相比，具有检测速度快，效率高，高精度的特点；与3D投影法相比，能提供更高的测量精度；与CGH检测法相比，成本低，工期短。本发明提供的检测方法还适合于检测任意自由曲面。

Description

一种旋转对称自由曲面透镜的检测方法

技术领域

本发明涉及一种旋转对称自由曲面透镜的检测方法，属于光学自由曲面的设计、检测和制造技术领域。

背景技术

现代光学系统正朝着体积小、质量轻、结构简单、高性价比等方向发展。这一新特点使传统光学元件越来越难以满足市场的需求。而伴随着现代光学设计水平不断发展而产生的自由曲面光学元件，因其能简化系统结构，减少镜片数量，显著减小镜片尺寸，进一步提高成像质量，并且还可获得特殊的光学性能等优良特性，使其在光学系统中的应用越来越重要。

自由曲面光学元件在光电产品及光通讯产品中的应用日益广泛，采用该类光学元件的彩色显像管、液晶显示器、数码相机、光纤通讯等产品已形成了数以万亿计的全球市场。目前自由曲面已经广泛应用于数码摄像镜头、激光打印机扫描仪镜头、衍射光学器件、宽带光纤耦合器、背投电视的后反射镜、车灯的反射镜和灯罩、平面显示器的导光板等产品中。在国防和军事运用中，自由曲面光学元件在各种可见光瞄准器、头盔显示器、微光夜视器等系统中也有十分广泛的运用。

面对如此巨大的光学自由曲面元件的需求，现有的光学自由曲面元件加工制造工艺相对来说比较薄弱，其中作为自由曲面加工技术中最为关键的检测技术尤其突出。目前除了以三坐标为工具的接触式测量方法外，传统的干涉检测法对自由曲面的检测几乎是无能为力。

发明内容

本发明要解决的问题是现有技术对旋转对称自由曲面透镜检测存在的不足，提供一种速度快，精度高，且对被检测的旋转对称自由曲面产品无损伤的干涉检测方法。

实现本发明目的的技术方案是提供一种旋转对称自由曲面透镜的检测方法，将一个反射镜置于被检旋转对称自由曲面透镜的光路上，在等光程条件下，反射镜把入射到其上的光线沿原路返回，对被检旋转对称自由曲面进行干涉检测；具体步骤如下：

1、在笛卡儿坐标系中，将被检测旋转对称自由曲面透镜放置于坐标原点处，光轴与Z轴重合，以透镜的子午线为x轴方向；检测用的平行光与Z轴平行，且入射方向与Z轴正方向一致；在X-Z剖面中，在被检测透镜的有效口径范围内，沿x方向，以dx等间距采样，获得坐标序列                                                

；

（2）将一个自由曲面的反射镜置于被检测透镜的光路上，所述反射镜的自由曲面的设计方法为：按式

 计算自坐标原点发出的光到达反射镜中心位置处的光程s，其中，h为被检测透镜的厚度，d为反射镜与被检测自由曲面的顶点间的距离，n为被检测透镜的折射率；在等光程条件下，利用光线追踪法，计算得到与坐标序列

对应的反射镜上的坐标序列

，其中，为反射镜处对应入射光线的斜率；对反射镜上处于任意二个相邻坐标序列间的函数值用三次多项式进行插值处理，在

时，得到所设计反射镜母线的方程

，其中，4个系数

依次为二个相邻坐标端点的函数值及其导数值，所述的导数值为 ； 

（3）将入射到步骤（2）得到的反射镜上的沿原路返回的光线，用于对被检旋转对称自由曲面进行干涉检测。

本发明对反射镜的自由曲面采用单点金钢石车床加工。

本发明基于单点金钢石车床，提供了一种全新的，自由曲面透镜的干涉检测方法。本方法不同于传统的基于补偿器的非球面检测方法。传统的补偿器法是通过一个或多个标准球面镜，用于补偿光路上的象差，从而达到干涉检测的条件。本方法的独特之处在于，直接基于费马定理，在光路的适当位置设计一个反射镜，使其能把入射的光完全按原光路返回，且保持整个光路上的等光程，从而实现对旋转对称自由曲面的干涉检测。

由于上述设计方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1、相对于干涉检测法而言，解决了现有技术无法直接用干涉法检测自由曲面问题；相对于传统的接触式轮廓检测方法而言，本检测手段速度快，检测精度高，且是一种无损检测方法。

2、反射镜的位置可放在透镜后的任意位置上，为反射镜的加工提供了方便。本方法利用单点金钢石车床加工所设计的反射镜，成本较低，加工周期小。

3、相对于传统的非球面的透射补偿器法必须用折射率均匀度非常高的特殊光学材料来说，由于本方法是用了反射原理，因此对材料的均匀性没有要求。从而大大降低了材料成本。

附图说明

图1 为本发明提供的用于旋转对称自由曲面透镜检测的反射镜设计原理图；

图2 为本发明实施例提供的用于旋转对称自由曲面透镜检测的反射镜的设计结果图；

图3 为本发明实施例提供的用于旋转对称自由曲面透镜检测的检测光路图；

图4 为采用本发明实施例提供的检测方法对旋转对称自由曲面透镜检测的结果图；

图5 为采用传统方法检测旋转对称自由曲面透镜的结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

实施例一：

本实施例对某一口径为30mm高次非球面透镜，一面是平面，另一面为高次非球面的平凸透镜设计了检测用的反射镜。待检透镜的高次非球面的方程为：

 

  ；

其中：

c=1/R 

R=20.4

k=-1.035356

a2=5.685242e-006

a3=-7.934483e-010

a4=-3.635248e-012

a5=5.883743e-016

其余系数为0；

材料折射率n=1.788。

参见附图1，它是本实施例提供的用于旋转对称自由曲面透镜检测的反射镜设计的原理图；反射镜涉及的具体实施步骤如下：

1、以平行光作为光源，平行光源入射方向与Z轴平行，入射方向与Z轴正方向一致，以被检测透镜的子午线方向为x轴方向，在X轴上以原点为中心，在口径为30的区域上以等间距dx采样，dx=0.1mm，获得坐标序列

，总共301个数据点； 

2、被检测透镜的厚度为h，所设计的反射镜距被检测的自由曲面的顶点距离为d，则可计算出自原点发出的光到达反射镜中心位置处的光程为：

，其中n为透镜的折射率；

3、根据等光程条件，即所有光线的光程均为s，利用光线追迹原理或纯粹的几何光学原理，可计算出与坐标序列对应的反射镜上的坐标序列，其中为反射镜处对应入射光线的斜率；

4、根据上述计算方法获得的点保证了等光程，但还不能保证使光线按原路返还。欲使光线能按原路返回，必须使光线与反射镜对应的切平面垂直。假设反射镜的方程表示为

，即必须使：。为了满足这一条件，对处于任意二个相邻坐标系列间的函数值用三次多项式进行插值处理，即

时，。其4个系数正好由二端点的函数值及其导数值4个条件所确定，端点处的导数值为。即系数由下述方程确定：

由上述方程组可计算出对应的系数。由此所述的反射镜方程可表示为：

      当

设计结果如图2所示。采用单点金钢石车床加工所设计的反射镜。

本实施例提供的检测光路参见附图3。将被检测透镜置于原点处，平行光线通过被检测透镜后，光线会聚于设计的反射镜面上，反射镜面把光线按原路返回，从而实现干涉检测。

本实施例的检测结果参见附图4所示。通过图2所示的反射镜面，获得了如图4所示的干涉检测图。为了验证检测的准确性，与传统干涉结果作了比较。传统干涉法检测的结果如图5所示。从对比结果可看出，检测结果基本上是一致的，相对于峰谷误差PV来说本发明的方法检测结果为1.065微米，传统方式为0.096，相对误差接近于13%，对于均方根误差，本发明为0.260波长，传统方法为0.287，相对误差接近于10%。这一结果证明，本发明的检测方案是切实可行的。

Claims (2)

1.一种旋转对称自由曲面透镜的检测方法，采用干涉检测法，其特征在于包括如下步骤：

（1）在笛卡儿坐标系中，将被检测旋转对称自由曲面透镜放置于坐标原点处，光轴与Z轴重合，以透镜的子午线为x轴方向；检测用的平行光与Z轴平行，且入射方向与Z轴正方向一致；在X-Z剖面中，在被检测透镜的有效口径范围内，沿x方向，以dx等间距采样，获得坐标序列

（2）将一个自由曲面的反射镜置于被检测透镜的光路上，所述反射镜的自由曲面的设计方法为：按式s＝n·h+d计算自坐标原点发出的光到达反射镜中心位置处的光程s，其中，h为被检测透镜的厚度，d为反射镜与被检测自由曲面的顶点间的距离，n为被检测透镜的折射率；在等光程条件下，利用光线追踪法，计算得到与坐标序列{(x_si,z_si)}对应的反射镜上的坐标序列{(x_i,z_i,dzx_i)}，其中，dzx_i为反射镜处对应入射光线的斜率；对反射镜上处于任意二个相邻坐标序列间的函数值用三次多项式进行插值处理，在x∈[x_i,x_i+1)时，得到所设计反射镜母线的方程f(x)＝a_ix³+b_ix²+c_ix+d_i，其中，4个系数a_i,b_i,c_i,d_i依次为二个相邻坐标端点的函数值及其导数值，所述的导数值为-1/dzx_i；

（3）将入射到步骤（2）得到的反射镜上的沿原路返回的光线，用于对被检旋转对称自由曲面进行干涉检测。

2.根据权利要求1所述的一种旋转对称自由曲面透镜的检测方法，其特征在于：反射镜的自由曲面采用单点金钢石车床加工得到。

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