CN107883912A - 一种大口径轴对称非球面测试方法及装置 - Google Patents

一种大口径轴对称非球面测试方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光学加工与测量技术领域,具体涉及一种大口径轴对称非球面测试方法及装置。其实现大口径非球面的精确测量,可将探针式接触测量设备的测量量程增大80%,实现大口径光学表面的检测测量。本发明采用探针式轮廓仪进行表面轮廓测量时,测针在测量杆的带动下沿非球面表面做横向运动,随零件表面轮廓的形状进行纵向扫描,从而改变了测量光路与参考光路之间的光程差,使干涉条纹发生移动,对测量结果进行分析,得到非球面的测量偏差数据,实现了大口径零件的检测和分析。

Description

一种大口径轴对称非球面测试方法及装置
技术领域
本发明涉及光学加工与测量技术领域,具体涉及一种大口径轴对称非球面测试方法及装置。
背景技术
近年来,大口径光学元件应用越来越广泛,其加工和检测技术也成为研究热点之一。为了获得高精度的大口径光学元件,需要与之精度相适应的检测方法和仪器。传统光学检测中,大口径光学元件的检测一般需要与其口径相匹配的大口径的轮廓检测仪和干涉检测仪,这就要求要有一块与被检测元件尺寸相同或者更大的标准元件,而这样一个高精度的标准元件不仅加工难度极大,制造成本高,同时对检测环境的要求也很高,这些都无形地增加了检测的成本和难度。
目前非球面的检测可分为接触式测量和非接触式测量两类。非接触测量方法主要包括原子力显微镜测量法、白光干涉扫描法、计算全息法、剪切干涉测量法、相位恢复和子孔径拼接法等。剪切干涉、相位恢复和子孔径拼接等测量方法对小型和大型非球面测量均适用。相位恢复法检测速度较快,可以实现在位测量,但其精度需要进一步提高;剪切干涉法测量速度也较快,其通用性好,测量效率较高,但测量精度还有待提高;子孔径拼接法测量精度较高,但其装置校准和后续图像处理稍显繁琐,测量速度难以提高。计算全息法具有较高的测量精度,但需要针对不同类型的非球面制作不同的全息图,通用性不强;白光干涉扫描法精度虽高,但一般只适合测量小型非球面;原子力显微镜法介于接触法和光学法之间,测量精度和分辨率都很高,但测量范围很小,适合微小非球面镜片的测量;接触式测量方法主要是接触式探针测量法,比较成熟,虽然测量速度慢,接触式测量方法技术成熟,是目前非球面面形测量的主力军。
目前大多数光学加工单位都购置有接触式轮廓测量仪器,由于仪器测量量程的限制,超出工作量程,工件将无法检测,加工受到很大的限制,如需检测更大口径的光学零件,需要购置量程更大的轮廓仪,且仪器更新价格昂贵,动辄数十万上百万元。
发明内容
有鉴于此,本发明提供一种大口径轴对称非球面测试方法及装置,能够解决大口径光学表面的检测测量,可将设备的测量量程增大80%。实现了大口径光学表面的检测测量。
为解决现有技术存在的问题,本发明的技术方案是:一种大口径轴对称非球面测试装置,其特征在于:该装置包括自定心透镜夹持器,旋转台、X向水平移动平台和Y向水平移动平台;所述的自定心透镜夹持器固定于旋转台上,并同轴设置,旋转台由旋转轴和轴套组成,可绕轴实现0-360°旋转;旋转台固定于X向水平运动平台上,X向水平运动平台固定于Y向水平运动平台上,Y向水平运动平台固定于基座上。
所述的X向水平移动平台、Y向水平移动平台通过手动或者步进电机带动。
所述的X向水平移动平台的移动范围为0-300mm,Y向水平移动平台的移动范围为0-200mm。
一种大口径轴对称非球面测试方法的测试方法的步骤为:
1)将被测量光学元件放置于自定心透镜夹持器上,将本装置安装于探针式轮廓检测仪的工作台上。
2)探针式轮廓检测仪的探针由边沿过非球面顶点获得测量数据L_0.mod,过顶点后测量长度不小于5mm;将旋转台旋转180度后,探针由边沿过非球面顶点以同样方式获得测量数据R_0.mod;
3)对测量数据L_0.mod二次曲线拟合,得到二次曲线方程y=ax2+bx+c,其极值位置-b/2a即为非球面顶点近似位置,对于凸非球面为极大值、凹非球面为极小值,在数据L_0.mod中找出对应的顶点位置,以顶点为基准,各测量数据减去顶点的测量数据,获得测量曲线相对坐标,对应数据为L_1.mod;对测量数据R_0.mod以同样的处理方式,获得其相对坐标,对应数据为R_1.mod;
4)将获得的曲线坐标数据L_1.mod,截取顶点两侧的对称数据获得L_2.mod,与非球面设计数据对比获得偏差数据L_error.mod,对偏差数据L_error.mod进行直线拟合,取拟合直线斜率对应的角度α为修正角度,对曲线L_1.mod以顶点为中心用-α曲线进行旋转调平修正为L_3.mod;对R_1.mod数据以同样的处理方式,获得其旋转调平修正数据R_3.mod;
5)将获得的旋转修正的曲面数据L_3.mod,依据非球面轴对称的加工特征,通过函数优化方法平移量ΔX,确定出非球面精确非球面顶点,所述的优化规则是:以确定的顶点为基准,顶点左右两侧数据均方根偏差值RMS的差值最小,即对L_3.mod取中心点两侧的对称数据L_4.mod,所述的函数优化方法是用进退法确定平移区间,使用黄金分割法确定平移量ΔX,使用ΔX补偿后确定出非球面顶点O的精确位置,在L_3.mod数据上找到相应的顶点位置,记为O′,对L_3.mod数据以O′点为基准,各测量数据减去顶点的测量数据获得数据L_5.mod;对数据R_3.mod以同样处理方式,获得数据R_5.mod;
6)获得的数据L_5.mod,截取边沿到中心,R_5.mod截取中心到边沿的两部分数据,以顶点为基准进行拼接,获得整个口径的测量数据D_all.mod,该数据为测量拼接结果。
与现有技术相比,本发明的优点如下:
本发明通过引入的测试装置,在不降低精度的情况下解决小量程仪器测量大孔径工件的问题,大大降低设备升级的成本;
本发明能够解决大口径光学表面的检测测量,可将设备的测量量程增大80%,增大到180%。实现了大口径光学表面的检测测量。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图;
图2是本发明的测量原理图;
1-被测量光学元件;2-自定心透镜夹持器,3-旋转轴,4-轴套,5-X向水平运动平台;6-Y向水平运动平台;7-基座。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
本发明提供一种大口径轴对称非球面测试装置,其装置包括自定心透镜夹持器2,旋转台、X向水平移动平台5、Y向水平移动平台6基座7;所述的自定心透镜夹持器2固定于旋转台上,并同轴设置,旋转台由旋转轴3和轴套4组成,可绕轴实现0-360°旋转;旋转台固定于X向水平运动平台5上,X向水平运动平台5固定于Y向水平运动平台6上,Y向水平运动平台6固定于基座7上。
所述的X向水平移动平台5、Y向水平移动平台6通过手动或者步进电机带动,将装置安装在探针式轮廓检测仪的工作台,测量量程0-120mm。
所述的X向水平移动平台5的移动范围为0-300mm,Y向水平移动平台6的移动范围为0-200mm。
实施例1:将所述装置安装在Talysurf Series II轮廓检测仪的工作台,轮廓检测仪的测量量程0-120mm。将被测量工件(口径200mm)置于自定心透镜夹持器2中进行测量。
根据轮廓仪的操作方法进行调整:a)调整Y向水平运动平台6装置,通过TalysurfSeries II轮廓检测仪的探针指示找到被测工件(被测量光学元件)的最高点(凸面)或最低点(凹面);b)通过检测仪在X向找到顶点坐标;c)向左移动探针100mm;d)设定测量长度120mm,开始测量获得数据1,导出面形文件存储为sample200-L.mod。
将旋转台旋转180度后,探针由边沿过非球面顶点以同样方式获得测量数据2,导出面形文件存储为sample200-R.mod。
1)matlab读入测量数据sample200-L.mod和sample200-R.mod点坐标;
2)通过对数据sample200-L.mod进行二次曲线拟合,获得二次函数y=ax2+bx+c,其极值位置(-b/2a)即为非球面顶点的近似位置,在数据sample200-L.mod中找出对应的顶点位置,以顶点为基准,各测量数据减去顶点的测量数据,获得测量曲线相对坐标,对应数据为sample200-L_1.mod;对测量数据sample200-R.mod以同样的处理方式,获得其相对坐标,对应数据为sample200-R_1.mod;
3)获得的曲线坐标数据sample200-L_1.mod,截取顶点两边的对称数据为sample200-L_2.mod,长度约40mm,与非球面设计数据对比获得偏差数据sample200-L_corr.mod,对偏差数据进行直线拟合,直线斜率对应的角度α为旋转调平修正角度,用-α对sample200-L_1.mod进行旋转调平修正获得sample200-L_3.mod;对sample200-R_1.mod数据以同样的处理方式,获得其旋转调平修正数据sample200-R_3.mod;
4)获得的旋转修正后的曲面数据sample200-L_3.mod,截取中心点两侧的对称数据sample200-L_4.mod,以“顶点左右两侧数据的均方根偏差值RMS的差值最小”为原则,用进退法确定平移区间,使用黄金分割法确定平移量ΔX,使用ΔX补偿后确定出非球面顶点O的精确位置,在sample200-L_3.mod数据上找到相应的顶点位置(记为O′),对sample200-L_3.mod数据以O′点为基准,各测量数据减去基准测量数据,获得数据sample200-L_5.mod;对数据sample200-R_3.mod以同样处理方式,获得数据sample200-R_5.mod。
5)获得的数据sample200-L_5.mod,截取边沿到中心,sample200-R_5.mod截取中心到边沿的两部分数据,以顶点为基准进行拼接,获得整个口径的测量数据sample200.mod,该数据为测量拼接结果。获得的全口径测量数据与标准的与理想曲面数据比较,得到非球面的测量偏差数据,实现了大口径零件的检测和分析。
样品测量结果PV=0.85μm,干涉仪测量结果0.89μm,偏差小于2%,使用量程120mm的轮廓仪实现了口径200mm工件的检测。
实施例2:将所述装置安装在PGI1250A轮廓检测仪的工作台,轮廓检测仪的测量量程0-200mm。将被测量工件(口径360mm)放置于自定心透镜夹持器2上,进行测量。
根据轮廓仪的操作方法进行调整:a)调整Y向水平运动平台6装置,通过PGI1250A轮廓检测仪的探针指示找到被测工件(被测量光学元件)的最高点(凸面)或最低点(凹面);b)通过检测仪在X向找到顶点坐标;c)向左移动探针180mm;d)设定测量长度200mm,开始测量获得数据1,导出面形文件存储为sample360-L.mod。
将旋转台旋转180度后,探针由边沿过非球面顶点以同样方式获得测量数据2,导出面形文件存储为sample360-R.mod。
1)matlab读入测量数据sample360-L.mod和sample360-R.mod点坐标;
2)通过对数据sample360-L.mod进行二次曲线拟合,获得二次函数y=ax2+bx+c,其极值位置(-b/2a)即为非球面顶点的近似位置,在数据sample360-L.mod中找出相应的顶点位置,以顶点为基准,各测量数据减去顶点的测量数据,获得测量曲线相对坐标,对应数据为sample360-L_1.mod;对测量数据sample360-R.mod以同样的处理方式,获得其相对坐标,对应数据为sample360-R_1.mod;
3)获得的曲线坐标数据sample360-L_1.mod,截取顶点两边的对称数据为sample360-L_2.mod,长度约40mm,与非球面设计数据对比获得偏差数据sample360-L_corr.mod,对偏差数据进行直线拟合,直线斜率对应的角度α为旋转调平修正角度,用-α对sample360-L_1.mod进行旋转调平修正获得sample360-L_3.mod;对sample360-R_1.mod数据以同样的处理方式,获得其旋转调平修正数据sample360-R_3.mod;
4)获得的旋转修正后的曲面数据sample360-L_3.mod,截取中心点两侧的对称数据sample360-L_4.mod,以“顶点左右两侧数据的均方根偏差值RMS的差值最小”为原则,用进退法确定平移区间,使用黄金分割法确定平移量ΔX,使用ΔX补偿后确定出非球面顶点O的精确位置,在sample360-L_3.mod数据上找到相应的顶点位置(记为O′),对sample360-L_3.mod数据以O′点为基准,各测量数据减去基准测量数据,获得数据sample360-L_5.mod;对数据sample360-R_3.mod以同样处理方式,获得数据sample360-R_5.mod。
5)获得的数据sample360-L_5.mod,截取边沿到中心,sample360-R_5.mod截取中心到边沿的两部分数据,以顶点为基准进行拼接,获得整个口径的测量数据sample360.mod,该数据为测量拼接结果。获得的全口径测量数据与标准的与理想曲面数据比较,得到非球面的测量偏差数据,实现了大口径零件的检测和分析。
样品通过测量结果PV=3.25μm,与干涉仪测量结果PV=3.31μm,偏差小于2%,该测量实现了量程200mm对口径360工件的检测。
实施例3:将所述装置安装在MMD-R100C轮廓检测仪的工作台,轮廓检测仪的测量量程0-100mm。将被测量工件(口径160mm)放置于自定心透镜夹持器2上,进行测量。
根据轮廓仪的操作方法进行调整,a)调整Y向水平运动平台6,通过MMD-R100C轮廓检测仪的探针指示找到被测工件的最高点(凸面)或最低点(凹面)。b)通过检测仪在X向找到顶点坐标;c)向左移动探针80mm;d)设定测量长度100mm,开始测量获得数据1,导出面形文件存储为sample160-L.mod。
将旋转台旋转180度后,探针由边沿过非球面顶点以同样方式获得测量数据2,导出面形文件存储为sample160-R.mod。
1)matlab读入测量数据sample160-L.mod和sample160-R.mod点坐标;
2)通过对数据sample160-L.mod进行二次曲线拟合,获得二次函数y=ax2+bx+c,其极值位置(-b/2a)即为非球面顶点的近似位置,在数据sample160-L.mod中找出顶点位置,以顶点为基准,各测量数据减去顶点的测量数据,获得测量曲线相对坐标,对应数据为sample160-L_1.mod;对测量数据sample160-R.mod以同样的处理方式,获得其相对坐标,对应数据为sample160-R_1.mod;
3)获得的曲线坐标数据sample160-L_1.mod,截取顶点两边的对称数据为sample160-L_2.mod,长度约40mm,与非球面设计数据对比获得偏差数据sample160-L_corr.mod,对偏差数据进行直线拟合,直线斜率对应的角度α为旋转调平修正角度,用-α对sample160-L_1.mod进行旋转调平修正获得sample160-L_3.mod;对sample160-R_1.mod数据以同样的处理方式,获得其旋转调平修正数据sample160-R_3.mod;
4)获得的旋转修正后的曲面数据sample160-L_3.mod,截取中心点两侧的对称数据sample160-L_4.mod,以“顶点左右两侧数据的均方根偏差值RMS的差值最小”为原则,用进退法确定平移区间,使用黄金分割法确定平移量ΔX,使用ΔX补偿后确定出非球面顶点O的精确位置,在sample160-L_3.mod数据上找到相应的顶点位置(记为O′),对sample160-L_3.mod数据以O′点为基准,各测量数据减去基准测量数据,获得数据sample160-L_5.mod;对数据sample160-R_3.mod以同样处理方式,获得数据sample160-R_5.mod。
5)获得的数据sample160-L_5.mod,截取边沿到中心,sample160-R_5.mod截取中心到边沿的两部分数据,以顶点为基准进行拼接,获得整个口径的测量数据sample160.mod,该数据为测量拼接结果。获得的全口径测量数据与标准的与理想曲面数据比较,得到非球面的测量偏差数据,实现了大口径零件的检测和分析。
样品通过测量结果PV=2.25m,与干涉仪测量结果PV=2.28m,偏差小于2%,该测量实现了量程100mm对口径160工件的检测。
以上所述,仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种大口径轴对称非球面测试装置,其特征在于:该装置包括自定心透镜夹持器(2),旋转台、X向水平移动平台(5)和Y向水平移动平台(6);所述的自定心透镜夹持器(2)固定于旋转台上,并同轴设置,旋转台由旋转轴(3)和轴套(4)组成,可绕轴实现0-360°旋转;旋转台固定于X向水平运动平台(5)上,X向水平运动平台(5)固定于Y向水平运动平台(6)上,Y向水平运动平台(6)固定于基座(7)上。
2.根据权利要求1所述的一种大口径轴对称非球面测试装置,其特征在于:所述的X向水平移动平台(5)、Y向水平移动平台(6)通过手动或者步进电机带动。
3.根据权利要求2所述的一种大口径轴对称非球面测试装置,其特征在于:所述的X向水平移动平台(5)的移动范围为0-300mm,Y向水平移动平台(6)的移动范围为0-200mm。
4.根据权利要求1所述的一种大口径轴对称非球面测试方法,其特征在于:所述的测试方法的步骤为:
1)将被测量光学元件(1)放置于自定心透镜夹持器(2)上,将本装置安装于探针式轮廓检测仪的工作台上。
2)探针式轮廓检测仪的探针由边沿过非球面顶点获得测量数据L_0.mod,过顶点后测量长度不小于5mm;将旋转台旋转180度后,探针由边沿过非球面顶点以同样方式获得测量数据R_0.mod;
3)对测量数据L_0.mod二次曲线拟合,得到二次曲线方程y=ax2+bx+c,其极值位置-b/2a即为非球面顶点近似位置,对于凸非球面为极大值、凹非球面为极小值,在数据L_0.mod中找出对应的顶点位置,以顶点为基准,各测量数据减去顶点的测量数据,获得测量曲线相对坐标,对应数据为L_1.mod;对测量数据R_0.mod以同样的处理方式,获得其相对坐标,对应数据为R_1.mod;
4)将获得的曲线坐标数据L_1.mod,截取顶点两侧的对称数据获得L_2.mod,与非球面设计数据对比获得偏差数据L_error.mod,对偏差数据L_error.mod进行直线拟合,取拟合直线斜率对应的角度α为修正角度,对曲线L_1.mod以顶点为中心用-α曲线进行旋转调平修正为L_3.mod;对R_1.mod数据以同样的处理方式,获得其旋转调平修正数据R_3.mod;
5)将获得的旋转修正的曲面数据L_3.mod,依据非球面轴对称的加工特征,通过函数优化方法平移量ΔX,确定出非球面精确非球面顶点,所述的优化规则是:以确定的顶点为基准,顶点左右两侧数据均方根偏差值RMS的差值最小,即对L_3.mod取中心点两侧的对称数据L_4.mod,所述的函数优化方法是用进退法确定平移区间,使用黄金分割法确定平移量ΔX,使用ΔX补偿后确定出非球面顶点O的精确位置,在L_3.mod数据上找到相应的顶点位置,记为O′,对L_3.mod数据以O′点为基准,各测量数据减去顶点的测量数据获得数据L_5.mod;对数据R_3.mod以同样处理方式,获得数据R_5.mod;
6)获得的数据L_5.mod,截取边沿到中心,R_5.mod截取中心到边沿的两部分数据,以顶点为基准进行拼接,获得整个口径的测量数据D_all.mod,该数据为测量拼接结果。
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