CN109029291B - 结合激光差动共焦定位的非球面参数误差干涉测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的结合激光差动共焦定位的非球面参数误差干涉测量方法，属于非球面测量领域。本发明实现方法为，获取被测非球面名义参数，利用获取被测非球面名义参数，结合光学设计软件设计并加工部分补偿透镜与消球差透镜组；根据部分补偿透镜和消球差透镜组建立结合激光差动共焦定位的非球面参数误差干涉测量系统；利用所述系统获得最佳补偿位置变化；测量被测非球面与理想非球面之间的面形变化，并计算面形变化四次分量的系数；根据联立的方程组，计算非球面的面型参数误差，即实现对非球面的面型参数误差的测量。本发明能够提高测量非球面的面型参数误差的测量精度，实现非接触、全口径、速度快、精度高的测量，具有无需扫描装置、结构简单的优点。

Description

结合激光差动共焦定位的非球面参数误差干涉测量方法

技术领域

本发明涉及结合激光差动共焦定位的非球面参数误差干涉测量方法，属于非球面测量领域。

背景技术

非球面的面型参数包括顶点曲率半径和二次曲面常数。这两个参数共同决定了非球面的形状特征，其中，顶点曲率半径不仅影响非球面的轮廓，还决定了非球面的基本性质，进而影响光学系统的像差和成像质量；而二次曲面常数是非球面的分类依据。精确测量面型参数误差，对于光学非球面的加工和装调非常重要。通常情况下，利用接触法或非接触法可以获得被测面的面形轮廓，然后对面形轮廓直接进行曲率拟合，可以得到被测面的面型参数。面型参数的测量值与标称值的差值，即为该非球面的面型参数误差。

干涉法是一种通用的光学非球面面形测量方法，而部分补偿干涉法具有结构简单、设计加工难度低的优点。在部分补偿干涉系统中，准直光经过补偿透镜后，其波前与非球面并不是完全吻合的，因此，反射光再次经过补偿透镜后，不再是准直光。当非准直反射光与参考准直光干涉时就会得到理想干涉条纹，实际条纹与理想干涉条纹的差异就反映了被测非球面的面形误差。

部分补偿干涉法是一种相对测量方法，可以直接测得被测非球面的面形误差。但是，由于被测面和部分补偿透镜的相对位置无法确定，通过部分补偿干涉法无法直接获得被测非球面的面型参数误差，这是目前需要解决的一大难题。

发明内容

为了解决现有技术补偿干涉法测量非球面参数误差时无法确定被测面和部分补偿透镜相对位置的难题，本发明公开的结合激光差动共焦定位的非球面参数误差干涉测量方法要解决的技术问题是：结合激光差动共焦定位确定被测面和部分补偿透镜相对位置，进而提高测量非球面的面型参数误差的测量精度，且能够实现非接触、全口径、速度快、精度高的测量，具有无需扫描装置、结构简单的优点。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明公开的结合激光差动共焦定位的非球面参数误差干涉测量方法，实现方法为，获取被测非球面名义参数，利用获取被测非球面名义参数，结合光学设计软件设计并加工部分补偿透镜与消球差透镜组。根据部分补偿透镜和消球差透镜组建立结合激光差动共焦定位的非球面参数误差干涉测量系统。利用所述系统获得最佳补偿位置变化。测量被测非球面与理想非球面之间的面形变化，并计算面形变化四次分量的系数。根据联立的方程组，计算非球面的面型参数误差，即实现对非球面的面型参数误差的测量。

本发明公开的结合激光差动共焦定位的非球面参数误差干涉测量方法，包括如下步骤：

步骤1：获取被测非球面名义参数，利用获取被测非球面名义参数，结合光学设计软件设计部分补偿透镜P，得到设计后的部分补偿透镜P的设计参数，并构建非球面参数误差干涉测量系统模型。

步骤1.1：获取被测非球面名义参数。

获取被测非球面名义参数包括被测非球面的口径、顶点曲率半径、二次曲面常数和高次非球面系数。

步骤1.2：利用获取被测非球面名义参数，结合光学设计软件设计部分补偿透镜P。

步骤1.2所述的光学设计软件包括且不限于ZEMAX、CODE V。

利用获取被测非球面名义参数，结合光学设计软件设计部分补偿透镜P，得到设计后的部分补偿透镜P的设计参数，部分补偿透镜P的设计参数包括部分补偿透镜P的第一面曲率半径、厚度、材料、第二面曲率半径和口径。

步骤1.3：利用获取被测非球面名义参数，结合光学设计软件构建非球面参数误差干涉测量系统模型。

光学设计软件中构建包含部分补偿透镜P的虚拟干涉仪I_R，并确定理想非球面的最佳补偿位置，即部分补偿透镜P的第二面到理想非球面顶点的轴向距离d₀。

根据步骤1.1确定的被测非球面名义参数和步骤1.2确定的部分补偿透镜P的设计参数，确定理想非球面的最佳补偿位置，即部分补偿透镜第二面到理想非球面顶点的轴向距离d₀：

其中，d₀是部分补偿透镜第二面到理想非球面顶点的轴向距离；L_P是部分补偿透镜第二面到部分补偿透镜近轴焦点的距离，通过近轴光学公式进行确定；R₀是非球面的顶点曲率半径，K₀是二次曲面常数；A₄是四次非球面系数；S_A是非球面的特征点到旋转对称轴的径向距离，通过斜率非球面度定义进行确定；±的符号选择原则为：凹非球面的符号选择为+，凸非球面的符号选择为–。

结合光学设计软件构建包含部分补偿透镜P的虚拟干涉仪I_R即为非球面参数误差干涉测量系统模型。

步骤2：根据步骤1得到的设计后部分补偿透镜P的设计参数，加工出部分补偿透镜P的实物，并根据部分补偿透镜P的设计参数设计并加工消球差透镜组A的实物。

步骤3：根据步骤2得到的部分补偿透镜P和消球差透镜组A建立结合激光差动共焦定位的非球面参数误差干涉测量系统。

步骤4：利用步骤3建立的结合激光差动共焦定位的非球面参数误差干涉测量系统，获得最佳补偿位置变化Δd。

步骤4.1：利用激光差动共焦定位系统确定部分补偿透镜P的初始位置，即消球差透镜组A最后一面到部分补偿透镜P第一面的轴向距离d₁。

将消球差透镜组A作为激光差动共焦定位系统的物镜镜头，利用激光差动共焦轴向强度响应特性曲线对部分补偿透镜P第一面进行定位，当曲线经过零点的时候，确定部分补偿透镜P的初始位置d₁。

步骤4.2：移动消球差透镜组A，确定被测非球面的初始位置，即部分补偿透镜P第二面到被测非球面顶点的轴向距离d₂。

将消球差透镜组A和部分补偿透镜P共同作为激光差动共焦定位系统的物镜镜头，利用激光差动共焦轴向强度响应特性曲线对被测非球面进行定位，当曲线经过零点的时候，确定被测非球面的初始位置d₂＝d₀。

步骤4.3：建立包含部分补偿透镜P的实际干涉仪I_O，并确定被测非球面的最佳补偿位置，即部分补偿透镜第二面到被测非球面顶点的轴向距离d₃。

根据实际干涉仪I_O的干涉图对被测非球面镜进行定位，当干涉图的条纹最稀疏的时候，确定被测非球面和补偿镜P之间的距离为被测非球面的最佳补偿位置d₃。

步骤4.4：计算被测非球面与理想非球面之间的最佳补偿位置变化Δd：

Δd＝d₃-d₂ (2)

步骤5：测量被测非球面与理想非球面之间的面形变化，并计算面形变化S⁴分量的系数ΔD₄。

步骤6：根据联立的方程组(3)、(4)，计算非球面的面型参数误差，即实现对非球面的面型参数误差的测量，联立的方程组(3)、(4)的具体形式为：

其中，ΔR是顶点曲率半径误差；ΔK是二次曲面常数误差。±的符号选择原则为：凹非球面的符号选择为+，凸非球面的符号选择为–。

有益效果：

1.本发明公开的结合激光差动共焦定位的非球面参数误差干涉测量方法，通过激光差动共焦定位系统，确定部分补偿透镜和非球面的初始位置，能够解决部分补偿干涉系统中难以确定各光学元件相对位置的问题，进而提高测量非球面的面型参数误差的测量精度。

2.本发明公开的结合激光差动共焦定位的非球面参数误差干涉测量方法，属于干涉测量方法，能够实现对非球面参数误差非接触、全口径干涉测量，此外，相比于扫描测量方法，具有测量速度快的优点。

3.本发明公开的结合激光差动共焦定位的非球面参数误差干涉测量方法，根据非球面的面型参数公式推导出核心方程组，即通过联立的核心方程组(3)、(4)计算获得非球面的面型参数误差，即实现对非球面的面型参数误差的测量，因此，通过联立的核心方程组(3)、(4)计算获得非球面的面型参数误差方法为一种全新的非球面参数误差测量方法。

附图说明

图1是结合激光差动共焦定位的非球面参数误差干涉测量方法流程图。

图2是通过激光差动共焦定位系统确定部分补偿透镜初始位置d₁的光路图。

图3是通过激光差动共焦定位系统确定被测非球面初始位置d₂的光路图。

图4是通过实际部分补偿干涉系统确定被测非球面最佳补偿位置d₃的光路图。

其中，1-参考平面镜、2-消球差透镜组、3-部分补偿透镜、4-部分补偿透镜初始位置d₁、5-被测非球面、6-被测非球面初始位置d₂、7-被测非球面最佳补偿位置d₃。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步说明。

实施例1：

结合激光差动共焦定位的非球面参数误差干涉测量方法，按以下方式实现：

建立结合激光差动共焦定位的非球面参数误差干涉测量方法流程如附图1所示，具体实施步骤为：

步骤1：获取被测非球面名义参数，利用获取被测非球面名义参数，结合光学设计软件设计部分补偿透镜3，得到设计后的部分补偿透镜3的设计参数，并构建非球面参数误差干涉测量系统模型。

步骤1.1：获取被测非球面名义参数。

获取被测非球面名义参数包括被测非球面的口径、顶点曲率半径、二次曲面常数和高次非球面系数。

在本实施例中，被测面为凸非球面：口径2D＝80mm；顶点曲率半径R₀＝850mm；二次曲面常数K₀＝–1.2；高次非球面系数A_2i＝0，i＝2，3，4，……。

步骤1.2：利用获取被测非球面名义参数，结合光学设计软件设计部分补偿透镜3。

相关参数包括部分补偿透镜3的第一面曲率半径，厚度，材料，第二面曲率半径和口径。

在本实施例中，采用的光学设计软件为ZEMAX，部分补偿透镜3为双凸单透镜，参数为第一面曲率半径578.4mm，厚度22.0mm，材料K9玻璃，折射率n＝1.51630，第二面曲率半径3350.0，口径100mm。

步骤1.3：利用获取被测非球面名义参数，结合光学设计软件构建非球面参数误差干涉测量系统模型。

在光学仿真软件中建立包含部分补偿透镜3的虚拟干涉仪I_R，并确定理想非球面的最佳补偿位置，即部分补偿透镜3第二面到理想非球面顶点的轴向距离

通过近轴光学公式，确定部分补偿透镜第二面到部分补偿透镜近轴焦点的距离L_P＝944.76mm。

通过斜率非球面度定义，确定非球面的特征点到旋转对称轴的径向距离S_A＝34.4mm，计算

根据被测凸非球面名义参数和部分补偿透镜P的相关参数，确定理想非球面的最佳补偿位置d₀＝944.76–850.84＝93.92mm。

步骤2：根据步骤1得到的设计后部分补偿透镜3的设计参数，加工出部分补偿透镜3的实物，并根据部分补偿透镜3的设计参数设计并加工消球差透镜组2的实物。

消球差透镜组2的相关参数包括最后一面到焦点的轴向距离和定位精度。

在本实施例中，消球差透镜组2为三片式结构，参数为最后一面到焦点的轴向距离375.68mm，定位精度3μm。

步骤3：根据步骤2得到的部分补偿透镜3和消球差透镜组2建立结合激光差动共焦定位的非球面参数误差干涉测量系统。

步骤4：利用步骤3建立的结合激光差动共焦定位的非球面参数误差干涉测量系统，获得最佳补偿位置变化Δd。

步骤4.1：利用激光差动共焦定位系统确定部分补偿透镜3的初始位置，即消球差透镜组2最后一面到部分补偿透镜3第一面的轴向距离d₁4。

如附图2所示，将消球差透镜组2作为激光差动共焦定位系统的物镜镜头，利用激光差动共焦轴向强度响应特性曲线对部分补偿透镜3第一面进行定位，当曲线经过零点的时候，确定部分补偿透镜3的初始位置d₁4，d₁＝375.68mm。

步骤4.2：移动消球差透镜组2，确定被测非球面的初始位置，即部分补偿透镜3第二面到被测非球面5顶点的轴向距离d₂6。

如附图3所示，将消球差透镜组2和部分补偿透镜3共同作为激光差动共焦定位系统的物镜镜头，利用激光差动共焦轴向强度响应特性曲线对被测非球面进行定位，当曲线经过零点的时候，确定被测非球面的初始位置d₂ 6，d₂＝d₀＝93.92mm。

步骤4.3：建立包含部分补偿透镜3的实际干涉仪I_O，并确定被测非球面5的最佳补偿位置，即部分补偿透镜3第二面到被测非球面5顶点的轴向距离d₃7。

如附图4所示，去掉消球差透镜组2，利用参考平面镜1形成参考光，部分补偿透镜3和被测非球面5形成测量光，根据实际干涉仪I_O的干涉图进行定位，当干涉图的条纹最稀疏的时候，能够确定被测非球面的最佳补偿位置d₃7，d₃＝91.87mm。

步骤4.4：计算被测非球面5与理想非球面之间的最佳补偿位置变化Δd＝d₃-d₂

步骤5：测量被测非球面5与理想非球面之间的面形变化，并计算面形变化S⁴分量的系数ΔD₄＝–2.17×10^–11mm^–3。

步骤6：根据方程组的联立，计算被测非球面5的面型参数误差，方程组的具体形式为：

其中，ΔR是顶点曲率半径误差；ΔK是二次曲面常数误差。

计算被测非球面5的面型参数误差，顶点曲率半径误差ΔR＝1.9981mm，二次曲面常数误差ΔK＝–0.1497。

综上，相对测量精度为 其中，ΔR₀＝2mm是被测非球面5的实际顶点曲率半径误差，ΔK₀＝–0.15是被测非球面5的实际二次曲面常数误差。

本实施例中，被测非球面5使用的是凸非球面，但本方法并不限于这一种类型的非球面，也可以使用凹非球面。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.结合激光差动共焦定位的非球面参数误差干涉测量方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤1：获取被测非球面名义参数，利用获取被测非球面名义参数，结合光学设计软件设计部分补偿透镜P，得到设计后的部分补偿透镜P的设计参数，并构建非球面参数误差干涉测量系统模型；

步骤2：根据步骤1得到的设计后部分补偿透镜P的设计参数，加工出部分补偿透镜P的实物，并根据部分补偿透镜P的设计参数设计并加工消球差透镜组A的实物；

步骤3：根据步骤2得到的部分补偿透镜P和消球差透镜组A建立结合激光差动共焦定位的非球面参数误差干涉测量系统；

步骤4：利用步骤3建立的结合激光差动共焦定位的非球面参数误差干涉测量系统，获得最佳补偿位置变化Δd；

步骤5：测量被测非球面与理想非球面之间的面形变化，并计算面形变化S⁴分量的系数ΔD₄；

步骤6：根据联立的方程组(3)、(4)，计算非球面的面型参数误差，即实现对非球面的面型参数误差的测量，联立的方程组(3)、(4)的具体形式为：

其中，ΔR是顶点曲率半径误差；ΔK是二次曲面常数误差；K₀是二次曲面常数；R₀是非球面的顶点曲率半径；A₄是四次非球面系数；S_A是非球面的特征点到旋转对称轴的径向距离，通过斜率非球面度定义进行确定；±的符号选择原则为：凹非球面的符号选择为+，凸非球面的符号选择为–；

步骤1具体实现方法如下，

步骤1.1：获取被测非球面名义参数；

获取被测非球面名义参数包括被测非球面的口径、顶点曲率半径、二次曲面常数和高次非球面系数；

步骤1.2：利用获取被测非球面名义参数，结合光学设计软件设计部分补偿透镜P；

利用获取被测非球面名义参数，结合光学设计软件设计部分补偿透镜P，得到设计后的部分补偿透镜P的设计参数，部分补偿透镜P的设计参数包括部分补偿透镜P的第一面曲率半径、厚度、材料、第二面曲率半径和口径；

步骤1.3：利用获取被测非球面名义参数，结合光学设计软件构建非球面参数误差干涉测量系统模型；

光学设计软件中构建包含部分补偿透镜P的虚拟干涉仪I_R，并确定理想非球面的最佳补偿位置，即部分补偿透镜P的第二面到理想非球面顶点的轴向距离d₀；

根据步骤1.1确定的被测非球面名义参数和步骤1.2确定的部分补偿透镜P的设计参数，确定理想非球面的最佳补偿位置，即部分补偿透镜第二面到理想非球面顶点的轴向距离d₀：

其中，d₀是部分补偿透镜第二面到理想非球面顶点的轴向距离；L_P是部分补偿透镜第二面到部分补偿透镜近轴焦点的距离，通过近轴光学公式进行确定；R₀是非球面的顶点曲率半径，K₀是二次曲面常数；A₄是四次非球面系数；S_A是非球面的特征点到旋转对称轴的径向距离，通过斜率非球面度定义进行确定；±的符号选择原则为：凹非球面的符号选择为+，凸非球面的符号选择为–；

结合光学设计软件构建包含部分补偿透镜P的虚拟干涉仪I_R即为非球面参数误差干涉测量系统模型。

2.如权利要求1所述的结合激光差动共焦定位的非球面参数误差干涉测量方法，其特征在于：步骤4具体实现方法如下，

步骤4.1：利用激光差动共焦定位系统确定部分补偿透镜P的初始位置，即消球差透镜组A最后一面到部分补偿透镜P第一面的轴向距离d₁；

将消球差透镜组A作为激光差动共焦定位系统的物镜镜头，利用激光差动共焦轴向强度响应特性曲线对部分补偿透镜P第一面进行定位，当曲线经过零点的时候，确定部分补偿透镜P的初始位置d₁；

步骤4.2：移动消球差透镜组A，确定被测非球面的初始位置，即部分补偿透镜P第二面到被测非球面顶点的轴向距离d₂；

将消球差透镜组A和部分补偿透镜P共同作为激光差动共焦定位系统的物镜镜头，利用激光差动共焦轴向强度响应特性曲线对被测非球面进行定位，当曲线经过零点的时候，确定被测非球面的初始位置d₂＝d₀；

步骤4.3：建立包含部分补偿透镜P的实际干涉仪I_O，并确定被测非球面的最佳补偿位置，即部分补偿透镜第二面到被测非球面顶点的轴向距离d₃；

根据实际干涉仪I_O的干涉图对被测非球面镜进行定位，当干涉图的条纹最稀疏的时候，确定被测非球面和补偿镜P之间的距离为被测非球面的最佳补偿位置d₃；

步骤4.4：计算被测非球面与理想非球面之间的最佳补偿位置变化Δd：

Δd＝d₃-d₂ (2)。

3.如权利要求1所述的结合激光差动共焦定位的非球面参数误差干涉测量方法，其特征在于：步骤1.2所述的光学设计软件包括ZEMAX和CODE V。