CN117168310B - 一种非球面反射镜偏心测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种非球面偏心测量方法，其特征在于，该方法首先搭建检测光路：包括设置在待测非球面反射镜一侧的干涉仪和补偿器，其中将补偿器放在电动平移台上，同时调整干涉仪的位置使得干涉仪的焦点在待测非球面反射镜的光轴上；干涉仪出射的平行光和补偿器的前端面垂直，补偿器返回的两个的鬼像在干涉仪上重合，安装干涉仪镜头后，调节干涉仪前后使得干涉仪焦点和补偿器前端面的距离与设计值相等，然后进行测量。本发明可实现在位检测，且操作简单，测量精度高。
Description
技术领域
本发明属于光学通信设备技术领域，具体涉及一种非球面反射镜偏心测量方法。
背景技术
现代光学系统为简化结构、降低重量，一般会使用一片或多片非球面元件。随着机械加工精度的逐步提高和光学系统的设计越来越紧凑化，光学系统的各项装配公差越来越严格。对于非球面的偏心要求，不但需要光轴和机械基准轴平行，非球面顶点必须位于机械基准轴上。
定心仪法、接触法是非球面定心的常用测试方法。非球面光学元件的口径越来越大，曲率半径也越来越大，而高精度定心仪口径很少大于500mm；接触法是使用三坐标或其他三维轮廓测试设备，在工件机械基准坐标系下对镜面进行扫描，使用扫描数据以及非球面方程拟合光轴和机械基准轴之间的误差。非球面的偏心共有两种情况：角量偏心（光轴和机械轴存在夹角）和线量偏心（光轴和机械轴存在平移）。单一的偏心使用接触法都很容易测量，然而非球面的加工方式决定两种偏心共存，对于口径为1.3m，曲率半径3.5m，当线量偏心为-3.037mm，角量偏心0.05°时，其式高误差仅4.5um。对于精度2um的三坐标（常规三坐标精度）分辨4.5um的误差已经比较极限，而现在的偏心要求一般小于1㎜，很难满足要求。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种非球面反射镜偏心测量方法，该方法可实现在位检测，且操作简单，测量精度高。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种非球面偏心测量方法，该方法包括如下步骤：
S1. 搭建检测光路：包括设置在待测非球面反射镜一侧的干涉仪和补偿器，其中将补偿器放在电动平移台上，同时调整干涉仪的位置使得干涉仪的焦点在待测非球面反射镜的光轴上；干涉仪出射的平行光和补偿器的前端面垂直，补偿器返回的两个的鬼像在干涉仪上重合，安装干涉仪镜头后，调节干涉仪前后使得干涉仪焦点和补偿器前端面的距离与设计值相等；
S2. 记录此时补偿器所在位置B1，并将补偿器移出检测光路，使得待测非球面反射镜和干涉仪焦点之间无遮拦；
S3. 将自准直经纬仪固定在三维调整架上，整体放置在干涉仪焦点和待测非球面反射镜之间，粗调自准直经纬仪，使其光轴和待测非球面反射镜光轴近似重合；
S4. 将激光跟踪仪靶球放置在干涉仪的焦点位置，调节靶球，使得球心和干涉仪焦点重合，干涉条纹为零条纹，使用激光跟踪仪记录该点位置为G0，坐标为（G0x,G0y,G0z），确定干涉仪焦点的空间坐标；
S5. 调整非球面光轴和自准直经纬仪光轴完全重合，自准直经纬仪在对准激光跟踪仪靶球和待测非球面反射镜时，返回光斑都位于十字丝中心点；
S6. 微调自准直经纬仪焦距，使其激光汇聚点在待测非球面反射镜面前方，将激光跟踪仪靶球球心和自准直经纬仪汇聚点调重合，记录该点位置P，使用点G0、P拟合直线L1；
S7.使用激光跟踪仪测量待测非球面反射镜的外轮廓圆O1、非球面顶点点P和基准平面F1，使用O1的圆心作为坐标系的XY轴原点，点P，坐标为（Px，Py，Pz）的沿光轴方向的坐标值作为坐标系Z轴原点，以非球面底面或平台面作为基准平面F1，F1法线方向作为Z轴方向，使用待测非球面反射镜的背面的法线和外轮廓圆的圆心建立基准坐标系；
S8.计算直线L1在基准坐标系下偏离原点的平移量M1，以及直线PG0和Z轴夹角θ1；
S9.将工件分别旋转90°、180°、270°，重复步骤S1~步骤S9，取其平均值，消除经纬仪在调焦过程中直线度误差；
S10.完成步骤S3-S9的测量后，将补偿器重新移回步骤S2中的B1位置，判断检测光路相对于步骤S1是否发生变化，如果检测光路发生变化，需重新进行步骤S3-S9的测量。
进一步地，步骤S5所述调整非球面光轴和自准直经纬仪光轴完全重合的方法如下：
S5-1. 调节自准直经纬仪，使其汇聚点和靶球球心重合，返回的光斑位于自准直经纬仪十字丝中心点，将自准直经纬仪汇聚点和干涉仪焦点重合；
S5-2. 固定自准直经纬仪高度轴，将方位轴旋转180°后固定方位轴，调节自准直经纬仪焦距，使其汇聚点在待测非球面反射镜表面；
S5-3. 观察自准直经纬仪返回光斑位置，调节自准直经纬仪方位轴和高度轴以及三维调整架的升降和平移，返回的光斑位于经纬仪十字丝中心点，即将经纬仪汇聚点和待测非球面反射镜顶点重合；
S5-4. 将自准直经纬仪方位轴旋转180°，对准激光跟踪仪靶球，调节自准直经纬仪焦距，使其汇聚点和靶球球心重合，观察返回光斑位置是否都位于十字丝中心点，如果是调整结束，如果否则重复步骤S 5-1~步骤S 5-4，直到返回光斑位置都位于十字丝中心点。
本发明的有益效果为：
本发明本发明利用自准直经纬仪、激光跟踪仪、标准球一维电动平移台、三维手动平移台以及非球面的检测光路，该方法可实现在位检测，且操作简单，测量精度高。
附图说明
图1是自准直仪和非球面光轴不重合时的光路图；
图2是干涉仪检测光路图；
图3是自准直仪和非球面光轴重合时的光路图；
图4是非球面顶点曲率和G0G1的距离对顶点定位误差影响图；
图中：1-待测非球面反射镜；2-干涉仪；3-补偿器；4-自准直经纬仪。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
一种非球面偏心测量方法，该方法包括如下步骤：
S1. 搭建检测光路：包括设置在待测非球面反射镜1一侧的干涉仪2和补偿器3，其中将补偿器放在电动平移台上，同时调整干涉仪的位置使得干涉仪的焦点在待测非球面反射镜的光轴上；干涉仪出射的平行光和补偿器的前端面垂直，补偿器返回的两个的鬼像在干涉仪上重合，安装干涉仪镜头后，调节干涉仪前后使得干涉仪焦点和补偿器前端面的距离与设计值相等；
S2. 记录此时补偿器所在位置B1，并将补偿器移出检测光路，使得待测非球面反射镜和干涉仪焦点之间无遮拦；
S3. 将自准直经纬仪4固定在三维调整架上，整体放置在干涉仪焦点和待测非球面反射镜之间，粗调自准直经纬仪，使其光轴和待测非球面反射镜光轴近似重合；
S4. 将激光跟踪仪靶球放置在干涉仪的焦点位置，调节靶球，使得球心和干涉仪焦点重合，干涉条纹为零条纹，使用激光跟踪仪记录该点位置为G0，坐标为（G0x,G0y,G0z），确定干涉仪焦点的空间坐标；
S5. 调整非球面光轴和自准直经纬仪光轴完全重合，自准直经纬仪在对准激光跟踪仪靶球和待测非球面反射镜时，返回光斑都位于十字丝中心点；
S6. 微调自准直经纬仪焦距，使其激光汇聚点在待测非球面反射镜面前方，将激光跟踪仪靶球球心和自准直经纬仪汇聚点调重合，记录该点位置P，使用点G0、P拟合直线L1；
S7.使用激光跟踪仪测量待测非球面反射镜的外轮廓圆O1、非球面顶点点P和基准平面F1，使用O1的圆心作为坐标系的XY轴原点，点P，坐标为（Px，Py，Pz）的沿光轴方向的坐标值作为坐标系Z轴原点，以非球面底面或平台面作为基准平面F1，F1法线方向作为Z轴方向，使用待测非球面反射镜的背面的法线和外轮廓圆的圆心建立基准坐标系；
S8.计算直线L1在基准坐标系下偏离原点的平移量M1，以及直线PG0和Z轴夹角θ1；
S9.将工件分别旋转90°、180°、270°，重复步骤S1~步骤S9，取其平均值，消除经纬仪在调焦过程中直线度误差；
S10.完成步骤S3-S9的测量后，将补偿器重新移回步骤S2中的B1位置，判断检测光路相对于步骤S1是否发生变化，如果检测光路发生变化，需重新进行步骤S3-S9的测量。
进一步地，步骤S5所述调整非球面光轴和自准直经纬仪光轴完全重合的方法如下：
S5-1. 调节自准直经纬仪，使其汇聚点和靶球球心重合，返回的光斑位于自准直经纬仪十字丝中心点，将自准直经纬仪汇聚点和干涉仪焦点重合；
S5-2. 固定自准直经纬仪高度轴，将方位轴旋转180°后固定方位轴，调节自准直经纬仪焦距，使其汇聚点在待测非球面反射镜表面；
S5-3. 观察自准直经纬仪返回光斑位置，调节自准直经纬仪方位轴和高度轴以及三维调整架的升降和平移，返回的光斑位于经纬仪十字丝中心点，即将经纬仪汇聚点和待测非球面反射镜顶点重合；
S5-4. 将自准直经纬仪方位轴旋转180°，对准激光跟踪仪靶球，调节自准直经纬仪焦距，使其汇聚点和靶球球心重合，观察返回光斑位置是否都位于十字丝中心点，如果是调整结束，如果否则重复步骤S 5-1~步骤S 5-4，直到返回光斑位置都位于十字丝中心点。
测量方法：
如图1所示，其中点O为非球面的顶点，G2O为非球面光轴。使用自准直经纬仪寻找非球面光轴时（即自准直经纬仪的轴线和非球面光轴重合），将标准球放置在干涉仪焦点位置，球心和干涉仪焦点G0重合（干涉仪上零条纹）。将自准直经纬仪的汇聚点调整到球心位置，返回的光斑位置位于自准直经纬仪分划板十字丝中心点，将自准直经纬仪旋转180°对准非球面上一点P，如图3所示。因此非球面光轴和自准直经纬仪的光轴是两条相较于干涉仪焦点直线。
假设点P与非球面顶点O不重合，自准直经纬仪光轴与点P法线的夹角γ：
γ=∠PG0O-∠PG1O；
三角形PG0O、PG1O近似为等腰三角形，且PG1>>P2O，对上式做近似处理：
γ=PO/PG1-PO/PG0=PO×G0G1/(G1O×G0O)；
常规使用补偿器检测的非球面检测光路如图2所示，其中弥散斑距离非球面顶点的距离近似为非球面的顶点曲率半径，G1O≈R，R为非球面顶点曲率半径。
γ=PO×G0G1/(R2+R×G0G1)；
非球面顶点的定位误差PO=γ×(R2+R×G0G1)/G0G1；
定位误差PO与非球面顶点曲率半径成反比，与G0G1呈正比，常规非球面顶点曲率小于5000mm，G0G1大于500mm，自准直经纬仪精度优于0.5″，即定位误差PO优于0.135mm。非球面顶点的定位误差和非球面顶点、干涉仪焦点与弥散斑距离G0G1的关系如图4所示。
本实施例中测量所使用设备：
莱卡AT960激光跟踪仪，单点测试精度(15+6L/1000)μm(L为测量距离，单位mm ) ；
4D公司Phasecame6000动态激光干涉仪，面形测试重复精度0.001λ(RMS)；
徕卡TM6100A高精度工业测量经纬仪，测量精度0.5″；
Edmund Optics的干涉检测标准球，表面rms＜13nm。
需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种非球面偏心测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1. 搭建检测光路：包括设置在待测非球面反射镜一侧的干涉仪和补偿器，其中将补偿器放在电动平移台上，同时调整干涉仪的位置使得干涉仪的焦点在待测非球面反射镜的光轴上；干涉仪出射的平行光和补偿器的前端面垂直，补偿器返回的两个的鬼像在干涉仪上重合，安装干涉仪镜头后，调节干涉仪前后使得干涉仪焦点和补偿器前端面的距离与设计值相等；
S2. 记录此时补偿器所在位置B1，并将补偿器移出检测光路，使得待测非球面反射镜和干涉仪焦点之间无遮拦；
S3. 将自准直经纬仪固定在三维调整架上，整体放置在干涉仪焦点和待测非球面反射镜之间，粗调自准直经纬仪，使其光轴和待测非球面反射镜光轴近似重合；
S4. 将激光跟踪仪靶球放置在干涉仪的焦点位置，调节靶球，使得球心和干涉仪焦点重合，干涉条纹为零条纹，使用激光跟踪仪记录该点位置为G0，坐标为（G0x,G0y,G0z），确定干涉仪焦点的空间坐标；
S5. 调整非球面光轴和自准直经纬仪光轴完全重合，自准直经纬仪在对准激光跟踪仪靶球和待测非球面反射镜时，返回光斑都位于十字丝中心点；
S6. 微调自准直经纬仪焦距，使其激光汇聚点在待测非球面反射镜面前方，将激光跟踪仪靶球球心和自准直经纬仪汇聚点调重合，记录该点位置P，使用点G0、P拟合直线L1；
S7.使用激光跟踪仪测量待测非球面反射镜的外轮廓圆O1、非球面顶点点P和基准平面F1，使用O1的圆心作为坐标系的XY轴原点，点P，坐标为（Px，Py，Pz）的沿光轴方向的坐标值作为坐标系Z轴原点，以非球面底面或平台面作为基准平面F1，F1法线方向作为Z轴方向，使用待测非球面反射镜的背面的法线和外轮廓圆的圆心建立基准坐标系；
S8.计算直线L1在基准坐标系下偏离原点的平移量M1，以及直线PG0和Z轴夹角θ1；
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S9.将工件分别旋转90°、180°、270°，重复步骤S1~步骤S9，取其平均值，消除经纬仪在调焦过程中直线度误差；
S10.完成步骤S3-S9的测量后，将补偿器重新移回步骤S2中的B1位置，判断检测光路相对于步骤S1是否发生变化，如果检测光路发生变化，需重新进行步骤S3-S9的测量。
2.根据权利要求1所述的一种非球面偏心测量方法，其特征在于，步骤S5所述调整非球面光轴和自准直经纬仪光轴完全重合的方法如下：
S5-1. 调节自准直经纬仪，使其汇聚点和靶球球心重合，返回的光斑位于自准直经纬仪十字丝中心点，将自准直经纬仪汇聚点和干涉仪焦点重合；
S5-2. 固定自准直经纬仪高度轴，将方位轴旋转180°后固定方位轴，调节自准直经纬仪焦距，使其汇聚点在待测非球面反射镜表面；
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