專利名稱：一種離軸光學(xué)非球面鏡頂點(diǎn)半徑的測量方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種離軸光學(xué)非球面鏡頂點(diǎn)半徑的測量方法和裝置。
背景技術(shù)：
隨著光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高分辨率和大視場成像要求的不斷提高，都需要較長的焦距、反射式光學(xué)系統(tǒng)。為了滿足成像質(zhì)量和視場的需求，反射鏡形式由最初的球面，向二次曲面甚至高次非球面方向發(fā)展，其中最典型的就是離軸三反系統(tǒng)(TMA系統(tǒng))，系統(tǒng)中三個(gè)反射鏡都是高次非球面或離軸高次非球面。非球面的最大的技術(shù)難題在于非球面的加工與檢測，離軸非球面的面形可以用補(bǔ)償器進(jìn)行檢測；由于離軸特性，離軸非球面的頂點(diǎn)位置實(shí)際存在但又不能準(zhǔn)確定位，所以不能準(zhǔn)確測量離軸非球面的頂點(diǎn)半徑。然而離軸非球面的頂點(diǎn)半徑在系統(tǒng)裝調(diào)中是非常重要的，非球面頂點(diǎn)半徑的準(zhǔn)確性直接決定了系統(tǒng)裝調(diào)中反射鏡之間的相對(duì)位置精度，不能準(zhǔn)確測量離軸非球面的頂點(diǎn)，就不能對(duì)離軸三反光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確、精細(xì)、高精度的系統(tǒng)裝調(diào)；甚至有可能出現(xiàn)局部無解，無法滿足裝調(diào)要求的情況。球面反射鏡鏡面光軸是任意的，如圖1所示，測量球面上任意一點(diǎn)到球心的距離即為球面反射鏡的頂點(diǎn)半徑。所以球面半徑的檢測相對(duì)比較簡單?？梢圆捎每鐦蚍?，如圖2所示，兩點(diǎn)弦長和三角求解來計(jì)算球面半徑；也可在干涉面形檢測時(shí)，測量標(biāo)準(zhǔn)鏡頭焦點(diǎn)到球面干涉像的距離，如圖3，但干涉面形檢測方法只能適用于半徑較小的球面半徑。對(duì)于離軸非球面鏡來說，面形檢測采用補(bǔ)償器法線檢測方法，在其面形達(dá)到要求后，沿光軸方向上，測量補(bǔ)償器到非球面頂點(diǎn)的距離來確定非球面的頂點(diǎn)半徑，所以離軸非球面的光軸是唯一的，如圖4所示。離軸非球面的頂點(diǎn)半徑測量，就不能如球面半徑一樣采用弦長法來計(jì)算，因?yàn)榉乔蛎嬖诓煌趶教幍南议L跨度大小是不一樣的，求出的半徑大小也不一樣，測量誤差很大，無法滿足實(shí)際應(yīng)用。由于離軸特性，使得離軸非球面與光軸的交點(diǎn)是虛點(diǎn)，不能夠直接測量，測量離軸口徑內(nèi)的點(diǎn)誤差非常大，沒有實(shí)際意義。干涉檢測時(shí)測距非球面頂點(diǎn)半徑也是不可行的，因?yàn)殡x軸非球面的法線與光軸沒有唯一的交點(diǎn)，是隨著口徑大小的不同而變化的；而且，隨著需求的不斷變化，離軸非球面的尺寸、口徑都越來越大，移動(dòng)距離測量的難度也越大，準(zhǔn)確性大大降低。用以上方法來測量離軸非球面鏡的頂點(diǎn)半徑，要么測量誤差太大，要么是接觸測量，對(duì)離軸非球面鏡的表面會(huì)造成劃痕或劃傷，尤其是表面改性或表面鍍膜的反射鏡面，基本上不可實(shí)施。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決離軸非球面鏡頂點(diǎn)半徑不能準(zhǔn)確測量的技術(shù)難題，以及現(xiàn)有測量方法精度不高，或接觸測量對(duì)鏡面劃傷等問題，本發(fā)明提供了一種利用離軸非球面檢測補(bǔ)償器來確定光軸，結(jié)合細(xì)光束反射鏡定律來測量離軸非球面鏡上任意一點(diǎn)的法線夾角，計(jì)算出非球面矢高；并對(duì)非球面上的進(jìn)行多點(diǎn)采樣，根據(jù)非球面公式和三角關(guān)系，利用最小二乘法來擬合求解出離軸非球面鏡的幾何參數(shù)(包括頂點(diǎn)半徑、二次系數(shù)和高次系數(shù))的，離軸光學(xué)非球面鏡頂點(diǎn)半徑的測量方法和裝置。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案具體如下:一種離軸光學(xué)非球面鏡頂點(diǎn)半徑的測量方法，包括以下步驟:步驟1:利用離軸非球面鏡上不同點(diǎn)法線與光軸交點(diǎn)不同的特性并結(jié)合光的反射鏡定律和三角函數(shù)關(guān)系，求出離軸非球面鏡上采用點(diǎn)的法線與光軸夾角、口徑高度；根據(jù)非球面公式并求導(dǎo)，建立非球面幾何參數(shù)與法線的數(shù)學(xué)模型；步驟i1:測量數(shù)據(jù)多點(diǎn)采樣，并覆蓋整個(gè)離軸非球面口徑范圍；根據(jù)數(shù)學(xué)模型，采用最小二乘方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和求解。在上述技術(shù)方案中，所述非球面幾何參數(shù)包括:頂點(diǎn)半徑、二次系數(shù)和高次系數(shù)。在上述技術(shù)方案中，該測量方法具體包括:發(fā)射機(jī)上的激光器發(fā)出的細(xì)光束經(jīng)過離軸非球面鏡上的Pi點(diǎn)反射回到光軸上，水平驅(qū)動(dòng)并轉(zhuǎn)動(dòng)接收機(jī)，使得光束能夠進(jìn)入到接收機(jī)的近遠(yuǎn)心鏡頭中，并在CCD相機(jī)上成像；通過發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、繞光軸旋轉(zhuǎn)軸系的編碼器分別讀出:出射光束與光軸夾角Cii,發(fā)射光束與光軸夾角P1、繞光軸的夾角Yi,并用光柵尺測量出發(fā)射機(jī)和發(fā)射機(jī)的軸向距離Li ；根據(jù)測量得到的a i; β 1、YpLi,根據(jù)三角關(guān)系，計(jì)算得到離軸非球面鏡上Pi點(diǎn)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的夾角Θ i ；求得離軸非球面鏡在Pi處的法線與光軸的夾角Φι

在整個(gè)非球面鏡的口徑內(nèi)，用測量裝置進(jìn)行多次采點(diǎn)采樣，將測量的四個(gè)參數(shù)YpLi分別代入到離軸非球面鏡的曲面方程中；采用最小二乘法進(jìn)行求解，得到離軸非球面鏡的幾何參數(shù)。上述技術(shù)方案中所述的離軸光學(xué)非球面鏡頂點(diǎn)半徑的測量方法的測量裝置，該測量裝置包括:測量主體回轉(zhuǎn)支架、繞光軸旋轉(zhuǎn)軸系、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)；所述測量主體回轉(zhuǎn)支架用來安裝所述繞光軸旋轉(zhuǎn)軸系、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)；所述繞光軸旋轉(zhuǎn)軸系可以繞光軸一定角度的旋轉(zhuǎn)，包括轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、編碼器、精S軸系和支撐結(jié)構(gòu)件；所述發(fā)射機(jī)可以沿軸水平移動(dòng)和垂軸旋轉(zhuǎn)，包括沿軸水平方向移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，光柵尺，垂直光軸的旋轉(zhuǎn)電機(jī)和編碼器，準(zhǔn)直的細(xì)光束激光器；所述接收機(jī)可以沿軸水平移動(dòng)和垂軸旋轉(zhuǎn)，包括沿軸水平方向移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和光柵尺，垂直光軸的旋轉(zhuǎn)電機(jī)和編碼器，接收準(zhǔn)直的細(xì)光束的近遠(yuǎn)心鏡頭和CCD相機(jī)。在上述技術(shù)方案中，該測量裝置垂直于光軸或者平行于光軸設(shè)置。本發(fā)明具有以下的有益效果:首先，本發(fā)明的離軸光學(xué)非球面鏡頂點(diǎn)半徑的測量方法和裝置，能夠解決離軸非球面鏡頂點(diǎn)半徑(包括二次系數(shù)、高次系數(shù))無法測量或無法準(zhǔn)確測量的技術(shù)難題；通常離軸非球面鏡都有很長的頂點(diǎn)半徑(>2000m)，本發(fā)明方法和測量裝置將離軸非球面鏡頂點(diǎn)半徑的大尺寸(>2000m)測量轉(zhuǎn)換為測量裝置內(nèi)小尺寸(<200mm)測量，可以大幅提高測量的精度，降低測量誤差，且轉(zhuǎn)換過程是光學(xué)量級(jí)的精度。其次，本發(fā)明的離軸光學(xué)非球面鏡頂點(diǎn)半徑的測量方法和裝置，是非接觸測量，能夠在離軸非球面的加工階段和最后的鍍膜階段進(jìn)行檢測，也不會(huì)對(duì)離軸非球面鏡的表面產(chǎn)生任何損傷，避免了常規(guī)接觸檢測對(duì)表面有劃痕的問題。第三，本發(fā)明的離軸光學(xué)非球面鏡頂點(diǎn)半徑的測量方法采用幾何解析求解，計(jì)算過程用計(jì)算機(jī)來完成，計(jì)算方便、快捷、準(zhǔn)確。


下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1球面反射鏡鏡面光軸特性。圖2跨橋測球面半徑法。圖3干涉檢測半徑法。圖4離軸非球面鏡的光軸特性。圖5本發(fā)明離軸非球面頂點(diǎn)半徑測量系統(tǒng)圖(沿軸式)。圖6本發(fā)明離軸非球面頂點(diǎn)半徑計(jì)算示意圖(沿軸式)。圖7本發(fā)明的另一種結(jié)構(gòu)形式(垂軸式)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的發(fā)明思想為:本發(fā)明利用離軸非球面檢測補(bǔ)償器來確定離軸非球面鏡的光軸，根據(jù)離軸非球面鏡上不同點(diǎn)法線與光軸交點(diǎn)不同的特性，在非球面檢測補(bǔ)償器確定的光軸定軸工裝上，安置細(xì)光束發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，結(jié)合光的反射定律，用編碼器測量發(fā)射機(jī)、接收機(jī)與光軸的夾角，并測量發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的軸向距離，計(jì)算出光束與非球面交點(diǎn)的法線和光軸夾角，結(jié)合細(xì)光束反射鏡定律來測量離軸非球面鏡上任意一點(diǎn)的法線夾角，求出該點(diǎn)在非球面上的口徑高度和矢高，然后將非球面求導(dǎo)和三角關(guān)系，即可得出該點(diǎn)法線與非球面幾何參數(shù)的函數(shù)，通過多點(diǎn)測量和統(tǒng)計(jì)，用最小二乘法求出非球面的幾何參數(shù)。并對(duì)非球面上的進(jìn)行多點(diǎn)采樣，根據(jù)非球面公式和幾何關(guān)系，利用最小二乘法來擬合求解出離軸非球面鏡的幾何參數(shù)(頂點(diǎn)半徑、二次系數(shù)和高次系數(shù))。本發(fā)明的技術(shù)方案如圖5、圖6所不。圖5為測量系統(tǒng)圖，圖6為計(jì)算參數(shù)關(guān)系圖。如圖5所示，本發(fā)明測量系統(tǒng)由非球面補(bǔ)償器1、光軸定軸工裝2、測量主體回轉(zhuǎn)支架3、繞光軸旋轉(zhuǎn)軸系4、發(fā)射機(jī)5、接收機(jī)6、被檢離軸非球面鏡7、調(diào)整工裝8、計(jì)算機(jī)及軟件系統(tǒng)9、干涉儀10等組成。本發(fā)明的離軸光學(xué)非球面鏡頂點(diǎn)半徑的測量裝置主要由測量主體回轉(zhuǎn)支架3、繞光軸旋轉(zhuǎn)軸系4、發(fā)射機(jī)5、接收機(jī)6組件構(gòu)成。其中，繞光軸旋轉(zhuǎn)軸系4可以繞光軸一定角度的旋轉(zhuǎn),具體包括轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、編碼器、精密軸系和支撐結(jié)構(gòu)件；發(fā)射機(jī)5組件可以沿軸水平移動(dòng)和垂軸旋轉(zhuǎn)，包括沿軸水平方向移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和光柵尺，還包括垂直光軸的旋轉(zhuǎn)電機(jī)和編碼器，并且在安裝有準(zhǔn)直的細(xì)光束激光器；接收機(jī)6組件與發(fā)射機(jī)5組件一樣，也可以沿軸水平移動(dòng)和垂軸旋轉(zhuǎn)，包括沿軸水平方向移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和光柵尺，還包括垂直光軸的旋轉(zhuǎn)電機(jī)和編碼器，接收準(zhǔn)直的細(xì)光束的近遠(yuǎn)心鏡頭和CXD相機(jī)。本發(fā)明首先將被測離軸非球面鏡7通過無應(yīng)力連接的方法安裝在調(diào)整工裝8上，并安置在精密平臺(tái)上，光軸定軸工裝2通過連接支架也安置在平臺(tái)上，通常光軸定軸工裝采用由高精度的V型結(jié)構(gòu)，并準(zhǔn)確測量出V型結(jié)構(gòu)的夾角。將非球面補(bǔ)償器I放在光軸定軸工裝中，同時(shí)準(zhǔn)確測量出非球面補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)的外徑尺寸D1。然后用干涉儀10、非球面補(bǔ)償器I和被測離軸非球面鏡7組成一個(gè)檢測系統(tǒng)，通過調(diào)整架8的調(diào)整，使得非球面的面形達(dá)到最佳(〈λ /50)，固定調(diào)整工裝和離軸非球面鏡7。此時(shí)，就確定了離軸非球面鏡7的光軸，并已經(jīng)準(zhǔn)確的傳遞到光軸定軸工裝4結(jié)構(gòu)上。光軸定軸工裝4的作用就是將非球面補(bǔ)償器I和離軸非球面7所確定的光軸表現(xiàn)為可測、可復(fù)現(xiàn)。由測量主體回轉(zhuǎn)支架3、繞光軸旋轉(zhuǎn)軸系4、發(fā)射機(jī)5、接收機(jī)6構(gòu)成的測量裝置的外徑尺寸D2，也就測量主體回轉(zhuǎn)支架3的外徑尺寸D2必須嚴(yán)格與非球面補(bǔ)償器I的外徑尺寸相同。所以，測量裝置的中心就與非球面的光軸完全重合。然后移去非球面補(bǔ)償器1，在光軸定軸工裝2上放入由測量主體回轉(zhuǎn)支架3、繞光軸旋轉(zhuǎn)軸系4、發(fā)射機(jī)5、接收機(jī)6構(gòu)成的檢測裝置。所以通過光軸定軸工裝2，使得檢測裝置的回轉(zhuǎn)軸與離軸非球面鏡7的光軸就完全重合。就建立了離軸非球面鏡7頂點(diǎn)半徑測量的基準(zhǔn)，也就建立了整個(gè)測量系統(tǒng)。具體測量方法如圖6所示。發(fā)射機(jī)5上的激光器發(fā)出的細(xì)光束經(jīng)過離軸非球面鏡7上的Pi點(diǎn)反射回到光軸上，水平驅(qū)動(dòng)并轉(zhuǎn)動(dòng)接收機(jī)6，使得光束能夠進(jìn)入到接收機(jī)6的近遠(yuǎn)心鏡頭中，并在CXD相機(jī)上成像。通過發(fā)射機(jī)5、接收機(jī)6、繞光軸旋轉(zhuǎn)軸系4的編碼器分別讀出出射光束與光軸夾角Oi,發(fā)射光束與光軸夾角P1、繞光軸的夾角Yi,并用光柵尺測量出發(fā)射機(jī)5和發(fā)射機(jī)6的軸向距尚Li。根據(jù)以上測量的四個(gè)參數(shù)(a1、βρ YpLi),根據(jù)三角關(guān)系，離軸非球面鏡7上Pi點(diǎn)、發(fā)射機(jī)5和接收機(jī)6的夾角QiS:Θ 尸 β 廠 a i (式 I)在離軸非球面鏡7 IPi位置，根據(jù)光的反射定律，入射角等于反射角，離軸非球面鏡7在Pi處的法線與來自發(fā)射機(jī)5的入射光線的夾角，即為Qi角度的一半。如圖6所示，再根據(jù)三角關(guān)系，離軸非球面鏡7在Pi處的法線與光軸的夾角Φ3:Φ =α j+ Θ j/2=(^ i+α j)/2 (式 2)離軸非球面鏡7的曲面方程為:Z=CKhi, R, K, a 1，a 2，a 3，a 4...) (式 3)在(式3)中，R為頂點(diǎn)半徑,K為二次系數(shù)，a 1、a 2、a 3、a 4…為高次系數(shù)。Iii為非球面Pi位置所對(duì)應(yīng)的口徑大小，hi有兩個(gè)方向分量，Xi和yi;即:(
權(quán)利要求
1.一種離軸光學(xué)非球面鏡頂點(diǎn)半徑的測量方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:利用離軸非球面鏡上不同點(diǎn)法線與光軸交點(diǎn)不同的特性并結(jié)合光的反射鏡定律和三角函數(shù)關(guān)系，求出離軸非球面鏡上采用點(diǎn)的法線與光軸夾角、口徑高度；根據(jù)非球面公式并求導(dǎo)，建立非球面幾何參數(shù)與法線的數(shù)學(xué)模型； 步驟i1:測量數(shù)據(jù)多點(diǎn)采樣，并覆蓋整個(gè)離軸非球面口徑范圍；根據(jù)數(shù)學(xué)模型，采用最小二乘方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和求解。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量方法，其特征在于，所述非球面幾何參數(shù)包括:頂點(diǎn)半徑、二次系數(shù)和高次系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測量方法，其特征在于，該測量方法具體包括: 發(fā)射機(jī)上的激光器發(fā)出的細(xì)光束經(jīng)過離軸非球面鏡上的Pi點(diǎn)反射回到光軸上，水平驅(qū)動(dòng)并轉(zhuǎn)動(dòng)接收機(jī)，使得光束能夠進(jìn)入到接收機(jī)的近遠(yuǎn)心鏡頭中，并在CCD相機(jī)上成像； 通過發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、繞光軸旋轉(zhuǎn)軸系的編碼器分別讀出:出射光束與光軸夾角α”發(fā)射光束與光軸夾角P1、繞光軸的夾角Yi,并用光柵尺測量出發(fā)射機(jī)和發(fā)射機(jī)的軸向距離Li ; 根據(jù)測量得到的a i，β 1、YpLi,根據(jù)三角關(guān)系，計(jì)算得到離軸非球面鏡上Pi點(diǎn)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的夾角Θ i ； 求得離軸非球面鏡在Pi處的法線與光軸的夾角 在整個(gè)非球面鏡的口徑內(nèi)，用測量裝置進(jìn)行多次采點(diǎn)采樣，將測量的四個(gè)參數(shù)a 1、β 1、Y 1、Li分別代入到離軸非球面鏡的曲面方程中； 采用最小二乘法進(jìn)行求解，得到離軸非球面鏡的幾何參數(shù)。
4.權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)的離軸光學(xué)非球面鏡頂點(diǎn)半徑的測量方法的測量裝置，其特征在于，該測量裝置包括:測量主體回轉(zhuǎn)支架、繞光軸旋轉(zhuǎn)軸系、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)； 所述測量主體回轉(zhuǎn)支架用來安裝所述繞光軸旋轉(zhuǎn)軸系、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)； 所述繞光軸旋轉(zhuǎn)軸系可以繞光軸一定角度的旋轉(zhuǎn)，包括轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、編碼器、精密軸系和支撐結(jié)構(gòu)件； 所述發(fā)射機(jī)可以沿軸水平移動(dòng)和垂軸旋轉(zhuǎn)，包括沿軸水平方向移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，光柵尺，垂直光軸的旋轉(zhuǎn)電機(jī)和編碼器，準(zhǔn)直的細(xì)光束激光器； 所述接收機(jī)可以沿軸水平移動(dòng)和垂軸旋轉(zhuǎn)，包括沿軸水平方向移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和光柵尺，垂直光軸的旋轉(zhuǎn)電機(jī)和編碼器，接收準(zhǔn)直的細(xì)光束的近遠(yuǎn)心鏡頭和CCD相機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的測量裝置，其特征在于，該測量裝置垂直于光軸或者平行于光軸設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種離軸光學(xué)非球面鏡頂點(diǎn)半徑的非接觸測量方法和裝置，該測量方法包括以下步驟利用離軸非球面鏡上不同點(diǎn)法線與光軸交點(diǎn)不同的特性并結(jié)合光的反射鏡定律和三角函數(shù)關(guān)系，求出離軸非球面鏡上采用點(diǎn)的法線與光軸夾角、口徑高度；根據(jù)非球面公式并求導(dǎo)，建立非球面幾何參數(shù)與法線的數(shù)學(xué)模型；測量數(shù)據(jù)多點(diǎn)采樣，并覆蓋整個(gè)離軸非球面口徑范圍；根據(jù)數(shù)學(xué)模型，采用最小二乘方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和求解。本發(fā)明的離軸光學(xué)非球面鏡頂點(diǎn)半徑的測量方法和裝置，能夠解決離軸非球面鏡頂點(diǎn)半徑，包括二次系數(shù)、高次系數(shù)，無法測量或無法準(zhǔn)確測量的技術(shù)難題。
文檔編號(hào)G01B11/08GK103175481SQ20131006681
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2013年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月4日
發(fā)明者張星祥, 任建岳 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所