一種離軸光學非球面鏡頂點半徑的測量方法和裝置的製作方法

2023-05-18 00:25:41 1

專利名稱：一種離軸光學非球面鏡頂點半徑的測量方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於光學檢測技術領域，特別涉及一種離軸光學非球面鏡頂點半徑的測量方法和裝置。
背景技術：
隨著光學技術的發展，對高解析度和大視場成像要求的不斷提高，都需要較長的焦距、反射式光學系統。為了滿足成像質量和視場的需求，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展，其中最典型的就是離軸三反系統(TMA系統)，系統中三個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難題在於非球面的加工與檢測，離軸非球面的面形可以用補償器進行檢測；由於離軸特性，離軸非球面的頂點位置實際存在但又不能準確定位，所以不能準確測量離軸非球面的頂點半徑。然而離軸非球面的頂點半徑在系統裝調中是非常重要的，非球面頂點半徑的準確性直接決定了系統裝調中反射鏡之間的相對位置精度，不能準確測量離軸非球面的頂點，就不能對離軸三反光學系統進行準確、精細、高精度的系統裝調；甚至有可能出現局部無解，無法滿足裝調要求的情況。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到球心的距離即為球面反射鏡的頂點半徑。所以球面半徑的檢測相對比較簡單。可以採用跨橋法，如圖2所示，兩點弦長和三角求解來計算球面半徑；也可在幹涉面形檢測時，測量標準鏡頭焦點到球面幹涉像的距離，如圖3，但幹涉面形檢測方法只能適用於半徑較小的球面半徑。對於離軸非球面鏡來說，面形檢測採用補償器法線檢測方法，在其面形達到要求後，沿光軸方向上，測量補償器到非球面頂點的距離來確定非球面的頂點半徑，所以離軸非球面的光軸是唯一的，如圖4所示。離軸非球面的頂點半徑測量，就不能如球面半徑一樣採用弦長法來計算，因為非球面在不同口徑處的弦長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，無法滿足實際應用。由於離軸特性，使得離軸非球面與光軸的交點是虛點，不能夠直接測量，測量離軸口徑內的點誤差非常大，沒有實際意義。幹涉檢測時測距非球面頂點半徑也是不可行的，因為離軸非球面的法線與光軸沒有唯一的交點，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，移動距離測量的難度也越大，準確性大大降低。用以上方法來測量離軸非球面鏡的頂點半徑，要麼測量誤差太大，要麼是接觸測量，對離軸非球面鏡的表面會造成劃痕或劃傷，尤其是表面改性或表面鍍膜的反射鏡面，基本上不可實施。

發明內容
為了解決離軸非球面鏡頂點半徑不能準確測量的技術難題，以及現有測量方法精度不高，或接觸測量對鏡面劃傷等問題，本發明提供了一種利用離軸非球面檢測補償器來確定光軸，結合細光束反射鏡定律來測量離軸非球面鏡上任意一點的法線夾角，計算出非球面矢高；並對非球面上的進行多點採樣，根據非球面公式和三角關係，利用最小二乘法來擬合求解出離軸非球面鏡的幾何參數(包括頂點半徑、二次係數和高次係數)的，離軸光學非球面鏡頂點半徑的測量方法和裝置。為了解決上述技術問題，本發明的技術方案具體如下:一種離軸光學非球面鏡頂點半徑的測量方法，包括以下步驟:步驟1:利用離軸非球面鏡上不同點法線與光軸交點不同的特性並結合光的反射鏡定律和三角函數關係，求出離軸非球面鏡上採用點的法線與光軸夾角、口徑高度；根據非球面公式並求導，建立非球面幾何參數與法線的數學模型；步驟i1:測量數據多點採樣，並覆蓋整個離軸非球面口徑範圍；根據數學模型，採用最小二乘方法進行數據處理和求解。在上述技術方案中，所述非球面幾何參數包括:頂點半徑、二次係數和高次係數。在上述技術方案中，該測量方法具體包括:發射機上的雷射器發出的細光束經過離軸非球面鏡上的Pi點反射回到光軸上，水平驅動並轉動接收機，使得光束能夠進入到接收機的近遠心鏡頭中，並在CCD相機上成像；通過發射機、接收機、繞光軸旋轉軸系的編碼器分別讀出:出射光束與光軸夾角Cii,發射光束與光軸夾角P1、繞光軸的夾角Yi,並用光柵尺測量出發射機和發射機的軸向距離Li ；根據測量得到的a i; β 1、YpLi,根據三角關係，計算得到離軸非球面鏡上Pi點發射機和接收機的夾角Θ i ；求得離軸非球面鏡在Pi處的法線與光軸的夾角Φι

在整個非球面鏡的口徑內，用測量裝置進行多次採點採樣，將測量的四個參數YpLi分別代入到離軸非球面鏡的曲面方程中；採用最小二乘法進行求解，得到離軸非球面鏡的幾何參數。上述技術方案中所述的離軸光學非球面鏡頂點半徑的測量方法的測量裝置，該測量裝置包括:測量主體迴轉支架、繞光軸旋轉軸系、發射機、接收機；所述測量主體迴轉支架用來安裝所述繞光軸旋轉軸系、發射機和接收機；所述繞光軸旋轉軸系可以繞光軸一定角度的旋轉，包括轉動驅動電機、編碼器、精S軸系和支撐結構件；所述發射機可以沿軸水平移動和垂軸旋轉，包括沿軸水平方向移動的驅動電機，光柵尺，垂直光軸的旋轉電機和編碼器，準直的細光束雷射器；所述接收機可以沿軸水平移動和垂軸旋轉，包括沿軸水平方向移動的驅動電機和光柵尺，垂直光軸的旋轉電機和編碼器，接收準直的細光束的近遠心鏡頭和CCD相機。在上述技術方案中，該測量裝置垂直於光軸或者平行於光軸設置。本發明具有以下的有益效果:首先，本發明的離軸光學非球面鏡頂點半徑的測量方法和裝置，能夠解決離軸非球面鏡頂點半徑(包括二次係數、高次係數)無法測量或無法準確測量的技術難題；通常離軸非球面鏡都有很長的頂點半徑(>2000m)，本發明方法和測量裝置將離軸非球面鏡頂點半徑的大尺寸(>2000m)測量轉換為測量裝置內小尺寸(<200mm)測量，可以大幅提高測量的精度，降低測量誤差，且轉換過程是光學量級的精度。其次，本發明的離軸光學非球面鏡頂點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後的鍍膜階段進行檢測，也不會對離軸非球面鏡的表面產生任何損傷，避免了常規接觸檢測對表面有劃痕的問題。第三，本發明的離軸光學非球面鏡頂點半徑的測量方法採用幾何解析求解，計算過程用計算機來完成，計算方便、快捷、準確。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細說明。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幹涉檢測半徑法。圖4離軸非球面鏡的光軸特性。圖5本發明離軸非球面頂點半徑測量系統圖(沿軸式)。圖6本發明離軸非球面頂點半徑計算示意圖(沿軸式)。圖7本發明的另一種結構形式(垂軸式)。
具體實施例方式本發明的發明思想為:本發明利用離軸非球面檢測補償器來確定離軸非球面鏡的光軸，根據離軸非球面鏡上不同點法線與光軸交點不同的特性，在非球面檢測補償器確定的光軸定軸工裝上，安置細光束髮射機和接收機，結合光的反射定律，用編碼器測量發射機、接收機與光軸的夾角，並測量發射機和接收機的軸向距離，計算出光束與非球面交點的法線和光軸夾角，結合細光束反射鏡定律來測量離軸非球面鏡上任意一點的法線夾角，求出該點在非球面上的口徑高度和矢高，然後將非球面求導和三角關係，即可得出該點法線與非球面幾何參數的函數，通過多點測量和統計，用最小二乘法求出非球面的幾何參數。並對非球面上的進行多點採樣，根據非球面公式和幾何關係，利用最小二乘法來擬合求解出離軸非球面鏡的幾何參數(頂點半徑、二次係數和高次係數)。本發明的技術方案如圖5、圖6所不。圖5為測量系統圖，圖6為計算參數關係圖。如圖5所示，本發明測量系統由非球面補償器1、光軸定軸工裝2、測量主體迴轉支架3、繞光軸旋轉軸系4、發射機5、接收機6、被檢離軸非球面鏡7、調整工裝8、計算機及軟體系統9、幹涉儀10等組成。本發明的離軸光學非球面鏡頂點半徑的測量裝置主要由測量主體迴轉支架3、繞光軸旋轉軸系4、發射機5、接收機6組件構成。其中，繞光軸旋轉軸系4可以繞光軸一定角度的旋轉,具體包括轉動驅動電機、編碼器、精密軸系和支撐結構件；發射機5組件可以沿軸水平移動和垂軸旋轉，包括沿軸水平方向移動的驅動電機和光柵尺，還包括垂直光軸的旋轉電機和編碼器，並且在安裝有準直的細光束雷射器；接收機6組件與發射機5組件一樣，也可以沿軸水平移動和垂軸旋轉，包括沿軸水平方向移動的驅動電機和光柵尺，還包括垂直光軸的旋轉電機和編碼器，接收準直的細光束的近遠心鏡頭和CXD相機。本發明首先將被測離軸非球面鏡7通過無應力連接的方法安裝在調整工裝8上，並安置在精密平臺上，光軸定軸工裝2通過連接支架也安置在平臺上，通常光軸定軸工裝採用由高精度的V型結構，並準確測量出V型結構的夾角。將非球面補償器I放在光軸定軸工裝中，同時準確測量出非球面補償器結構的外徑尺寸D1。然後用幹涉儀10、非球面補償器I和被測離軸非球面鏡7組成一個檢測系統，通過調整架8的調整，使得非球面的面形達到最佳(〈λ /50)，固定調整工裝和離軸非球面鏡7。此時，就確定了離軸非球面鏡7的光軸，並已經準確的傳遞到光軸定軸工裝4結構上。光軸定軸工裝4的作用就是將非球面補償器I和離軸非球面7所確定的光軸表現為可測、可復現。由測量主體迴轉支架3、繞光軸旋轉軸系4、發射機5、接收機6構成的測量裝置的外徑尺寸D2，也就測量主體迴轉支架3的外徑尺寸D2必須嚴格與非球面補償器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。然後移去非球面補償器1，在光軸定軸工裝2上放入由測量主體迴轉支架3、繞光軸旋轉軸系4、發射機5、接收機6構成的檢測裝置。所以通過光軸定軸工裝2，使得檢測裝置的迴轉軸與離軸非球面鏡7的光軸就完全重合。就建立了離軸非球面鏡7頂點半徑測量的基準，也就建立了整個測量系統。具體測量方法如圖6所示。發射機5上的雷射器發出的細光束經過離軸非球面鏡7上的Pi點反射回到光軸上，水平驅動並轉動接收機6，使得光束能夠進入到接收機6的近遠心鏡頭中，並在CXD相機上成像。通過發射機5、接收機6、繞光軸旋轉軸系4的編碼器分別讀出出射光束與光軸夾角Oi,發射光束與光軸夾角P1、繞光軸的夾角Yi,並用光柵尺測量出發射機5和發射機6的軸向距尚Li。根據以上測量的四個參數(a1、βρ YpLi),根據三角關係，離軸非球面鏡7上Pi點、發射機5和接收機6的夾角QiS:Θ 屍 β 廠 a i (式 I)在離軸非球面鏡7 IPi位置，根據光的反射定律，入射角等於反射角，離軸非球面鏡7在Pi處的法線與來自發射機5的入射光線的夾角，即為Qi角度的一半。如圖6所示，再根據三角關係，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為頂點半徑,K為二次係數，a 1、a 2、a 3、a 4…為高次係數。Iii為非球面Pi位置所對應的口徑大小，hi有兩個方向分量，Xi和yi;即:(
權利要求
1.一種離軸光學非球面鏡頂點半徑的測量方法，其特徵在於，包括以下步驟: 步驟1:利用離軸非球面鏡上不同點法線與光軸交點不同的特性並結合光的反射鏡定律和三角函數關係，求出離軸非球面鏡上採用點的法線與光軸夾角、口徑高度；根據非球面公式並求導，建立非球面幾何參數與法線的數學模型； 步驟i1:測量數據多點採樣，並覆蓋整個離軸非球面口徑範圍；根據數學模型，採用最小二乘方法進行數據處理和求解。
2.根據權利要求1所述的測量方法，其特徵在於，所述非球面幾何參數包括:頂點半徑、二次係數和高次係數。
3.根據權利要求1或2所述的測量方法，其特徵在於，該測量方法具體包括: 發射機上的雷射器發出的細光束經過離軸非球面鏡上的Pi點反射回到光軸上，水平驅動並轉動接收機，使得光束能夠進入到接收機的近遠心鏡頭中，並在CCD相機上成像； 通過發射機、接收機、繞光軸旋轉軸系的編碼器分別讀出:出射光束與光軸夾角α」發射光束與光軸夾角P1、繞光軸的夾角Yi,並用光柵尺測量出發射機和發射機的軸向距離Li ; 根據測量得到的a i，β 1、YpLi,根據三角關係，計算得到離軸非球面鏡上Pi點發射機和接收機的夾角Θ i ； 求得離軸非球面鏡在Pi處的法線與光軸的夾角 在整個非球面鏡的口徑內，用測量裝置進行多次採點採樣，將測量的四個參數a 1、β 1、Y 1、Li分別代入到離軸非球面鏡的曲面方程中； 採用最小二乘法進行求解，得到離軸非球面鏡的幾何參數。
4.權利要求1-3任意一項的離軸光學非球面鏡頂點半徑的測量方法的測量裝置，其特徵在於，該測量裝置包括:測量主體迴轉支架、繞光軸旋轉軸系、發射機、接收機； 所述測量主體迴轉支架用來安裝所述繞光軸旋轉軸系、發射機和接收機； 所述繞光軸旋轉軸系可以繞光軸一定角度的旋轉，包括轉動驅動電機、編碼器、精密軸系和支撐結構件； 所述發射機可以沿軸水平移動和垂軸旋轉，包括沿軸水平方向移動的驅動電機，光柵尺，垂直光軸的旋轉電機和編碼器，準直的細光束雷射器； 所述接收機可以沿軸水平移動和垂軸旋轉，包括沿軸水平方向移動的驅動電機和光柵尺，垂直光軸的旋轉電機和編碼器，接收準直的細光束的近遠心鏡頭和CCD相機。
5.根據權利要求4所述的測量裝置，其特徵在於，該測量裝置垂直於光軸或者平行於光軸設置。
全文摘要
本發明涉及一種離軸光學非球面鏡頂點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法線與光軸交點不同的特性並結合光的反射鏡定律和三角函數關係，求出離軸非球面鏡上採用點的法線與光軸夾角、口徑高度；根據非球面公式並求導，建立非球面幾何參數與法線的數學模型；測量數據多點採樣，並覆蓋整個離軸非球面口徑範圍；根據數學模型，採用最小二乘方法進行數據處理和求解。本發明的離軸光學非球面鏡頂點半徑的測量方法和裝置，能夠解決離軸非球面鏡頂點半徑，包括二次係數、高次係數，無法測量或無法準確測量的技術難題。
文檔編號G01B11/08GK103175481SQ20131006681
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月4日 優先權日2013年3月4日
發明者張星祥, 任建嶽 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所