非球面元件中心与外圆中心偏离量的测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于超高精度非球面面形检测加工技术领域，具体涉及一种非球面 元件中心与外圆中心偏离量的测量装置及测量方法。

背景技术

目前，非球面光学元件在光学系统中得到了广泛应用，非球面光学元件的 制造对现代光学加工和检测技术提出了挑战。这是因为光学制造的精度和效率 在很大程度上依赖于检测技术，所以高精度检测对于非球面光学元件尤其是大 型非球面光学元件的制造有着非常重要的意义。

非球面光学元件的检测除了检测非球面的面形误差外，还需要检测非球面 的中心厚度、顶点球曲率半径以及非球面光学元件中心与非球面光学元件外圆 中心偏离量等参数。对于非球面的面形误差、中心厚度、顶点球曲率半径等参 数的测量均已经发展出了一系列测量方法。而对于非球面光学元件中心与非球 面光学元件外圆中心偏离量的测量，目前没有较好的测量方法，尤其是对具有 中心孔的非球面。因此，迫切需要研制出一种非球面元件中心与外圆中心偏离 量的测量装置及测量方法。

发明内容

为了弥补非球面元件中心与外圆中心偏离量的测量装置及测量方法的空 白，本发明提供一种非球面元件中心与外圆中心偏离量的测量装置及测量方法。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的非球面元件中心与外圆中心偏离量的测量装置，包括：干涉仪、 安装在干涉仪下端的补偿器、第二调整机构、安装在第二调整机构上的转台、 安装在转台上的第一调整机构、安装在第一调整机构上的检测支撑平台、安装 在检测支撑平台上的被测非球面；通过第一调整机构调整被测非球面的倾斜、 偏心以及离焦，使得被测非球面的光轴与干涉仪的光轴相一致，通过转台使被 测非球面位于不同角度的检测位置，通过第二调整机构调整转台的倾斜和偏心 使转台的转轴与干涉仪的光轴相一致。

进一步的，所述干涉仪发出的光经补偿器后形成理想的球面波入射到被测 非球面的表面，被测非球面将该理想的球面波反射回干涉仪中，并在干涉仪的 CCD上形成干涉条纹。

进一步的，所述第一调整机构为电动或手动的五自由度调整机构。

进一步的，所述第二调整机构为电动的五自由度调整机构。

进一步的，所述被测非球面为旋转对称非球面，其表达式为：

$z(x,y)=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_4{r}^4+a_6{r}^6+...+a_n{r}^n---\left(1\right)$

式(1)中：r²＝x²+y²，c＝1/R₀，x为被测非球面口径在x方向的分量， y为被测非球面口径在x方向的分量，R₀为被测非球面的顶点曲率半径，a₄～a_n为非球面高阶系数，k为二次曲面常数。

进一步的，所述被测非球面为凸非球面或凹非球面。

本发明还提供了一种非球面元件中心与外圆中心偏离量的测量方法，包括 以下步骤：

步骤一、在被测非球面表面以被测非球面外圆为中心做4个标记点A、B、 C、D；

步骤二、将被测非球面安装在检测支撑平台上，通过调节第一调整机构调 整被测非球面的空间位置，通过调节第二调整机构调整转台的空间位置，使得 干涉仪的光轴、被测非球面的光轴以及转台的转轴相一致；

步骤三、当转台处于0度位置时检测被测非球面，记录此时4个标记点A、 B、C、D在干涉仪的CCD上的像素位置坐标(X_A，Y_A)、(X_B，Y_B)、(X_C， Y_C)、(X_D，Y_D)，得到被测非球面中心在干涉仪的CCD上的像素位置坐标(X1， Y1)，X1＝(X_A+X_B+X_C+X_D)/4，X2＝(Y_A+Y_B+Y_C+Y_D)/4；

步骤四、旋转转台，分别在0度、90度、180度、270度4个角度位置处检 测被测非球面，记录4个角度位置处任一标记点在干涉仪的CCD上的像素位置 坐标(X_A1，Y_A1)、X_A2，Y_A2)、(X_A3，Y_A3)、(X_A4，Y_A4)，得到被测非球面外 圆中心在干涉仪的CCD上的像素位置坐标(X2，Y2)，X2＝(X_A1+X_A2+X_A3+X_A4) /4，Y2＝(Y_A1+Y_A2+Y_A3+Y_A4)/4；

步骤五、被测非球面中心与被测非球面外圆中心偏离的像素数即为(X1-X2， Y1-Y2)，被测非球面中心与被测非球面外圆中心的偏离量即为(X1-X2，Y1-Y2) 乘以像素分辨率。

进一步的，步骤一中，利用三座标机在被测非球面表面以被测非球面外圆 为中心做4个标记点A、B、C、D。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种非球面元件中心与外圆中心偏离 量的测量装置及测量方法。本发明的发明原理如下：利用三座标机在非球面元 件表面以非球面元件外圆为中心做四个标记点；将非球面元件安装在非球面面 形测量装置上，调节非球面元件的空间位置，使得非球面面形测量装置的光轴， 非球面光轴以及转台的转轴相一致；当非球面面形测量装置中的转台处于0度 位置时检测非球面，记录4个标记点此时在干涉仪CCD上的像素位置坐标，即 可得非球面元件外圆中心在干涉仪CCD上的像素位置坐标(X1，Y1)；旋转非 球面面形测量装置中的转台在0度、90度、180度以及270度等4个角度位置 处检测非球面，记录4个角度位置下任一标记点在干涉仪CCD上的像素位置坐 标，利用这4个像素位置坐标即可得到非球面中心在干涉仪CCD上的像素位置 坐标(X2，Y2)；非球面中心与非球面元件外圆中心偏离的像素数即为(X1-X2， Y1-Y2)，非球面中心与非球面元件外圆中心偏离即为(X1-X2，Y1-Y2)乘以 像素分辨率。

本发明的非球面元件中心与外圆中心偏离量的测量方法，在检测非球面面 形的同时即可确定非球面光学元件中心与非球面光学元件外圆中心偏离量，具 有快速、简单、精度高等优点。

本发明的非球面元件中心与外圆中心偏离量的测量装置，结构简单、成本 低、测量精度高。

本发明的非球面元件中心与外圆中心偏离量的测量装置及测量方法，用于 精确测量非球面光学元件中心与非球面光学元件外圆中心偏离量，指导非球面 的加工以及最终的装调。

附图说明

图1为本发明的非球面元件中心与外圆中心偏离量的测量装置结构示意图。

图2为被测非球面表面标记点位置示意图。

图中：1、干涉仪，2、补偿器，3、被测非球面，4、检测支撑平台，5、第 一调整机构，6、转台，7、第二调整机构。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种非球面元件中心与外圆中心偏离量的测量装置， 主要包括干涉仪1、补偿器2、被测非球面3、检测支撑平台4、第一调整机构5、 转台6以及第二调整机构7。补偿器2安装在干涉仪1的下端。被测非球面3安 装在检测支撑平台4上，检测支撑平台4连同被测非球面3安装在第一调整机 构5上。第一调整机构5为电动或手动的五自由度调整机构，第一调整机构5 用于调整被测非球面3的倾斜、偏心以及离焦，使得被测非球面3的光轴与干 涉仪1的光轴相一致。转台6安装在第二调整机构7上，第二调整机构7为电 动的五自由度调整机构，转台6用于旋转被测非球面3使之位于不同角度的检 测位置，第二调整机构7用于调整转台6的倾斜、偏心使得转台6的转轴与干 涉仪1的光轴相一致。

干涉仪1发出的光经过补偿器2后形成理想的球面波入射到被测非球面3 的表面，被测非球面3将该理想的球面波反射回干涉仪1中，并在干涉仪1的 CCD上形成干涉条纹。

被测非球面3为旋转对称非球面，其表达式可写为

$z(x,y)=\frac{{\mathrm{cr}}^2}{1+\sqrt{1-(1+k)c^2{r}^2}}+a_4{r}^4+a_6{r}^6+...+a_n{r}^n---\left(1\right)$

式(1)中：r²＝x²+y²，c＝1/R₀，x为被测非球面3口径在x方向的分量， y为被测非球面3口径在x方向的分量，R₀为被测非球面3的顶点曲率半径，a₄～ a_n为非球面高阶系数，k为二次曲面常数，k值不同时表示不同类型的被测非球 面3。

本发明的非球面元件中心与外圆中心偏离量的测量方法，具体步骤如下：

步骤一、利用三座标机在被测非球面3表面以被测非球面3外圆为中心做4 个标记点A、B、C、D，如图2所示，4个标记点分别为A、B、C、D，这4 个标记点位于XOY平面内，点C位于0°、点D位于90°、点A位于180°、 点D位于270°。

步骤二、将被测非球面3安装在非球面面形测量装置上，即将被测非球面3 安装在检测支撑平台4上，通过调整第一调整机构5调节被测非球面3的空间 位置，通过调整第二调整机构7调节转台6的空间位置，使得干涉仪1光轴、 被测非球面3光轴以及转台6的转轴相一致。

步骤三、当转台6处于0度位置时检测被测非球面3，记录4个标记点A、 B、C、D此时在干涉仪1的CCD上的像素位置坐标(X_A，Y_A)、(X_B，Y_B)、(X_C， Y_C)、(X_D，Y_D)，即可得到被测非球面3中心在干涉仪1的CCD上的像素位置 坐标(X1，Y1)，其中X1＝(X_A+X_B+X_C+X_D)/4，X2＝(Y_A+Y_B+Y_C+Y_D)/4。

步骤四、旋转转台6，在0度、90度、180度以及270度4个角度位置处检 测被测非球面3，记录4个角度位置处任一标记点(例如标记点A)在干涉仪1 的CCD上的像素位置坐标(X_A1，Y_A1)、X_A2，Y_A2)、(X_A3，Y_A3)、(X_A4，Y_A4)， 利用这4个像素位置坐标即可得到被测非球面3外圆中心在干涉仪1的CCD上 的像素位置坐标(X2，Y2)，其中X2＝(X_A1+X_A2+X_A3+X_A4)/4，Y2＝ (Y_A1+Y_A2+Y_A3+Y_A4)/4。

步骤五、被测非球面3中心与被测非球面3外圆中心偏离的像素数即为 (X1-X2，Y1-Y2)，被测非球面3中心与被测非球面3外圆中心的偏离量即为 (X1-X2，Y1-Y2)乘以像素分辨率。

本发明中，被测非球面3为凸非球面或凹非球面，可以具有中心孔或者不 具有中心孔。

具体实施方式一

本实施方式中，所检测的被测非球面3为旋转对称凸非球面，顶点曲率半 径为310mm，口径为100mm。

采用本发明的非球面元件中心与外圆中心偏离量的测量方法对上述被测非 球面3进行测量，具体步骤如下：

步骤一、利用三座标机在被测非球面3表面以被测非球面3外圆为中心做4 个标记点A、B、C、D，如图2所示，4个标记点分别为A、B、C、D，这4 个标记点位于XOY平面内，点C位于0°、点D位于90°、点A位于180°、 点D位于270°。

步骤二、将被测非球面3安装在非球面面形测量装置上，即将被测非球面3 安装在检测支撑平台4上，通过调整第一调整机构5调节被测非球面3的空间 位置，通过调整第二调整机构7调节转台6的空间位置，使得干涉仪1光轴、 被测非球面3光轴以及转台6的转轴相一致。

步骤三、当转台6处于0度位置时检测被测非球面3，记录4个标记点A、 B、C、D此时在干涉仪1的CCD上的像素位置坐标(209，633)，(625，1050)， (1044，633)，(625，216)，即可得到被测非球面3中心在干涉仪1的CCD上 的像素位置坐标(625.75，633)。

步骤四、旋转转台6，在0度、90度、180度以及270度4个角度位置处检 测被测非球面3，记录4个角度位置处任一标记点(例如标记点A)在干涉仪1 的CCD上的像素位置坐标(209，633)、(625，218)、(1023，633)、(625，1034)， 利用这4个像素位置坐标即可得到被测非球面3外圆中心在干涉仪1的CCD上 的像素位置坐标(620.5，629.5)。

步骤五、被测非球面3中心与被测非球面3外圆中心偏离的像素数即为 (5.25，3.5)，被测非球面3中心与被测非球面3外圆中心的偏离量即为(5.25， 3.5)乘以像素分辨率61.25um/pix，即偏离量为X方向321.5625um，Y方向 214.375um。