[發(fā)明專利]利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)大口徑非球面光學(xué)元件的方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010253138.4
• 申請(qǐng)日: 2010-08-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101943559A
• 公開(kāi)（公告）日: 2011-01-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 范斌;伍凡;曾志革;周家斌;景洪偉;匡龍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): G01B5/008
• 分類號(hào): G01B5/008
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 梁愛(ài)榮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)測(cè)試領(lǐng)域，涉及一種對(duì)大口徑非球面光學(xué)元件面形誤差，尤其是對(duì)于光學(xué)元件表面接觸式測(cè)量誤差處理方法的改進(jìn)。

背景技術(shù)

大型非球面光學(xué)元件的制造過(guò)程一般可分為工件成型、研磨、拋光，每個(gè)加工階段都有其相應(yīng)的面形檢測(cè)方法作為加工指導(dǎo)。拋光階段材料的去除量很小，同時(shí)由于拋光時(shí)基本上不改變被加工表面的頂點(diǎn)曲率半徑與偏心率，在研磨階段就必須對(duì)表面的頂點(diǎn)曲率半徑與偏心率進(jìn)行嚴(yán)格的控制。因此，研磨階段的檢測(cè)技術(shù)是大型非球面光學(xué)元件加工技術(shù)的關(guān)鍵，研磨階段面形誤差的大小將影響整個(gè)非球面的加工效率和精度。

在傳統(tǒng)的非球面光學(xué)元件研磨加工中，技師們通過(guò)百分表或千分表加裝測(cè)環(huán)來(lái)測(cè)量非球面的曲率半徑，估算非球面研磨時(shí)面形質(zhì)量。這種方法比較方便，但只能粗略測(cè)量，誤差較大，僅在非球面研磨初始加工中使用。

紅外干涉儀是大型非球面光學(xué)元件研磨階段較為理想的檢測(cè)方法，可用于測(cè)量可見(jiàn)光波段粗糙表面和標(biāo)準(zhǔn)球面相差較大的非球面。但這種方法需要利用標(biāo)準(zhǔn)平面鏡以自準(zhǔn)法實(shí)現(xiàn)面形檢測(cè)，或是利用與被檢非球面相匹配的補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)面形檢測(cè)，因此，上述檢測(cè)方法的缺點(diǎn)是：難度大、成本高、周期長(zhǎng)。而且目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)適用于大型非球面光學(xué)元件檢測(cè)的紅外干涉儀。

接觸式輪廓測(cè)量?jī)x也是研磨初期常用的一種測(cè)量方法，首先利用接觸式檢測(cè)裝置測(cè)得一批離散數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理以獲得定量的面形誤差分布函數(shù)。但該方法沒(méi)有對(duì)全孔徑進(jìn)行測(cè)量，往往只將接觸式檢測(cè)裝置加裝于加工機(jī)床之上，僅限于鏡面某一截面的測(cè)量。因此，測(cè)量精度有限，無(wú)法全面反映元件質(zhì)量，僅適用于銑磨和研磨初期的檢測(cè)中。

利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)大型非球面光學(xué)元件不受元件口徑、非球面度、最大傾角、材料等的限制，它可以用來(lái)測(cè)量各種非球面主鏡。然而，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)頭并不是一個(gè)理想的測(cè)量點(diǎn)，而是有一定半徑的測(cè)頭，因此，在測(cè)量中將帶來(lái)測(cè)頭半徑引起的誤差；同時(shí)，在測(cè)量中隨著測(cè)量行程的增加，也會(huì)引入一定的行程積累誤差。因此，上述三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的系統(tǒng)誤差必將影響光學(xué)元件的檢測(cè)精度。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)大口徑非球面光學(xué)元件的方法。

為達(dá)成所述目的，本發(fā)明提供一種利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)大口徑非球面光學(xué)元件的方法，解決問(wèn)題的技術(shù)方案是通過(guò)以下步驟完成：

步驟S1：利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，獲得被檢大口徑非球面光學(xué)元件主鏡的面形徑向矢高原始數(shù)據(jù)；

步驟S2：利用面形徑向矢高原始數(shù)據(jù)對(duì)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的三坐標(biāo)測(cè)頭進(jìn)行補(bǔ)償預(yù)處理，得到補(bǔ)償預(yù)處理的徑向矢高數(shù)據(jù)；

步驟S3：對(duì)補(bǔ)償預(yù)處理的徑向矢高數(shù)據(jù)采用最小二乘法進(jìn)行最優(yōu)擬合，由擬合數(shù)據(jù)剔除面形中各條徑向矢高數(shù)據(jù)的傾斜誤差和平移誤差；

步驟S4：再由格蘭姆-施密特(Gram-Schmidt)正交化方法對(duì)大口徑非球面光學(xué)元件的主鏡面形徑向矢高數(shù)據(jù)進(jìn)行澤尼克(Zernike)多項(xiàng)式擬合，剔除系數(shù)中的常數(shù)項(xiàng)和傾斜項(xiàng)，得到誤差處理后的數(shù)據(jù)；

步驟S5：由誤差處理后的數(shù)據(jù)復(fù)原被檢測(cè)的大口徑非球面光學(xué)元件面形，所述面形復(fù)原就是把測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)按坐標(biāo)x、y、z顯示被檢測(cè)的大口徑非球面光學(xué)元件面形失高，從而確定理論大口徑非球面光學(xué)元件面形與被檢測(cè)大口徑非球面光學(xué)元件面形偏差的峰谷值和均方根值，以確定被檢測(cè)大口徑非球面光學(xué)元件是否符合要求。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明全面考慮了被檢大口徑非球面光學(xué)元件三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的誤差源，從而可以更加真實(shí)客觀的評(píng)價(jià)光學(xué)元件的面形質(zhì)量。本發(fā)明的方法是通過(guò)三坐標(biāo)原始測(cè)量數(shù)據(jù)三坐標(biāo)測(cè)頭進(jìn)行補(bǔ)償，用最小二乘法對(duì)光學(xué)元件面形測(cè)量誤差進(jìn)行處理，對(duì)高精度大口徑光學(xué)元件的面形檢測(cè)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。解決了三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的系統(tǒng)誤差影響光學(xué)元件的檢測(cè)精度的問(wèn)題，剔除面形徑向矢高原始數(shù)據(jù)的傾斜和平移誤差，以確定被檢光學(xué)元件理想面形與測(cè)量面形的偏差，從而可以更加客觀的評(píng)價(jià)光學(xué)元件的面形質(zhì)量。本發(fā)明有效的提高了大口徑非球面光學(xué)元件面形質(zhì)量三坐標(biāo)檢測(cè)精度。適用于解決大口徑非球面光學(xué)元件銑磨、精磨和初拋光加工階段的三坐標(biāo)檢測(cè)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)檢測(cè)大口徑非球面光學(xué)元件的數(shù)據(jù)處理流程圖；

圖2為本發(fā)明面形矢高原始測(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)頭補(bǔ)償?shù)暮?jiǎn)圖；

圖3為本發(fā)明測(cè)量路線測(cè)量鏡面全口徑16×45個(gè)測(cè)量點(diǎn)；

圖4為本發(fā)明的面形失高圖；

圖5是利用該測(cè)量點(diǎn)繪制面形平面圖；

圖6是利用該補(bǔ)償后測(cè)量點(diǎn)繪制面形平面圖；

圖7是利用剔除傾斜和偏移誤差后的測(cè)量點(diǎn)繪制面形平面圖；