专利名称：一种高精度高次非球面透镜偏心测定系统及方法
技术领域：
本发明属于先进光学制造与检测领域，涉及光学检测系统，特别涉及一种高精度高次非球面透镜偏心测定系统及方法。
背景技术：
高次非球面透镜在成像系统、投影系统、空间相机等领域得到了越来越广泛的应用。相比传统的球面透镜，非球面透镜的偏心在透镜加工完成后就固定不变，而且不能通过后期的装调过程来消除，因此对非球面透镜偏心的高精度定量检测就显得尤为重要，其是 恒量一个非球面透镜是否达到设计指标的重要参数之一。现有的非球面透镜偏心测量方法主要分为接触式测量和非接触式测量两类。其中接触式测量有等厚仪测量、接触式位移传感器测量等，只能用于透镜加工前期的测量，在透镜加工后期有破坏镜面的危险，而且测量精度低；非接触式测量有光束透射测量、光束反射测量、非接触位移传感器测量等，其可用于透镜加工后期的偏心测量。光束透射测量法(HankH. Karow. Fabrication Methods for PrecisionOptics[M], Wiley, 540, 2004.)和光束反射测量法(杭凌侠，中国专利“CN 201096611Y”)的测量精度均受限于光束的光斑尺寸以及探测器的空间分辨率，非接触位移传感器测量法(泉田丰，中国专利“CN1420339A”)的测量精度主要受限于位移传感器的测量精度，目前最高精度的是TRI0PTICS公司采用的光谱共焦位移传感器，其位移测量精度为50nm，对于非球面度比较小的高次非球面来说其精度还不够满足要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题克服现有非球面透镜偏心测量技术的不足，提出一种基于干涉仪和对心器的高精度高次非球面偏心测定系统及方法，该系统运用对心器找出基准轴，利用干涉仪高精度面形测量的优点来测量非球面透镜的偏心。该系统可以有效地解决非球面度比较小的高次非球面透镜的偏心测量问题。本发明系统结构简单、检测成本低。本发明解决其技术问题所采用的技术方案一种高精度高次非球面透镜偏心测定系统，该测定系统包括相移干涉仪、干涉仪调整架、被测非球面透镜、透镜支架、透镜调整架、对心器、精密旋转轴系、对心器调整架、直线导轨以及计算机系统。其中计算机系统与相移干涉仪和对心器相连，相移干涉仪放置干涉仪调整架上并固定在直线导轨中间，对心器安装在精密旋转轴系上，精密旋转轴系固定在对心器调整架上，对心器调整架放置在直线导轨上并可自由滑动。先通过对心器观察相移干涉仪第一片透镜的球心像，并通过调节干涉仪调整架和对心器调整架使相移干涉仪的光轴与对心器的光轴同轴并平行于直线导轨。然后将被测非球面透镜安装在透镜支架上、透镜支架固定在透镜调整架上，将透镜调整架放置在直线导轨上并可自由滑动，在保证相移干涉仪和对心器的光轴不动的情况下，通过对心器观察被测非球面透镜的两光学面近轴球心像，并通过调节透镜调整架使被测非球面透镜的两光学面近轴球心像均在对对心器的光轴上。最后利用相移干涉仪测量被测非球面透镜的非球面面形数据，由安装在计算机系统上的数据处理软件对所测得的数据进行处理，得到被测非球面透镜的偏心信息。其中，采用相移干涉仪和对心器来共同完成非球面偏心的测量。其中，被测非球面透镜和对心器均放置在两个直线导轨上并可自由移动。其中，对心器可以与计算机相连以便实时显示对心结果，也可以不与计算机相连直接用人眼观察对心器。该检测系统中若被测非球面透镜的非球面度过大，不能一次测量得整个面形数据时可以测量多个环带的面形信息。该检测系统不仅能测一面为非球面的透镜，也能测两面均为非球面的透镜。在测量两面均为非球面的透镜时，需要翻转透镜进行测量。
该检测系统在测量过程中，当干涉仪在测量非球面的面形时，被测透镜只能沿导轨滑动，不能调节平移或倾斜以免基准轴发生偏离。一种高精度高次非球面透镜偏心测定系统另外提供根据上述的高精度高次非球面透镜偏心测定系统的高精度高次非球面透镜偏心测定的方法，包括如下步骤步骤1，调整对心器和干涉仪，使得两者的光轴重合并与两个直线导轨平行；步骤2，放入被测非球面透镜，并将非球面透镜两光学面的球心像调整到对心器的光轴上；步骤3，通过干涉仪测量被测非球面透镜上非球面的面形数据；步骤4，运用非球面偏心数据处理软件处理测得的面形数据，得到被测非球面的偏
心信息。本发明与现有技术相比的优点在于(I)、本发明的系统中使用干涉仪来测量非球面的面形信息，代替了传统的位移传感器，干涉仪测量面形信息的精度更高。(2)、本发明的系统中使用干涉仪一次测量即可获得整个非球面的面形信息或多次测量获得多个环带的面形信息，而不止是非球面上某一环带的面形信息，其测量所得的信息量更大，计算结果更可靠。(3)、本发明的系统在测量非球面的面形信息时被测透镜保持不动，不需要旋转，因此可以避免旋转机构造成的测量误差。
图I为系统构成示意图；图2为对心器和干涉仪对心的示意图；图3为测量系统数据处理流程图。图中1一相移干涉仪、2—干涉仪调整架、3—被测非球面透镜、4一透镜支架、5—透镜调整架、6—对心器、7—精密旋转轴系、8—对心器调整架、9和10—直线导轨、11 一计算机系统。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方法详细介绍本发明。参见图1，图中所示为一种高精度高次非球面透镜偏心测定系统，该系统包括相移干涉仪I、干涉仪调整架2、被测非球面透镜3、透镜支架4、透镜调整架5、对心器6、精密旋转轴系7、对心器调整架8、直线导轨9和10、以及计算机系统11。其中计算机系统11与相移干涉仪I和对心器6相连，相移干涉仪I放置干涉仪调整架2上并固定在直线导轨9和10的中间，对心器6安装在精密旋转轴系7上，精密旋转轴系7固定在对心器调整架8上并放置在直线导轨9和10上。被测非球面透镜3安装在透镜支架4上、透镜支架4固定在透镜调整架5上并放置在直线导轨9和10上。通过对心器6将相移干涉仪I的光轴和被测非球面透镜3的两光学面球心像调节到同轴后，利用相移干涉仪I测量被测非球面透镜3的非球面面形数据，由安装在计算机系统11上的数据处理软件对所测得的数据进行处理，得到被测非球面透镜3的偏心信息。透镜调整架5可为四维透镜调整架。对心器调整架8可为二维对心器调整架。本发明系统的工作过程及检测步骤如下·
第一步如图2所示，先将干涉仪I放置在干涉仪调整架2上，并放置在导轨9和10的中间，然后将对心器6安装在精密旋转轴系7上并固定在调整架8上，再将其放置在导轨9和10上，最后将对心器6与计算机系统11相连。沿导轨移动调整架8，通过对心器6观察干涉仪I透镜前、后表面的球心像，通过反复调节调整架2和调整架8使两球心像均在对心器6的回转轴上。第二步如图I所示，将被测非球面透镜3的非球面朝上固定在透镜支架4上，然后将透镜支架4安装到透镜调整架5上并放置在导轨9和10上。沿导轨移动调整架8或调整架5，通过对心器6观察被测非球面透镜3的两光学面的球心像，通过反复调节调整架5使两球心像均在对心器6的回转轴上。第三步沿导轨移动调整架5，使被测非球面透镜3位于其非球面最接近球的共焦位置，利用计算机系统11控制干涉仪I采集被测非球面透镜3的非球面面形数据。第四步如图3所示，通过安装在计算机系统11上的数据处理软件提取面形数据中圆心在图像中心的圆环上的面形数据，计算圆环面形数据的最大值、最小值和相位值。由最大、最小值可以计算出非球面顶点偏离基准轴的大小；由相位值可以计算出非球面顶点偏离基准轴的方向。用非球面顶点偏离基准轴的大小除以非球面的顶点曲率半径即可得非球面的偏心角。最后显示输出非球面透镜的偏心测量结果。
权利要求
1.一种高精度高次非球面透镜偏心测定系统，其特征在于该测定系统包括相移干涉仪(I)、干涉仪调整架(2)、被测非球面透镜(3)、透镜支架(4)、透镜调整架(5)、对心器(6)、精密旋转轴系(7)、对心器调整架(8)、两个直线导轨(9、10)、以及计算机系统(11)，其中计算机系统(11)与相移干涉仪(I)和对心器(6)相连，相移干涉仪(I)放置干涉仪调整架(2)上并固定在两个直线导轨(9、10)的中间，对心器(6)安装在精密旋转轴系(7)上，精密旋转轴系(7)固定在对心器调整架(8)上，对心器调整架(8)放置在两个直线导轨(9、10)上并可自由滑动，先通过对心器(5 )观察相移干涉仪第一片透镜的球心像，并通过调节干涉仪调整架(2)和对心器调整架(8)使相移干涉仪(I)的光轴与对心器(6)的光轴同轴并平行于两个直线导轨，然后将被测非球面透镜(3)安装在透镜支架(4)上、透镜支架(4)固定在透镜调整架(5)上，将透镜调整架(5)放置在两个直线导轨(9、10)上并可自由滑动，在保证相移干涉仪(I)和对心器(6)的光轴不动的情况下，通过对心器(6)观察被测非球面透镜(3)的两光学面近轴球心像，并通过调节透镜调整架(5)使被测非球面透镜(3)的两光学面近轴球心像均在对对心器(6)的光轴上，最后利用相移干涉仪(I)测量被测非球面透镜(3)的非球面面形数据，由安装在计算机系统(11)上的数据处理软件对所测得的数据进行处理，得到被测非球面透镜(3)的偏心信息。
2.根据权利要求I所述的一种高精度高次非球面透镜偏心测定系统，其特征在于采用相移干涉仪和对心器来共同完成非球面偏心的测量。
3.根据权利要求I所述的一种高精度高次非球面透镜偏心测定系统，其特征在于被测非球面透镜和对心器均放置在两个直线导轨上并可自由移动。
4.根据权利要求I所述的一种高精度高次非球面透镜偏心测定系统，其特征在于对心器可以与计算机相连以便实时显示对心结果，也可以不与计算机相连直接用人眼观察对心器。
5.根据权利要求I所述的一种高精度高次非球面透镜偏心测定系统，其特征在于该检测系统中若被测非球面透镜的非球面度过大，不能一次测量得整个面形数据时可以测量多个环带的面形信息。
6.根据权利要求I所述的一种高精度高次非球面透镜偏心测定系统，其特征在于该检测系统不仅能测一面为非球面的透镜，也能测两面均为非球面的透镜，在测量两面均为非球面的透镜时，需要翻转透镜进行测量。
7.根据权利要求I所述的一种高精度高次非球面透镜偏心测定系统，其特征在于该检测系统在测量过程中，当干涉仪在测量非球面的面形时，被测透镜只能沿导轨滑动，不能调节平移或倾斜以免基准轴发生偏离。
8.一种高精度高次非球面透镜偏心测定方法，其特征在于包括如下步骤 步骤1，调整对心器和干涉仪，使得两者的光轴重合并与两个直线导轨平行； 步骤2，放入被测非球面透镜，并将非球面透镜两光学面的球心像调整到对心器的光轴上； 步骤3，通过干涉仪测量被测非球面透镜上非球面的面形数据； 步骤4，运用非球面偏心数据处理软件处理测得的面形数据，得到被测非球面的偏心信肩、O
全文摘要
本发明提供一种高精度高次非球面透镜偏心测定系统及方法，包括相移干涉仪、干涉仪调整架、被测非球面透镜、透镜支架、透镜调整架、对心器、精密旋转轴系、对心器调整架、直线导轨及计算机系统，被测非球面透镜固定在透镜支架上，支架固定在透镜调整架上，透镜调整架放置在直线导轨上；对心器固定在精密旋转轴系上，精密旋转轴系安装在对心器调整架上并放置在直线导轨上；相移干涉仪放置在干涉仪调整架上并固定在直线导轨中间，用干涉仪测得被测非球面透镜上非球面的面形数据，从面形数据中提取出多个同心圆形环带上的数据，根据各环带面形数据的最大、最小值以及相应的相位信息计算出该非球面的顶点位置，进而可以算出该非球面透镜的偏心大小。
文档编号G01B11/24GK102944194SQ20121047565
公开日2013年2月27日 申请日期2012年11月21日 优先权日2012年11月21日
发明者刘海涛, 曾志革, 伍凡, 范斌, 万勇建, 侯溪 申请人:中国科学院光电技术研究所