非球面检测中采用自准平面镜测量光轴的方法
【专利摘要】非球面检测中采用自准平面镜测量光轴的方法，属于光学检测【技术领域】，为解决非球面检测中光轴方向测量精度低的问题，该方法为调整平面反射镜与干涉仪的相对位置和角度，使平面镜方向与干涉仪的出射光垂直，产生干涉条纹为零条纹状态；采用激光跟踪仪分别测量空间一点的空间坐标及该点在平面镜中的镜像点的空间坐标，由这两点坐标获取光轴方向；调整补偿器与干涉仪对准，并采用装调定义仪对准补偿器透镜外表面的凹面；利用激光跟踪仪测量装调定位仪汇聚中心位置，即透镜外表面球心位置，获取光轴上的一点的空间坐标，结合步骤二中获取的光轴方向，得到检测光路中的光轴；得到光轴后测量镜体特征对非球面反射镜进行定位，可进行多次测量和精度分析。
【专利说明】非球面检测中采用自准平面镜测量光轴的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种非球面检测中的光轴测量方法，尤其是长曲率半径非球面检测中的光轴测量方法，属于光学检测【技术领域】。
【背景技术】
[0002]非球面检测光路中光轴是被检测元件定位的基准，通过对光轴的测量，才能进一步测量或计算出非球面的偏心量、顶点曲率半径等几何量。光轴的测量是检测光路中定位的最关键的环节，它的测量精度决定着非球面偏心量、顶点曲率半径等几何量的测量精度。现有技术中非球面检测中测量光轴的方法可以分为两种。一种是采用激光跟踪仪测量机械结构基准(例如补偿器的机械工装侧面基准)并建立模型，根据机械基准与光轴之间存在的平行、垂直等空间相对关系进行基准传递和计算而得到光轴；第二种是通过测量补偿器光学表面球面的球心，根据光轴的定义，测量两个球心点而得到光轴。机械基准的方法简单、有效，但是机械结构基准的精度受到加工工艺和激光跟踪仪测量的限制，一般只能够达到
0.02mm的精度，在长曲率半径的非球面测量中这个误差将增大至几个毫米(如在IOm量级的检测光路中光轴的测量精度约为2mm)，重复性测量精度低。球心测量定光轴的方法一般采用装调定位仪自准定位补偿器中透镜外表面的球心，再采用激光跟踪仪测量球心的位置并在模型中构建直线而得到光轴，当透镜外表面为凸面或者曲率半径小时，光轴上的两点距离较小，测量精度降低。上述的两种方法都不能满足长顶点曲率半径的非球面的光轴测量要求。
【发明内容】
[0003]本发明为解决非球面检测中光轴方向测量精度低的问题，提出一种根据平面镜自准检测测量光轴的方法。
[0004]采用平面镜自准测量光轴的方法由以下步骤实现:
[0005]步骤一、干涉仪与平面反射镜对准放置，调整平面反射镜的角度，使其将干涉仪发出的平行光反射，反射后的光在干涉仪中形成的条纹无倾斜，即实现平面反射镜自准；
[0006]步骤二、采用激光跟踪仪分别进行测量点及其镜像点的测量，获取两点空间坐标数据；去除平面反射镜；
[0007]步骤三、将补偿器装至光路中，调整补偿器的角度，使其与干涉仪对准；将调整装调定位仪装至光路中，调整装调定位仪的位置和角度，使其与补偿器的光学表面对准；
[0008]步骤四、采用激光跟踪仪测量上述装调定位仪的汇聚中心点，获取该汇聚中心点的空间坐标数据，该汇聚中心点为光轴上的一点；
[0009]步骤五、根据步骤二和步骤四获取的测量点、镜像点和光轴上汇聚中心点的空间坐标数据，采用激光跟踪仪的三维空间坐标建模软件，根据测量点与镜像点连接的直线垂直于平面反射镜的原理，在模型中计算出代表光轴的直线；
[0010]步骤六、得到光轴后，即可通过测量镜体特征对非球面反射镜进行定位，计算得到反射镜的顶点曲率半径等参数；重复步骤a至e，进行多次测量和精度分析。
[0011]本发明的有益效果:平面镜与干涉仪自准后，由于干涉仪发出的平行光方向就是检测光轴方向，因此该自准平面镜的平面就垂直于光轴方向；利用激光跟踪仪测量平面反射镜像点坐标的功能，分别测量空间一点和该点的镜像点坐标；根据镜像的定义，经过这两点的直线垂直于反射镜面，由于镜面与干涉仪出射光自准，则该直线平行于光轴，这样通过关于镜面对称的两点的测量就得到了空间中光轴的方向；利用装调定位仪球面波对准的功能，使其与补偿器中的一个透镜球面对准，再利用激光跟踪仪靶标球的球面与装调定位仪对准，这样靶标球的球心就是光轴上的一点，通过激光跟踪仪测量靶标球的位置就获取了光轴上的一点；在得到光轴方向和光轴上一点后，也就确定了光轴。
[0012]本发明利用自准平面镜法测量光轴的方法精度高，解决了长距离检测中的光轴定位精度低的问题，将IOm量级的检测光路中光轴定位精度提高至0.1mm，对非球面检测中顶点曲率半径、偏心量等几何量精确测量和控制提供了保障。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为本发明方法中利用激光跟踪仪和自准平面镜的镜像点测量来确定光轴方向的示意图。
[0014]图2为本发明方法中利用装调定位仪和激光跟踪仪测量光轴上一点的测量示意图。
[0015]图中:1、干涉仪，2、自准平面镜，3、平行光，4、激光跟踪仪，5、测量点，6、测量点的镜像点，7、平行于光轴的直线，8、补偿器，9、装调定位仪，10、被检非球面，11、被测的光轴点。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0017]采用自准平面镜测量光轴的方法，该方法由以下步骤实现:
[0018]如图1所示，步骤一、干涉仪I与平面反射镜2对准放置，调整平面反射镜2的角度，使其将干涉仪I发出的平行光3反射，反射后的光在干涉仪I中形成的条纹无倾斜，即实现平面反射镜2自准；
[0019]步骤二、采用激光跟踪仪4分别进行测量点5及其镜像点6的测量，获取两点空间坐标数据；去除平面反射镜2 ；
[0020]如图2所示，步骤三、将补偿器8装至光路中，调整补偿器8的角度，使其与干涉仪I对准；将调整装调定位仪9装至光路中，调整装调定位仪9的位置和角度，使其与补偿器8的光学表面对准；
[0021]步骤四、采用激光跟踪仪4测量上述装调定位仪9的汇聚中心点11，获取该汇聚中心点11的空间坐标数据,该汇聚中心点11为光轴上的一点；
[0022]步骤五、根据步骤二和步骤四获取的测量点5、镜像点6和光轴上汇聚中心点11的空间坐标数据，采用激光跟踪仪4的三维空间坐标建模软件，根据测量点5与镜像点6连接的直线垂直于平面反射镜2的原理，在模型中计算出代表光轴的直线；
[0023]步骤六、得到光轴后，即可通过测量镜体特征对非球面反射镜10进行定位，计算得到反射镜的顶点曲率半径等参数；重复步骤a至e，进行多次测量和精度分析。
[0024]实施例:
[0025]a、将平面反射镜2放置在靠近被检测非球面10附近的位置(距离干涉仪I越远，测量的精度越高)，并使干涉仪I出射的平行光3照射在平面反射镜2的有效口径内；调整平面反射镜2的扭摆和俯仰两个角度方向，使其在干涉仪I中形成的干涉条纹为零条纹状态；采用干涉仪I进行测量和分析，查看面形检测结果中的倾斜量(zernike拟合后的tilt项)，并继续调整平面反射镜2直至倾斜接近为0，调整完成即实现了平面反射镜2对干涉仪的自准；
[0026]b、利用激光跟踪仪4的靶标球将激光跟踪仪4的激光引至自准平面镜2并形成反射，采用靶标球获取反射的激光，将靶标球放置在与平面反射镜2的垂直距离约一半光路距离的位置，如图1所示，设定为测量点5 (放置球座并保持不动)，由于经过反射，进行测量得到的是镜像点6的空间坐标数据(X6，y6，z6);将靶标球归位至激光跟踪仪4球座上，然后重新牵引激光至上述的球座位置即测量点5，这一次是激光没有经过反射镜，因此采用激光跟踪仪4进行测量点5的空间坐标测量，得到坐标数据(X5，y5，z5);测量后在光路中移除平面反射镜2 ；
[0027]C、将补偿器8装至光路中(放置适当距离，保证待测与非球面反射镜10的间隔)，利用补偿器8的特征端面调整补偿器，使其与干涉仪I对准，此过程中保持干涉仪I不动，调整对准后干涉仪I的出射光方向就是光轴方向；保持补偿器8不动，将装调定位仪9装至光路中；调整装调定位仪9的位置和角度，使其与补偿器8中透镜组的最后一面(或第一面)进行对准；
[0028]d、保持装调定位仪9不动，将激光跟踪仪4的靶标球放置光路中(粗放置在装调定位仪9出射光的汇聚点附近)，调整激光跟踪仪4的靶标球的三维平移，使其反射光与装调定位仪9对准，装调定位仪9出射光的汇聚中心11就是靶标球的中心；对准后采用激光跟踪仪4进行测量,获取点11 (即光轴上一点)的坐标(xll, yll, zll)；
[0029]e、根据上述步骤b和d中激光跟踪仪4测量得到的测量点5、6和11，根据光轴的定义，在激光跟踪仪4的软件中建模，光轴为平行于点(x5，y5, z5)、(x6, y6, z6)且经过点
(xll,yll, zll)的直线，依据的公式为x-x11/x5-x6=y-y11/y5-y6=z-z11/z5-z6确认数据无粗大误差
后，将装调定位仪9和激光跟踪仪4的靶标球移除光路，准备非球面反射镜10的测量；
[0030]f、得到光轴后，即可通过测量镜体特征对非球面反射镜10进行定位，计算得到反射镜的顶点曲率半径等参数；重复步骤a至e，进行多次测量和精度分析。
【权利要求】
1.采用自准平面镜测量光轴的方法，其特征是，该方法由以下步骤实现: 步骤一，干涉仪(I)与平面反射镜(2)对准放置，调整平面反射镜(2)的角度，使其将干涉仪(I)发出的平行光(3)反射，反射后的光在干涉仪(I)中形成的条纹无倾斜，即实现平面反射镜(2)自准； 步骤二，采用激光跟踪仪(4)分别进行测量点(5)及其镜像点(6)的测量，获取两点空间坐标数据；去除平面反射镜(2)； 步骤三，将补偿器(8)装至光路中，调整补偿器(8)的角度，使其与干涉仪(I)对准；将调整装调定位仪(9)装至光路中，调整装调定位仪(9)的位置和角度，使其与补偿器(8)的光学表面对准； 步骤四，采用激光跟踪仪(4)测量上述装调定位仪(9)的汇聚中心点(11)，获取该汇聚中心点(11)的空间坐标数据,该汇聚中心点(11)为光轴上的一点； 步骤五，根据步骤二和步骤四获取的测量点(5)、镜像点(6)和光轴上汇聚中心点(11)的空间坐标数据，采用激光跟踪仪(4)的三维空间坐标建模软件，根据测量点(5)与镜像点(6)连接的直线垂直于平面反射镜(2)的原理，在模型中计算出代表光轴的直线； 步骤六，得到光轴后，即可通过测量镜体特征对非球面反射镜(10)进行定位，计算得到反射镜的顶点曲率半径等参数；重复步骤a至e，进行多次测量和精度分析。
【文档编号】G01M11/02GK103926058SQ201410120021
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年3月27日 优先权日:2014年3月27日
【发明者】陈新东, 李锐刚, 薛栋林, 郑立功 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所