專利名稱：一種高精度高次非球面透鏡偏心測定系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于先進光學制造與檢測領(lǐng)域，涉及光學檢測系統(tǒng)，特別涉及一種高精度高次非球面透鏡偏心測定系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
高次非球面透鏡在成像系統(tǒng)、投影系統(tǒng)、空間相機等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。相比傳統(tǒng)的球面透鏡，非球面透鏡的偏心在透鏡加工完成后就固定不變，而且不能通過后期的裝調(diào)過程來消除，因此對非球面透鏡偏心的高精度定量檢測就顯得尤為重要，其是 恒量一個非球面透鏡是否達到設(shè)計指標的重要參數(shù)之一?，F(xiàn)有的非球面透鏡偏心測量方法主要分為接觸式測量和非接觸式測量兩類。其中接觸式測量有等厚儀測量、接觸式位移傳感器測量等，只能用于透鏡加工前期的測量，在透鏡加工后期有破壞鏡面的危險，而且測量精度低；非接觸式測量有光束透射測量、光束反射測量、非接觸位移傳感器測量等，其可用于透鏡加工后期的偏心測量。光束透射測量法(HankH. Karow. Fabrication Methods for PrecisionOptics[M], Wiley, 540, 2004.)和光束反射測量法(杭凌俠，中國專利“CN 201096611Y”)的測量精度均受限于光束的光斑尺寸以及探測器的空間分辨率，非接觸位移傳感器測量法(泉田豐，中國專利“CN1420339A”)的測量精度主要受限于位移傳感器的測量精度，目前最高精度的是TRI0PTICS公司采用的光譜共焦位移傳感器，其位移測量精度為50nm，對于非球面度比較小的高次非球面來說其精度還不夠滿足要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題克服現(xiàn)有非球面透鏡偏心測量技術(shù)的不足，提出一種基于干涉儀和對心器的高精度高次非球面偏心測定系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)運用對心器找出基準軸，利用干涉儀高精度面形測量的優(yōu)點來測量非球面透鏡的偏心。該系統(tǒng)可以有效地解決非球面度比較小的高次非球面透鏡的偏心測量問題。本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、檢測成本低。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案一種高精度高次非球面透鏡偏心測定系統(tǒng)，該測定系統(tǒng)包括相移干涉儀、干涉儀調(diào)整架、被測非球面透鏡、透鏡支架、透鏡調(diào)整架、對心器、精密旋轉(zhuǎn)軸系、對心器調(diào)整架、直線導軌以及計算機系統(tǒng)。其中計算機系統(tǒng)與相移干涉儀和對心器相連，相移干涉儀放置干涉儀調(diào)整架上并固定在直線導軌中間，對心器安裝在精密旋轉(zhuǎn)軸系上，精密旋轉(zhuǎn)軸系固定在對心器調(diào)整架上，對心器調(diào)整架放置在直線導軌上并可自由滑動。先通過對心器觀察相移干涉儀第一片透鏡的球心像，并通過調(diào)節(jié)干涉儀調(diào)整架和對心器調(diào)整架使相移干涉儀的光軸與對心器的光軸同軸并平行于直線導軌。然后將被測非球面透鏡安裝在透鏡支架上、透鏡支架固定在透鏡調(diào)整架上，將透鏡調(diào)整架放置在直線導軌上并可自由滑動，在保證相移干涉儀和對心器的光軸不動的情況下，通過對心器觀察被測非球面透鏡的兩光學面近軸球心像，并通過調(diào)節(jié)透鏡調(diào)整架使被測非球面透鏡的兩光學面近軸球心像均在對對心器的光軸上。最后利用相移干涉儀測量被測非球面透鏡的非球面面形數(shù)據(jù)，由安裝在計算機系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)處理軟件對所測得的數(shù)據(jù)進行處理，得到被測非球面透鏡的偏心信息。其中，采用相移干涉儀和對心器來共同完成非球面偏心的測量。其中，被測非球面透鏡和對心器均放置在兩個直線導軌上并可自由移動。其中，對心器可以與計算機相連以便實時顯示對心結(jié)果，也可以不與計算機相連直接用人眼觀察對心器。該檢測系統(tǒng)中若被測非球面透鏡的非球面度過大，不能一次測量得整個面形數(shù)據(jù)時可以測量多個環(huán)帶的面形信息。該檢測系統(tǒng)不僅能測一面為非球面的透鏡，也能測兩面均為非球面的透鏡。在測量兩面均為非球面的透鏡時，需要翻轉(zhuǎn)透鏡進行測量。
該檢測系統(tǒng)在測量過程中，當干涉儀在測量非球面的面形時，被測透鏡只能沿導軌滑動，不能調(diào)節(jié)平移或傾斜以免基準軸發(fā)生偏離。一種高精度高次非球面透鏡偏心測定系統(tǒng)另外提供根據(jù)上述的高精度高次非球面透鏡偏心測定系統(tǒng)的高精度高次非球面透鏡偏心測定的方法，包括如下步驟步驟1，調(diào)整對心器和干涉儀，使得兩者的光軸重合并與兩個直線導軌平行；步驟2，放入被測非球面透鏡，并將非球面透鏡兩光學面的球心像調(diào)整到對心器的光軸上；步驟3，通過干涉儀測量被測非球面透鏡上非球面的面形數(shù)據(jù)；步驟4，運用非球面偏心數(shù)據(jù)處理軟件處理測得的面形數(shù)據(jù)，得到被測非球面的偏
心信息。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于(I)、本發(fā)明的系統(tǒng)中使用干涉儀來測量非球面的面形信息，代替了傳統(tǒng)的位移傳感器，干涉儀測量面形信息的精度更高。(2)、本發(fā)明的系統(tǒng)中使用干涉儀一次測量即可獲得整個非球面的面形信息或多次測量獲得多個環(huán)帶的面形信息，而不止是非球面上某一環(huán)帶的面形信息，其測量所得的信息量更大，計算結(jié)果更可靠。(3)、本發(fā)明的系統(tǒng)在測量非球面的面形信息時被測透鏡保持不動，不需要旋轉(zhuǎn)，因此可以避免旋轉(zhuǎn)機構(gòu)造成的測量誤差。


圖I為系統(tǒng)構(gòu)成示意圖；圖2為對心器和干涉儀對心的示意圖；圖3為測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程圖。圖中1一相移干涉儀、2—干涉儀調(diào)整架、3—被測非球面透鏡、4一透鏡支架、5—透鏡調(diào)整架、6—對心器、7—精密旋轉(zhuǎn)軸系、8—對心器調(diào)整架、9和10—直線導軌、11 一計算機系統(tǒng)。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖及具體實施方法詳細介紹本發(fā)明。參見圖1，圖中所示為一種高精度高次非球面透鏡偏心測定系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括相移干涉儀I、干涉儀調(diào)整架2、被測非球面透鏡3、透鏡支架4、透鏡調(diào)整架5、對心器6、精密旋轉(zhuǎn)軸系7、對心器調(diào)整架8、直線導軌9和10、以及計算機系統(tǒng)11。其中計算機系統(tǒng)11與相移干涉儀I和對心器6相連，相移干涉儀I放置干涉儀調(diào)整架2上并固定在直線導軌9和10的中間，對心器6安裝在精密旋轉(zhuǎn)軸系7上，精密旋轉(zhuǎn)軸系7固定在對心器調(diào)整架8上并放置在直線導軌9和10上。被測非球面透鏡3安裝在透鏡支架4上、透鏡支架4固定在透鏡調(diào)整架5上并放置在直線導軌9和10上。通過對心器6將相移干涉儀I的光軸和被測非球面透鏡3的兩光學面球心像調(diào)節(jié)到同軸后，利用相移干涉儀I測量被測非球面透鏡3的非球面面形數(shù)據(jù)，由安裝在計算機系統(tǒng)11上的數(shù)據(jù)處理軟件對所測得的數(shù)據(jù)進行處理，得到被測非球面透鏡3的偏心信息。透鏡調(diào)整架5可為四維透鏡調(diào)整架。對心器調(diào)整架8可為二維對心器調(diào)整架。本發(fā)明系統(tǒng)的工作過程及檢測步驟如下·
第一步如圖2所示，先將干涉儀I放置在干涉儀調(diào)整架2上，并放置在導軌9和10的中間，然后將對心器6安裝在精密旋轉(zhuǎn)軸系7上并固定在調(diào)整架8上，再將其放置在導軌9和10上，最后將對心器6與計算機系統(tǒng)11相連。沿導軌移動調(diào)整架8，通過對心器6觀察干涉儀I透鏡前、后表面的球心像，通過反復調(diào)節(jié)調(diào)整架2和調(diào)整架8使兩球心像均在對心器6的回轉(zhuǎn)軸上。第二步如圖I所示，將被測非球面透鏡3的非球面朝上固定在透鏡支架4上，然后將透鏡支架4安裝到透鏡調(diào)整架5上并放置在導軌9和10上。沿導軌移動調(diào)整架8或調(diào)整架5，通過對心器6觀察被測非球面透鏡3的兩光學面的球心像，通過反復調(diào)節(jié)調(diào)整架5使兩球心像均在對心器6的回轉(zhuǎn)軸上。第三步沿導軌移動調(diào)整架5，使被測非球面透鏡3位于其非球面最接近球的共焦位置，利用計算機系統(tǒng)11控制干涉儀I采集被測非球面透鏡3的非球面面形數(shù)據(jù)。第四步如圖3所示，通過安裝在計算機系統(tǒng)11上的數(shù)據(jù)處理軟件提取面形數(shù)據(jù)中圓心在圖像中心的圓環(huán)上的面形數(shù)據(jù)，計算圓環(huán)面形數(shù)據(jù)的最大值、最小值和相位值。由最大、最小值可以計算出非球面頂點偏離基準軸的大?。挥上辔恢悼梢杂嬎愠龇乔蛎骓旤c偏離基準軸的方向。用非球面頂點偏離基準軸的大小除以非球面的頂點曲率半徑即可得非球面的偏心角。最后顯示輸出非球面透鏡的偏心測量結(jié)果。
權(quán)利要求
1.一種高精度高次非球面透鏡偏心測定系統(tǒng)，其特征在于該測定系統(tǒng)包括相移干涉儀(I)、干涉儀調(diào)整架(2)、被測非球面透鏡(3)、透鏡支架(4)、透鏡調(diào)整架(5)、對心器(6)、精密旋轉(zhuǎn)軸系(7)、對心器調(diào)整架(8)、兩個直線導軌(9、10)、以及計算機系統(tǒng)(11)，其中計算機系統(tǒng)(11)與相移干涉儀(I)和對心器(6)相連，相移干涉儀(I)放置干涉儀調(diào)整架(2)上并固定在兩個直線導軌(9、10)的中間，對心器(6)安裝在精密旋轉(zhuǎn)軸系(7)上，精密旋轉(zhuǎn)軸系(7)固定在對心器調(diào)整架(8)上，對心器調(diào)整架(8)放置在兩個直線導軌(9、10)上并可自由滑動，先通過對心器(5 )觀察相移干涉儀第一片透鏡的球心像，并通過調(diào)節(jié)干涉儀調(diào)整架(2)和對心器調(diào)整架(8)使相移干涉儀(I)的光軸與對心器(6)的光軸同軸并平行于兩個直線導軌，然后將被測非球面透鏡(3)安裝在透鏡支架(4)上、透鏡支架(4)固定在透鏡調(diào)整架(5)上，將透鏡調(diào)整架(5)放置在兩個直線導軌(9、10)上并可自由滑動，在保證相移干涉儀(I)和對心器(6)的光軸不動的情況下，通過對心器(6)觀察被測非球面透鏡(3)的兩光學面近軸球心像，并通過調(diào)節(jié)透鏡調(diào)整架(5)使被測非球面透鏡(3)的兩光學面近軸球心像均在對對心器(6)的光軸上，最后利用相移干涉儀(I)測量被測非球面透鏡(3)的非球面面形數(shù)據(jù)，由安裝在計算機系統(tǒng)(11)上的數(shù)據(jù)處理軟件對所測得的數(shù)據(jù)進行處理，得到被測非球面透鏡(3)的偏心信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高精度高次非球面透鏡偏心測定系統(tǒng)，其特征在于采用相移干涉儀和對心器來共同完成非球面偏心的測量。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高精度高次非球面透鏡偏心測定系統(tǒng)，其特征在于被測非球面透鏡和對心器均放置在兩個直線導軌上并可自由移動。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高精度高次非球面透鏡偏心測定系統(tǒng)，其特征在于對心器可以與計算機相連以便實時顯示對心結(jié)果，也可以不與計算機相連直接用人眼觀察對心器。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高精度高次非球面透鏡偏心測定系統(tǒng)，其特征在于該檢測系統(tǒng)中若被測非球面透鏡的非球面度過大，不能一次測量得整個面形數(shù)據(jù)時可以測量多個環(huán)帶的面形信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高精度高次非球面透鏡偏心測定系統(tǒng)，其特征在于該檢測系統(tǒng)不僅能測一面為非球面的透鏡，也能測兩面均為非球面的透鏡，在測量兩面均為非球面的透鏡時，需要翻轉(zhuǎn)透鏡進行測量。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種高精度高次非球面透鏡偏心測定系統(tǒng)，其特征在于該檢測系統(tǒng)在測量過程中，當干涉儀在測量非球面的面形時，被測透鏡只能沿導軌滑動，不能調(diào)節(jié)平移或傾斜以免基準軸發(fā)生偏離。
8.一種高精度高次非球面透鏡偏心測定方法，其特征在于包括如下步驟 步驟1，調(diào)整對心器和干涉儀，使得兩者的光軸重合并與兩個直線導軌平行； 步驟2，放入被測非球面透鏡，并將非球面透鏡兩光學面的球心像調(diào)整到對心器的光軸上； 步驟3，通過干涉儀測量被測非球面透鏡上非球面的面形數(shù)據(jù)； 步驟4，運用非球面偏心數(shù)據(jù)處理軟件處理測得的面形數(shù)據(jù)，得到被測非球面的偏心信肩、O
全文摘要
本發(fā)明提供一種高精度高次非球面透鏡偏心測定系統(tǒng)及方法，包括相移干涉儀、干涉儀調(diào)整架、被測非球面透鏡、透鏡支架、透鏡調(diào)整架、對心器、精密旋轉(zhuǎn)軸系、對心器調(diào)整架、直線導軌及計算機系統(tǒng)，被測非球面透鏡固定在透鏡支架上，支架固定在透鏡調(diào)整架上，透鏡調(diào)整架放置在直線導軌上；對心器固定在精密旋轉(zhuǎn)軸系上，精密旋轉(zhuǎn)軸系安裝在對心器調(diào)整架上并放置在直線導軌上；相移干涉儀放置在干涉儀調(diào)整架上并固定在直線導軌中間，用干涉儀測得被測非球面透鏡上非球面的面形數(shù)據(jù)，從面形數(shù)據(jù)中提取出多個同心圓形環(huán)帶上的數(shù)據(jù)，根據(jù)各環(huán)帶面形數(shù)據(jù)的最大、最小值以及相應(yīng)的相位信息計算出該非球面的頂點位置，進而可以算出該非球面透鏡的偏心大小。
文檔編號G01B11/24GK102944194SQ20121047565
公開日2013年2月27日 申請日期2012年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月21日
發(fā)明者劉海濤, 曾志革, 伍凡, 范斌, 萬勇建, 侯溪 申請人:中國科學院光電技術(shù)研究所