凸雙曲面Hindle檢測中的高精度幾何量測量方法
【專利摘要】凸雙曲面Hindle檢測中的高精度幾何量測量方法，涉及非球面檢測領域，解決了現有方法存在的精度低、重復性差、不準確的問題。該方法為調整干涉儀、Hindle球反射鏡和凸雙曲面對凸雙曲面干涉檢測，使面形誤差均方根值最小；將激光跟蹤儀靶標球放在凸雙曲面外焦點，對其表面干涉檢測，并將傾斜和離焦調至最小，測量其空間坐標；采用激光跟蹤儀測量凸雙曲面表面特征；移開凸雙曲面，對Hindle球反射鏡干涉檢測，并將傾斜和離焦調至最小；將激光跟蹤儀靶標球放在凸雙曲面內焦點，對其表面干涉檢測，并將傾斜和離焦調至最小，測量其空間坐標；構建檢測光軸直線和間隔計算出幾何量。本發明測量精度約為0.05mm，精度高，重復性好。
【專利說明】凸雙曲面H i nd I e檢測中的高精度幾何量測量方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及非球面檢測【技術領域】，具體涉及一種凸雙曲面Hindle檢測中的高精度幾何量測量方法。
【背景技術】
[0002]在光學非球面的制造中，頂點曲率半徑R、二次常數K等幾何參數是表述非球面的重要參數，只有幾何參數控制在其設計的公差范圍內，才能夠滿足非球面的制造要求并應用到高質量的成像系統中。不同的非球面面形測量結構，需要采用不同的測量方法來完成。
[0003]在凸雙曲面檢測中，Hindle檢測是經常采用的一種面形檢測方法。Hindle檢測屬于無像差點檢測方法的一種，根據雙曲面的特點，位于雙曲面外焦點的點光源發出的球面波經過理想雙曲面反射，出射的發散光束為理想球面波，其匯聚中心位于雙曲面的內焦點；設計一個球面反射鏡(Hindle球)，使其球心位于雙曲面的內焦點，則上述的發散光束經過Hindle球反射后沿原路返回，最后匯聚至初始的點光源。采用干涉儀配備合適的球面標準鏡即可實現凸雙曲面的干涉檢測。
[0004]目前，對于小口徑、小曲率半徑的凸雙曲面，Hindle檢測中的幾何量測量通常采用鋼尺或固定長度的間隔桿等工具進行測量。這種測量方法采用人為估讀的方式，并且鋼尺等工具測量的精度較低；由于不能直接測量外焦點，導致測量重復性差；Hindle球存在中心孔，其與凸雙曲面之間的距離測量難以操作，存在系統誤差；測量中Hindle球的頂點曲率半徑會耦合到測量的誤差當中，影響到測量的結果。這種方法的測量精度約為0.5mm，只能在幾何量公差較大時能夠滿足測量精度要求，并且不適合應用在大口徑、長曲率半徑的凸雙曲面的測量。
【發明內容】
[0005]為了解決現有凸雙曲面幾何量測量方法存在的測量精度(約為0.5mm)低、測量重復性差、測量結果不準確的問題，本發明提供一種適合大口徑、長曲率半徑凸雙曲面Hindle檢測中的高精度幾何量測量方法，主要測量凸雙曲面的頂點曲率半徑R和二次常數K。
[0006]本發明為解決技術問題所采用的技術方案如下:
[0007]本發明的凸雙曲面Hindle檢測中的高精度幾何量測量方法，該方法由以下步驟實現:
[0008]步驟一、調整第一干涉儀、Hindle球反射鏡和凸雙曲面的相對位置和角度，使第一干涉儀對凸雙曲面進行干涉檢測，繼續調整第一干涉儀和凸雙曲面使面形誤差的均方根值最小；
[0009]步驟二、將激光跟蹤儀的靶標球放置在凸雙曲面的外焦點處，調整靶標球使第一干涉儀對靶標球表面進行干涉檢測，并將檢測結果中的傾斜和離焦調整至最小，同時采用激光跟蹤儀測量此時祀標球的空間坐標；
[0010]步驟三、采用激光跟蹤儀測量凸雙曲面的表面特征；
[0011]步驟四、移開凸雙曲面，調整第二干涉儀對Hindle球反射鏡進行干涉檢測，并將檢測結果中的傾斜和離焦調整至最小；
[0012]步驟五、將激光跟蹤儀的靶標球放置在凸雙曲面的內焦點處，調整靶標球使第二干涉儀對靶標球表面進行干涉檢測，并將檢測結果中的傾斜和離焦調整至最小，同時采用激光跟蹤儀測量此時祀標球的空間坐標；
[0013]步驟六、根據步驟二、三、五中的測量結果，利用激光跟蹤儀中的軟件構建檢測光軸直線和間隔，計算出頂點曲率半徑R和二次常數K。
[0014]步驟一中，所述調整第一干涉儀、Hindle球反射鏡和凸雙曲面的相對位置和角度，指的是調整第一干涉儀使其發出的檢測光經過Hindle球反射鏡的中心孔后覆蓋凸雙曲面的整個孔徑，調整Hindle球反射鏡使得檢測光返回至第一干涉儀的視場內并形成干涉條紋，實現對凸雙曲面面形的干涉檢測。
[0015]工作原理:干涉儀對靶標球實現對準檢測并將傾斜和離焦調整至接近零后(受檢測環境影響不能恰好為零)，干涉儀出射光的匯聚中心就是靶標球的球心，而激光跟蹤儀進行測量時的空間坐標就是靶標球的球心坐標，因此激光跟蹤儀測量得到的就是干涉儀出射光的匯聚中心。根據凸雙曲面的Hindle檢測原理，上述的兩臺干涉儀出射光匯聚中心分別是凸雙曲面的外焦點和內焦點，連接兩個焦點的直線就是檢測光路中的光軸；構建光軸與鏡面的交點即為凸雙曲面的頂點，并計算內外焦點到鏡面頂點距離，根據凸雙曲面的定義就能夠計算出頂點曲率半徑R和二次常數K。
[0016]本發明的有益效果是:本發明利用激光跟蹤儀實現了凸雙曲面Hindle檢測中的高精度幾何量測量，解決了現有測量方法誤差復雜、測量精度低的問題，測量結果中不包含Hindle球的頂點曲率半徑誤差，適合在大口徑、長曲率半徑的凸雙曲面的測量中應用，具有原理清晰、易操作的優點，為凸雙曲面反射鏡的制造提供了保障，本發明的測量方法測量精度約為0.05mm，精度高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為采用本發明的方法利用激光跟蹤儀測量凸雙曲面表面特征和凸雙曲面外焦點的示意圖。
[0018]圖2為采用本發明的方法測量凸雙曲面內焦點的示意圖。
[0019]圖中:1、第一干涉儀，2、激光跟蹤儀，3、Hindle球反射鏡，4、凸雙曲面，5、外焦點，5 ^、第一干涉儀出射光的匯聚點，6、內焦點W、第二干涉儀出射光的匯聚點，6"、Hindle球反射鏡的球心，7、第二干涉儀。
【具體實施方式】
[0020]以下結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0021]本發明的凸雙曲面Hindle檢測中的高精度幾何量測量方法，所說的幾何量指的是凸雙曲面4的頂點曲率半徑R和二次常數K，該方法包括以下步驟:
[0022]步驟一、如圖1所示，調整第一干涉儀I使其發出的檢測光經過Hindle球反射鏡3的中心孔后覆蓋凸雙曲面4的整個孔徑，調整Hindle球反射鏡3使得檢測光返回至第一干涉儀I的視場內并形成干涉條紋，實現對凸雙曲面4面形的干涉檢測；繼續調整第一干涉儀I和凸雙曲面4使面形誤差均方根最小，并且傾斜和離焦也較小，記錄此時傾斜和離焦的系數以進行誤差補償；
[0023]步驟二、將激光跟蹤儀2放置到檢測光路的側面，并保證激光跟蹤儀2能夠測量到第一干涉儀I出射光的匯聚點5 '、凸雙曲面4的表面和側面、第二干涉儀7出射光的匯聚點6丨;將激光跟蹤儀2的靶標球放置在球座上并安裝在調整架上，然后將靶標球放置在第一干涉儀I出射光的匯聚點5 '附近，調整靶標球使得第一干涉儀I對靶標球球面進行干涉檢測，繼續調整靶標球使得傾斜和離焦最小，此時，第一干涉儀I出射光的匯聚點5丨與凸雙曲面4的外焦點5重合，采用激光跟蹤儀2測量此時靶標球的空間坐標，即凸雙曲面4的外焦點5的空間坐標(x5, j5, z5)；
[0024]步驟三、采用激光跟蹤儀2測量凸雙曲面4的表面S ；
[0025]步驟四、如圖2所示，移開凸雙曲面4，調整第二干涉儀7實現對Hindle球反射鏡3的干涉檢測，并將檢測結果中的傾斜和離焦調整至最小，此時，第二干涉儀7出射光的匯聚點6 ’與Hindle球反射鏡3的球心6"重合，注意保持Hindle球反射鏡3不動，這個過程只調整第二干涉儀7 ；
[0026]步驟五、將激光跟蹤儀2的靶標球放置在球座上并安裝在調整架上，然后將靶標球放置在第二干涉儀7出射光的匯聚點6 ’附近，調整靶標球使得第二干涉儀7對靶標球球面進行干涉檢測，繼續調整靶標球使得傾斜和離焦最小，此時，第二干涉儀7的匯聚點6 '與凸雙曲面4的內焦點6重合；采用激光跟蹤儀2測量此時靶標球的空間坐標，即凸雙曲面4的內焦點6的空間坐標(x6, y6, z6)；
[0027]步驟六、根據步驟二中測量得到的凸雙曲面4的外焦點5的坐標(x5，y5，z5)和步驟五中測量得到的凸雙曲面4的內焦點6的坐標(x6，y6，z6)構建出檢測光軸直線L，光軸直線L與步驟三中測量得到的凸雙曲面4表面S的交點設為C，交點C的坐標設為(X。，y。，zc)，分別計算凸雙曲面4的外焦點5、凸雙曲面4的內焦點6與交點C的距離，外焦點5與交點C的距離設為dl，內焦點6與交點C的距離設為d2，則根據雙曲面的定義，頂點曲率半徑R和二次常數K分別由下面兩個公式計算得到:
【權利要求】
1.凸雙曲面Hindle檢測中的高精度幾何量測量方法，其特征在于，該方法由以下步驟實現: 步驟一、調整第一干涉儀(I)、Hindle球反射鏡(3)和凸雙曲面(4)的相對位置和角度，使第一干涉儀⑴對凸雙曲面⑷進行干涉檢測，繼續調整第一干涉儀⑴和凸雙曲面(4)使面形誤差的均方根值最小； 步驟二、將激光跟蹤儀⑵的靶標球放置在凸雙曲面⑷的外焦點(5)處，調整靶標球使第一干涉儀(I)對靶標球表面進行干涉檢測，并將檢測結果中的傾斜和離焦調整至最小，同時采用激光跟蹤儀(2)測量此時靶標球的空間坐標； 步驟三、采用激光跟蹤儀⑵測量凸雙曲面⑷的表面特征； 步驟四、移開凸雙曲面(4)，調整第二干涉儀(7)對Hindle球反射鏡(3)進行干涉檢測，并將檢測結果中的傾斜和離焦調整至最小； 步驟五、將激光跟蹤儀⑵的靶標球放置在凸雙曲面⑷的內焦點(6)處，調整靶標球使第二干涉儀(7)對靶標球表面進行干涉檢測，并將檢測結果中的傾斜和離焦調整至最小，同時采用激光跟蹤儀(2)測量此時靶標球的空間坐標； 步驟六、根據步驟二、三、五中的測量結果，利用激光跟蹤儀(2)中的軟件構建檢測光軸直線和間隔，計算出頂點曲率半徑R和二次常數K。
2.根據權利要求1所述的凸雙曲面Hindle檢測中的高精度幾何量測量方法，其特征在于，步驟一中，所述調整第一干涉儀(I)、Hindle球反射鏡(3)和凸雙曲面(4)的相對位置和角度，指的是調整第一干涉儀(I)使其發出的檢測光經過Hindle球反射鏡(3)的中心孔后覆蓋凸雙曲面(4)的整個孔徑，調整Hindle球反射鏡(3)使得檢測光返回至第一干涉儀(I)的視場內并形成干涉條紋，實現對凸雙曲面(4)面形的干涉檢測。
【文檔編號】G01B11/24GK104075668SQ201410311670
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年7月1日 優先權日:2014年7月1日
【發明者】陳新東, 張斌智 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所