非球面光学元件检测方法

一种测量非球面光学零件面形的新方法北京机械工业学院(100085)　张晓青　祝连庆　董明利摘　要:根据激光扫描平移加旋转法的测量原理,推导出了非球面光学零件面形测量的数学模型;对一个非球面反射镜进行了实测并对测量结果进行插值运算,进而拟合出零件面形的曲线方程。

关键词:面形测量,　非球面光学零件,　激光扫描测量,　平移加旋转法,　插值,　曲线拟合A N e w Method of Surface Shape Measurement of Aspherical Optical ComponentsZhang X iaoqing et alAbstract:The mathematical m odel of the surface shape measurement of aspherical optical components is built up according to the laser scanning measurement principle by the translation&rotation method.An aspherical reflector is tested and testing data are processed by the interpolation calculation,then the curve equation of the component surface shape is fitted.K eyw ords:shape measurement,　aspherical optical component,　laser scanning measurement,　translation&rotation method,　interpolation,　curve fit 1　引言应用于航空航天、国防等领域的许多高科技产品对其零件的加工精度和检测精度提出了很高要求。

大口径非球面误差拼接检测方法1 前言非球面光学元件，是指面形由多项高次方程决定、面形上各点的半径均不相同的光学元件[1]。

非球面镜属于特殊表面,它具有许多独特的性质。

光学非球面元件相比球面而言，能提高光学系统的相对口径比，因此可简化结构，同时非球面能消除球面元件在光传递过程中产生的球差、慧差、像差、场曲等不利影响，减少光能损失，从而获得高质量的图像效果和高品质的光学特征[2]。

当前非球面广泛应用在航天航空、国防、天文、医疗以及光电等高技术领域，其中大口径光学非球面元件( 400 mm 以上) 在激光核聚变装置、高能激光、红外热成像、卫星用光学系统、大型天文望远镜、医疗影像设备等国家重大光学工程及国防尖端技术中需求急速增长，而中小型非球面更多应用于民用光电产品领域，作为信息传递的关键组件，在计算机、光通讯、手机、数码照相机以及视听设备等各种最新的电子产品中，起着极其重要的作用[3-5]。

随着超精密磨削加工技术的不断发展，光学元件正在向小型高精度化和大型高精度化方面快速发展[6-8]。

随着光学元件的设计与制造技术的发展与应用，对大尺寸光学元件的加工与检测提出了更高的要求，然而高精度非球面光学元件的加工与检测技术一直以来都是光学制造业的技术难点，尤其是大口径高精度非球面，其半精加工、精加工、抛光等各加工阶段的检测技术制约着加工精度和效率的提高[9]。

为满足大口径非球面的测量，国内外相继出现了一些中小口径非球面检测仪器测量大口径非球面的拼接检测方法，目前主要有子孔径拼接干涉法和基于三坐标测量的轮廓拼接技术。

这两种技术的测量原理都是将大口径非球面划分为若干个具有重合部分的轮廓段进行测量，由于重合部分的面形在非球面的测量过程中是没有发生变化的，因此可以利用轮廓段之间的重合部分，推导出两段轮廓的拼接变换矩阵，然后以其中一段轮廓坐标系作为基准，运用该变换矩阵将其他轮廓段的坐标系经过旋转、平移至与基准轮廓的坐标系重合，以实现拼接。

非球面加工与检测技术郭培基苏州大学现代光学技术研究所12主要内容非球面概述非球面加工非球面检测大口径非球面反射镜在空间和天文上的应用苏州大学的工作一、非球面概述广义非球面：不能用球面定义描述的面形（即不能用一个半径确定的面形），其中有旋转对称的非球面和非旋转对称的非球面；有关于轴对称的面形；有排列有规律的微结构阵列；有包含衍射结构的光学表面；还包含形状各异的自由曲面。

3一、非球面概述狭义的非球面主要指是旋转对称的非球面，能够用含有非球面系数的高次多项式来表示，其中心到边缘的曲率半径连续发生变化。

离轴非球面是旋转对称非球面的一部分，但其所在部分的中心轴与旋转对称轴有偏离。

46一、非球面概述当高次项系数都为零时，上式只有第一项，为常用二次曲面k >0k =10k −<<1k =−1k <−扁圆(也称扁椭圆)圆椭球面抛物面双曲面7一、非球面概述光学系统应用非球面可易于校正除场曲外的各种单色像差。

如：在光阑附近使用可校正各带的高级球差，在像面前或离光阑较远的位置使用可校正像散和畸变。

球面透镜非球面透镜一、非球面概述系统中采用非球面，可简化系统结构、提高系统性能(如相对孔径、视场角、光照均匀性、成像质量等)。

17世纪，非球面就应用于反射望远系统中来校正球差，之后，在一些像质要求不高的系统，如照明器中的反射、聚光、放大等系统中也开始用非球面。

8一、非球面概述随光学加工工艺和检测技术的提高，非球面光学元件已在国防、空间科学、核能以及一些工业、民用领域获得了广泛应用。

高精度：军用航空航天系统、空间遥感测绘、光学数据存储、光刻、激光核聚变的光学系统等中精度：红外探测、照相设备及视频成像系统（尤其变焦距镜头）、投影电视、医用内窥镜、光纤系统、扫描仪、打印机等。

9制造困难：1、加工工艺2、检测原因:非球面一般只有一根对称轴，而球面有无数对称轴，球面加工时的对研方法很难用；非球面表面各点曲率半径不同，而球面各点相同，所以面形不易修正，干涉检测困难。

一种非球面镜检测光轴的快速标定方法及装置本文提出了一种用于非球面镜检测光轴的快速标定方法和装置。

该方法利用一个光学棱镜将被测非球面镜反射出的光束转化为水平和垂直方向的光束，通过对这两个方向上的光束进行测量，得到非球面镜的光轴方向和位置。

具体实现中，利用两个摄像头分别采集水平和垂直方向上的光束图像，并通过图像处理算法计算出光束的中心位置。

利用相机和棱镜之间的几何关系，可以根据光束中心位置计算出非球面镜的光轴。

实验结果表明，该方法可以实现高精度的光轴标定，同时具有实验简便、成本低廉和快速的优点。

关键词：非球面镜、光轴标定、光学棱镜、图像处理1.引言非球面镜广泛应用于光学系统中，例如人工晶体制造、光学加工和光学显微镜等领域。

在这些应用中，非球面镜的光轴是一个重要的参数，光轴的精确位置和方向对于保证光学系统的性能具有关键性作用。

准确地测量和标定非球面镜的光轴是非常重要的。

目前，常用的非球面镜光轴标定方法主要有三种：倒像投影法、等离子体反射法和扫描测量法。

这些方法都涉及到复杂的光学设备和手段，例如多面镜、闪光灯和精密扫描仪等，实验成本较高，操作复杂，不适用于一些应用需要快速、简便的场合。

为了解决这些问题，本文提出了一种用于非球面镜检测光轴的快速标定方法和装置。

该方法通过一个光学棱镜将被测非球面镜反射出的光束转化为水平和垂直方向的光束，通过对这两个方向上的光束进行测量，得到非球面镜的光轴方向和位置。

2.实验原理2.1 光学棱镜的设计原理如图1所示，我们设计的光学棱镜包括两个倾斜的面。

当被测非球面镜偏离光轴时，反射出的光束不会垂直于棱镜表面，而是被偏转一定角度。

此时，反射光束在垂直和水平平面上的方向角度会有所改变。

我们设计的棱镜通过摆放角度的倾斜，能够将反射出的光束分离成水平和垂直平面上的两束光，使测量光束的方向角度变得简单，且可以用两个独立摄像头进行测量。

2.2 光轴标定原理如图2所示，我们使用两个垂直摆放的摄像头来拍摄被棱镜反射出来的光束图像。

超高精度非球面检测技术研究1、本文概述随着现代光学技术的飞速发展，非球面光学元件在各种高精度光学系统中发挥着越来越重要的作用。

非球面由于能够减少光学系统中的球面像差和色差，提高成像质量，已成为高性能光学系统设计的关键部件。

非球面的制造和检测技术比传统的球面光学元件复杂得多，尤其是对于超高精度非球面形状检测，需要更严格的技术要求。

本文旨在对超高精度非球面的检测技术进行深入研究。

首先介绍了非球面光学元件的应用背景和重要性，然后详细阐述了当前非球面检测中存在的主要问题和挑战。

通过对现有检测技术的分析和比较，本文提出了一种新的超高精度检测方法，可以有效提高非球面检测的精度和效率。

文章随后对所提出的检测技术进行了详细的理论分析和数学建模，验证了该方法的理论可行性。

本文还设计了一系列实验来验证所提出方法的实际有效性，并通过与其他现有技术的比较，展示了新方法的优势和潜在的应用价值。

本文总结了研究成果，展望了非球面检测技术的未来发展趋势，为相关领域的研究人员和工程师提供了有益的参考和启示。

2、超高精度非球面检测技术的理论基础在现代光学制造和精密工程领域，非球面的设计和制造是实现高性能光学系统的关键。

超高精度非球面检测技术的理论基础主要涉及几何光学、物理光学、光学检测原理和数据处理方法。

几何光学为非球面提供了一种基本的定义和描述方法。

非球面是指不满足球面方程旋转对称性的光学表面。

这些类型的曲面通常是通过数学表达式或多项式来定义的，例如泽尼克多项式，它可以描述曲面形状的局部曲率和形状偏差。

物理光学进一步解释了光与非球面之间相互作用的原理。

当光波穿过非球面或从非球面反射时，其传播和偏转特性会受到表面细节的影响。

非球面几何参数的精确测量和控制对于确保光学系统的性能至关重要。

光学检测的原理包括干涉测量、散斑测量和聚焦测量等技术。

干涉测量是一种常用的高精度检测方法，通过比较参考光和测试光之间的相位差来测量表面形状。

散斑测量利用光的散射特性来评估表面质量。

2020.26科学技术创新非球面面型检测新原理研究胡月（河北民族师范学院机电工程学院，河北承德067000）1国内外现状及动态分析1.1轮廓测量法轮廓测量法是指通过扫描获得非球面面型相关数据，通过重构获得被测面型一种方法。

按探针测量方式，可分为接触式和非接触式两种[1]，在前者中，三坐标测量是常用方法，其是通过测量非球面表面以实现测量；后者基本结构与前者相同，主要差别是测量探针，后者采用激光测量，由于其非接触，所以此方法可避免被测表面划伤，也可获得较高精度。

1.2干涉测量法（1）无像差点针对非球面面型，应用无像差点不需要补偿装置可直接实现测量，且精度较高，但检测过程需引入附加平面，所以其测量范围受到了限制。

图1所示为无像差点对椭圆面的检测示意图。

图1无像差点检测示意图（2）补偿镜法苏联科学家最早提出补偿镜，后逐步演变为多种方法，其中，Offner 补偿镜最为普及，其校正了非球面球差，补偿精度高。

图2所示为Offner 补偿镜检测示意图。

图2Offner 补偿镜检测示意图（3）计算全息图法计算全息图是利用计算机生成波前全息图案，后制备图案基底，当光照时，就会复现全息记录。

利用此原理可生成与之匹配的非球面波，进行实现面型检测。

图3所示为计算全息对非球面的检测示意图。

图3计算全息检测非球面示意图（4）环带拼接法由于非球面测量焦点与球心不重合，所以不能实现零位测量。

但对于对称非球面，其沿干涉仪运动会生成环形干涉图，尽管一个位置不能测量整个面型，若将多位置测量数据“拼接”，则可实现面型的全部测量。

（5）子孔径拼接法与环带拼接近似，通过多位置测量“拼接”，最终实现面型检测。

二者区别在于：子孔径拼接时，非球面需要进行光轴方向移动的同时，还要进行平移和倾斜，其可获得较高横向分辨率。

（6）亚奈奎斯特采样法亚奈奎斯特采样发，先使用“亚奈奎斯特”探测器实现亚奈奎斯特采样，后应用特殊解包方法实现非球面面型测量。

1.3几何光学测量法（1）刀口阴影法刀口阴影法常用于大口径元件面型误差的现场检测，其灵敏度高，检测效率高，不易划伤镜面。

光学非球面新型检测原理与技术嘿，大家知道吗？在光学的奇妙世界里，有个超厉害的东西叫光学非球面新型检测原理与技术呢！想象一下，我们的眼睛就像是超级精密的光学仪器，能看到五彩斑斓的世界，而光学非球面就是让我们能看得更清晰、更准确的关键之一。

那这个检测原理与技术到底是怎么回事呢？简单来说，就好像我们要去检查一个特别复杂的拼图是不是完整无缺。

我们需要非常仔细地去观察每一个小块，看看它们是不是都在正确的位置上，有没有缺失或者变形。

光学非球面的检测也是这样，要对那些曲面进行超级精细的“扫描”，确保它们的形状和性能都符合要求。

比如说，就像我们在挑选一个完美的足球，我们要看看它的表面是不是光滑，有没有凹凸不平的地方。

如果有，那这个足球踢起来可能就不那么顺手啦！同样的道理，光学非球面如果有一点点瑕疵，都会影响到整个光学系统的表现哦。

在这个检测过程中，有各种各样的技术和工具就像我们的小助手一样。

它们能帮助我们发现那些微小的问题，就像放大镜能让我们看清蚂蚁身上的细节一样。

而且，这些技术还在不断进步和发展呢，就像我们的手机不断更新换代一样，变得越来越厉害。

想象一下，如果没有这些先进的检测原理与技术，我们的眼镜可能就没那么清晰，相机拍出来的照片可能就没那么美，那些高科技的光学设备可能就没法正常工作啦。

所以啊，光学非球面新型检测原理与技术可真是太重要啦，它们就像是光学世界里的守护天使，让一切都变得更加
美好和清晰呢！。

非球面光学元件检测方法利用计算机软件控制空间光调制解调器（SLM）形成检测所需的图样，此调制图样经过光学系统投射到光学元件上，得到反射图样，再进行后期数据处理。

该系统可以完成对反射图样的判读处理、自动采集、波面和波差值的三维立体图[2]，原理框架图如图1所示。

图1 非球面检测原理的框架图为了更好的达到实验设计的要求，实验之前，对某些数值需要进行计算机模拟。

模拟过程的光学原理：系统投射出的平行光经过非球面被测物体反射到投影系统，经过投影系统的透射与立方棱镜的反射最后投射到CCD摄像机的接收面。

进行计算机模拟的目的：（1）完成理论计算，被测元件与参考球面垂轴距离y，CCD摄像机接收面上检测距离d，算出他们之间的公式关系；（2）借助计算机和C语言，模拟出垂轴距离，与计算出的垂轴距离作比较，并输出各自的数据；（3）根据输出的数据，利用excel进行制表，作出根据理论计算得到的非球面曲线和模拟出的非球面曲线。

2.1.2 理论计算将半反半透镜'P、透镜L、接收屏和非球面按照如图2所示放置，向此光路系统透射入一与光轴平行的光线HA，经透镜L汇聚交于非球面，再反射到透镜L 上，形成另一束与光轴平行但方向相反的光线BG。

若此时将非球面换为参考球面，球心与透镜L的焦距重合，光线按原路返回。

假设非球面与参考球面的同球心误差为h，平行入射光线与平行反射光线在接收屏上的间距为d，取非球面的方程为抛物线方程进行理论计算。

郎奇检验法系统组成及工作原理此检测方法选用的装置包括光源、Ronchi光栅（透射式黑白线性光栅）、CCD 图像采集装置和被检反射镜面，如图3所示。

透射过的Ronchi光栅的像经过被测非球面的反射回落到光栅上，前提是光栅在被放置在非球面的曲率中心位置，从而产生莫尔条纹，根据莫尔条纹的变形来计算出被检镜面的面形误差，其中的莫尔条纹可以看作是由衍射和干涉共同作用产生的结果。

其检测具体过程如下：（1）绘制及刻划Ronchi光栅，分为两个步骤：第一步是根据被加工镜面的方程和检测光路来计算出郎奇光栅方程。

非球面光学元件检测方法学院：光电学院学号：2520120037姓名：张宇碟2012 年11 月摘要：随着当今社会生活要求的提高，非球面在越来越广泛的领域所运用，因此非球面的质量迫切需要提高，非球面的检测技术成为研究的热点。

该文阐述了光学投影式、郎奇检验法、曲面CGH全息图检测法和双波带板产生径向剪切干涉法四中比较热门的非球面检测法，介绍了上述几种方法的原理、光学系统和数据处理方式，并且归纳了检测技术总体的发展趋势。

关键词:非球面；检测方法；郎奇光栅；波带板；剪切干涉1 绪论1.1 非球面的定义以及检测方法的分类1.1.1 引言人们在几百年前就认识到非球面光学元件在光学应用上相对于球面光学元件有很多优势。

但是由于受到加工水平和加工工艺的限制，一直以来非球面光学元件没有得到真正的广泛应用。

直到上世纪七十年代，非球面镜片才开始不断的被应用到实际生产中。

由于实际生产的需要，人们不断的尝试加工出更精确的非球面光学元件，因此非球面光学技术得到发展。

八十年代后，由于计算机的应用和激光干涉技术的发展，非球面技术得到了蓬勃的发展。

非球面光学元件的面形质量直接影响其成像质量，是其广泛应用的最关键的技术之一，面形质量就是指加工制成的表面形状和理论形状的符合程度。

对光学表面来说，表面的实际形状相对于理论形状允许一定的偏差。

一般用光的波长的几分之几来表示。

光学元件的面形检测就是指找到实际面形相对于理论形状的偏差。

找到这个偏差就是检验的基本目的。

1.1.2 非球面的定义：非球面是相对于球面定义的，球面是由一个参数，即球面半径来决定它的面形，而非球面可以拥有多个参数，参数之间没有一定的关系可循，可以是连续变化的。

按照有无回转轴可以将非球面划分为两大类：有回转轴的包括抛物面、椭圆面等；没有回转轴的包括离轴抛物面等[1]。

面上每一点的曲率半径都相同的面为球面。

而面上每一点的曲率半径随着曲面的位置而改变的面就是非球面。

非球面分为凸非球面和凹非球面两大类，包括双曲面、抛物面、椭圆面等等。