非球面干涉定心方法研究

　　0　引言

　　非球面光学系统已经广泛应用于空间遥感光学镜头、光刻镜头、光学检测仪器、摄影光学系统中,其优良的特性可以减轻光学系统设计困难、简化结构、扩大视场及相对孔径等[1-2].由于非球面镜常用于近衍射极限光学系统中,其加工和检测的准确度要求非常高,其中非球面定心工艺环节中,不但提出了光轴与基准轴的平行要求,且要求非球面顶点必须位于基准轴上[3-4].正是非球面的光轴唯一性和曲率半径中心处处不同的性质决定了非球面定心与球面定心的差异.相关国标GB7242-87[5]中并未涉及非球面光学反射镜的定心工艺的特殊性.本文试图定义非球面定心的两种误差,讨论了传统方法用于非球面定心工艺中的准确度局限,并讨论了顶点偏心角误差使用干涉检测方法及准确度分析,得出了其检验准确度与非球面陡度之间的关系.

　　1　非球面光轴一致性的定义

　　国标规定球面偏心用其面倾角χ表示,但并未涵盖非球面定心问题.旋转对称非球面有其特殊性,其单个表面即拥有唯一光轴和顶点.光轴为其旋转对称轴,顶点为其光轴与表面的交点.定心是将该光轴与几何基准轴重合的过程.因此直观上必须分别定义两种误差,即光轴与基准轴的角量偏差χ,以及中心顶点与非球面顶点间的线量误差Cd.但是通常上述两种误差方便软件计算而不利于实际定心分析,因此可以模仿透镜中心偏的定义,如图1.

　　基准轴为用来标注、检验和校正非球面中心误差的一条直线,该直线可以使某转台的转轴,也可以是镜面的某一外圆柱面的轴线等.点o为基准轴上理想定心情况下的非球面顶点曲率半径中心,o′为非球面实际顶点曲率半径中心,d为理想定心情况下顶点位置,d′为非球面实际顶点位置.

　　定义:Cd对o所张角量χd,称为顶点偏心角,其物理概念与Cd对等.

　　两曲率半径中心oo′的连线对偏心非球面顶点d′的张角量χc称为球心偏心角.与球面偏心的面倾角相对应χ·

　　实际情况下中两个角一般不共面,但是如下关系始终存在

　　在传统反射式定心仪上,当球心偏心角非零时,绕基准轴回转的非球面将导致定心反射像画圈·而球心偏心角为零,顶点偏心角非零时,回转非球面定心反射像不画圈,但是导致非球面偏心像差.

　　非球面对顶点偏心角非常灵敏,通常近衍射极限光学系统要求顶点偏心的线量Cd小于0.05 mm,但在反射式定心仪上顶点偏心却难以发现和控制.本文讨论的主要是这种顶点偏心量的检测和分析.

　　2   定心仪和圆跳动测量定心方法分析