摆臂式非球面轮廓仪的原理与试验

　　1　引　言

　　随着现代科学技术的发展,光学非球面由于其优异的光学性能,在空间相机、大型望远镜以及红外导引等国防关键技术领域以及民用光电产品方面有着越来越重要的广泛应用。然而高精度高质量的非球面加工和检测技术一直是难点,是制约非球面进一步广泛应用的瓶颈。严格来讲,非球面的加工和检测技术是一个整体,加工-检测-再加工-再检测是非球面加工的必经过程。在某种程度上,获得高质量非球面的关键在于能否提供可靠的、行之有效的检测来指导加工。非球面精磨、粗抛阶段的检测是影响非球面面形收敛精度与速度的关键阶段。此时面形误差尚未达到光波长量级,且表面粗糙度不佳,通常的干涉检测方法存在一定的困难。尽管CO2红外干涉仪从理论上讲是非球面形精磨粗抛阶段的最理想检测方法,但是红外干涉仪价格十分昂贵,而且研制周期长,材料难寻,光不可见[4]。接触式检测方法的精度通常在微米亚微米量级上,满足了精磨粗抛阶段对检测精度的要求,而且相对简单,成本较低。尤其是在大型光学非球面的铣磨和研抛阶段,非球面面形的高精度在位测量是决定面形收敛精度以及收敛速度的关键。摆臂式非球面面形轮廓仪就是专门为解决大型非球面面形的在位测量问题而研制的。摆臂式非球面面形轮廓仪的测量原理最早是由美国Arizona大学光学加工中心的David S.Anderson等人提出的[3],并成功应用于多种直径1~2 m次镜的在位检测加工过程中,其测量精度高达50 nm[123];德国LOH公司也对类似测量原理的非球面面形轮廓仪进行了研究,但主要是针对口径为10~200 mm的小型非球面,并形成了商用化产品,其具体的性能指标有:测量工件的口径为10~200 mm;可以对球面和非球面进行2D和3D的测量;凸面形状可以从平面到超半球,凹面受限于孔径角;仪器分辨力3 nm;量程2 mm;测量力0.02 N;相对测量精度0.06μm,半径精度取决于使用的标定球面,测量方式为接触式扫描测量[6,7]。

　　2　测量原理

　　非球面即与球面有偏离的表面。任何一个非球面都可以通过其最接近球面和相应的偏离量(非球面度)来唯一确定。通过测量非球面与其最接近球面之间的非球面度即可实现非球面面形的高精度测量。图1所示为测量凸非球面时的测量原理,测量凹非球面时的测量原理与此类似,不再赘述。

　　如图1所示,假设被测工件顶点曲率半径为AO=R,顶点为A,曲率中心为O,坐标系(X,Y,Z)的原点为O,Z轴为工件的光轴方向,X,Y,Z满足右手规则。CO为测量回转轴,BC为测量臂,AB为传感器部分,A为测量点,AO1⊥CO,坐标系(X1,Y1,Z1)原点为O1,Z1为方向,X1为方向,X1,Y1,Z1满足右手规则,AO1=L。回转轴CO与光轴AO夹角为θ,同时回转轴CO与光轴AO相交与O点。当测量系统ABC绕回转轴CO转动时A的轨迹即测量轨迹为MAA1M1。当测量系统转动过角度α时,A1O与AO夹角为β。