激光跟踪仪检验非球面面形的方法

　　0　引言

　　在光学系统中采用非球面光学元件，不仅可以降低系统的复杂程度，而且可以大幅度提高系统性能.因此，非球面光学元件是军用、民用高性能光学系统的核心元器件，在航空、航天遥感，天文观测、深空探测和光电跟踪仪器，光刻物镜，高性能照相(摄像)机镜头等诸多光电仪器领域具有广泛的应用[1-3].

　　与传统的球面光学元件相比，非球面具有很高的加工、检测难度，是限制其广泛应用的主要技术瓶颈.当前，检验非球面元件的方法有很多种，主要分为接触式测量和非接触式测量.接触式测量主要借助轮廓仪或者三维坐标测量仪通过对光学元件进行多个离散点的测量，然后经过数据处理，拟合得到面形误差[4-6].非接触式测量主要有阴影法、激光扫描法、干涉法等[7-9].阴影法主要分为刀口法和哈特曼法，该方法主要观察阴影分布的图形和阴影图的明暗对比.这种方法设备简单，对于某些二次曲面测量方便，适于现场检验.但存在主观、定量困难、灵敏度欠高等缺点.激光扫描法可分平移法、旋转法，以及平移旋转法，这是一种利用光的直线性进行面形检测的方法，通过用激光束对被测面进行逐点测量可计算出非球面的面形参量.它通用性强，可以测量各种非球面，而且是对被测面进行绝对测量，准确度高，缺点是相应的数据处理比较复杂.干涉法是一种短时间检测非球面的方法，它具有高分辨、高准确度、高灵敏度、重复性好等优点[10-13]，但是利用该技术测量非球面面形时，需要专门设计和制造补偿元件.此外，非接触式光学测量要求非球面表面有很好的光洁度和很高的反射能力，甚至很好的面形，因此它们一般适用于非球面精抛光和最终阶段的检测，而对于非球面研磨和粗抛光阶段以及中低准确度非球面面形的测量却很难实现.

　　本文通过扩充激光跟踪仪的现有功能，利用激光跟踪仪的靶标球对非球面表面进行多点接触测量，通过分析对比，可以很好地获得非球面的面形分布信息.该方法主要适用于非球面研磨和粗抛光阶段和中低准确度非球面的面形检测，它无需其他辅助光学元件就能够直接实现对非球面的测量，数据处理和数学运算简单，实验操作简单易行，测量时间短、测试成本低.

　　1　基本原理

　　激光跟踪仪检验非球面面形实验装置如图1，包括计算机、激光跟踪仪、靶标球和待测非球面，激光跟踪仪与计算机进行数据相连.激光跟踪仪是一种高准确度、大容量的便携式三维坐标测量设备，该跟踪仪使用两个旋转角编码器和一个激光距离测量系统，以跟踪和测量靶标球的位置，通过靶标球与待测非球面表面的接触可以测定在跟踪仪系统坐标下该点的坐标值.激光跟踪仪一般用来测量物体之间的相对位置关系，并可以直接检验平面和球面物体的面形，但是对于非球面尤其是离轴非球面的面形却不能实现直接检验.