光学透镜参数现代测量方法研究
0 引 言
随着科学技术的不断发展,过去以目视、光机为主的传统光学测量方法已日益不适应高精度、高效率的科研与生产研究。当今,激光、计算机、光电传感器等技术的飞速发展大大改变了传统光学测量方法的面貌,现代光学测量方法可以代替眼睛进行对准、定焦和读数,通过计算机实时控制,对数据和图像进行采集和处理,从而大大提高对准、定焦准确度,实现测量的自动化,提高工作效率,并且降低对仪器制造精度的要求和减小外界环境对测量的影响,扩大仪器的应用范围。特别是以CCD传感器为代表的各种探测器的成熟,光电探测器在光学测量技术中具有特殊的优越性能,目前已被广泛应用于各种测量仪器中。
1 光学透镜参数的现代测量方法
光学透镜从镜片铣磨加工到成形装配过程中涉及的参数很多,需要重点的检验参量包括:曲率半径、面形、焦距、传递函数(MTF)等,下面将分别介绍这些参数的现代测量方法。
1.1 曲率半径测量
球面曲率半径的测量方法有:球形样板测量、球径仪测量、自准直望远镜测量以及自准直显微镜测量等,其中后两种属于非接触式测量,且球面需抛光,仪器调整也比较复杂。球面样板测量和球径仪测量是较为常用的检测方法,但球面样板检验方法只适用于小曲率半径,且精度受样板的面形影响,而球径仪测量方法简便,零件不需抛光,适应于生产需要。
球径仪的工作原理如图1 所示,凹形的测件使用支撑球的正值(+K);凸形的测件使用其负值(-K)。对于一个有3 个球点支撑的球径仪环,使用如下公式:
在此处有两个球径仪环半径 (r 内边缘及r 外边缘)。
传统球径仪主要由带圆球的测量杆、测量环、读数显微镜组成,曲率半径的测量完全由人眼读数决定,测量精度由读数显微镜目镜的最小格值决定,通常为1 μm。随着计算机技术的不断发展,球径仪也在不断更新,由计算机控制的高精度球径仪组成如图2 所示,矢高测量探头可以通过马达控制器上的两个按钮的控制上下移动,半径测量由精密数显编码器和曲率半径计算软件完成,编码器的测量精度可以达到0.2 μm,曲率半径的重复测量精度可达到0.001%,同时还可以方便地设置各种公差,并得到每次测量的不确定度。
1.2 面形测量
零件的球面面形误差,直接影响光学零件的成像质量,是一项非常重要的检测项目。球面面形误差分别用曲率半径偏差和形状偏差,即通常所说的光圈数和局部光圈数来表示。面形误差的测量方法可分为样板法和干涉仪法,在光学车间通常采用光学样板测量法,其原理是等厚干涉测量,这种接触式测量操作简便,但不适用于测量样板和其他高精度光学件。为了提高测量精度,干涉仪测量法得到广泛应用,它的原理与样板法类似,所不同的是采用了非接触测法测量,避免了样板法测量时的许多弊病。
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