與球面光學(xué)元件相比，非球面光學(xué)元件在實(shí)際應(yīng)用中具有很多優(yōu)勢(shì)，不僅可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)形狀和降低系統(tǒng)成本，而且能夠減小系統(tǒng)像差，從而提高光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量。非球面技術(shù)已成為現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要特征，廣泛應(yīng)用于國(guó)防、空間科學(xué)、天文學(xué)和重要工業(yè)領(lǐng)域。它已經(jīng)成為光學(xué)成像領(lǐng)域發(fā)展的重點(diǎn)，并對(duì)非球面的超高精度加工和檢測(cè)精度提出了更高的要求。
加工-測(cè)量-再加工-再測(cè)量是非球面加工的必要過程。非球面透鏡的高精度檢測(cè)不僅包括非球面表面形狀的檢測(cè)，還包括非球面中心偏差的測(cè)量。要求非球面透鏡的形狀誤差在幾厘米到幾十厘米的范圍內(nèi)小于1μm。受現(xiàn)有冷加工工藝、車床運(yùn)動(dòng)誤差、磨削力變形及檢測(cè)誤差的限制，加工的非球面光學(xué)元件會(huì)產(chǎn)生一些質(zhì)量缺陷，無法保證跨尺度的產(chǎn)品滿足高精度要求。為了使非球面透鏡表面形狀誤差、中心偏差等參數(shù)滿足設(shè)計(jì)精度要求，往往需要利用被加工非球面工件的中心偏差檢測(cè)信息進(jìn)行多誤差校正和補(bǔ)償加工。
來自西安光機(jī)所的FU Xihong等人以非球面透鏡的相關(guān)光學(xué)理論為基礎(chǔ)，主要研究了非球面透鏡中心偏的測(cè)量和校正技術(shù)，并結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)。文章“Research on Technology of Measuring andCorrecting the Optical Axis Deviation of High-order Aspheric Lens”發(fā)表于“Proceedings of SPIE”會(huì)議集中。
與球面相比，軸對(duì)稱高階非球面圍繞光軸形成的同心帶的曲率半徑和法線方向(旋轉(zhuǎn)角度θ)都不相同。由于拋光的不完善或最終表面特性的需要，軸對(duì)稱高階非球面透鏡必須經(jīng)過局部修正的加工工藝。修正之前,有必要測(cè)量中心偏差和位置與高精度非球面表面的方向。
非球面中心偏差的測(cè)量手段主要包括接觸式(百分表)和非接觸式(光學(xué)傳感器)。文章基于自準(zhǔn)直定心原理和光譜共焦位移傳感技術(shù)，對(duì)高階非球面的中心偏差進(jìn)行了非接觸精密測(cè)量。光學(xué)加工人員根據(jù)測(cè)量出的校正量和位置方向?qū)η蛎孢M(jìn)行拋光，使非球面透鏡的中心偏差滿足光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。由于非球面已加工到一定精度要求，因此對(duì)球面的拋光和磨削是糾正非球面透鏡中心偏差的主要方法。
圖1. 高階非球面透鏡光軸偏差測(cè)量與校正的原理圖
參照?qǐng)D1，高階非球面光軸偏差的具體測(cè)量和修正過程如下：
將測(cè)量得到的軸對(duì)稱高階非球面透鏡通過專用工裝放置在高精度轉(zhuǎn)臺(tái)上(非球面面朝上)，用自準(zhǔn)直儀在非球面頂點(diǎn)O處找到曲率中心點(diǎn)C和球面曲率中心點(diǎn)E，和兩個(gè)中心點(diǎn)形成一個(gè)系統(tǒng)光軸CE。通過對(duì)四維精密機(jī)構(gòu)在高精度轉(zhuǎn)臺(tái)上的多次測(cè)量和調(diào)整，使系統(tǒng)光軸CE與旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)Z軸重合；
利用軸對(duì)稱高階非球面曲線的數(shù)學(xué)模型計(jì)算被測(cè)環(huán)D帶的旋轉(zhuǎn)角度θ，即光譜共焦位移傳感器的工作角。
將光譜共焦位移傳感器以θ角移動(dòng)到D環(huán)帶，通過上下平移產(chǎn)生位移信號(hào);
啟動(dòng)高精度轉(zhuǎn)盤,軸對(duì)稱高階非球面透鏡旋轉(zhuǎn)360°，光譜共焦位移傳感器測(cè)量表面跳動(dòng)線誤差△c。
根據(jù)表面偏差的大小和位置方向，光學(xué)加工人員需要對(duì)球面進(jìn)行多次拋光并測(cè)量光軸校正，以滿足軸對(duì)稱高階非球面透鏡光軸中心偏差的要求;
采用高精度定心磨削，以光軸為基準(zhǔn)磨削側(cè)缸表面徑向尺寸，使其滿足裝配要求。
圖2.TRIOPTICS OptiCentric 300 Dual
基于上述軸對(duì)稱高階非球面光軸中心偏差的測(cè)量和校正過程方法，采用德國(guó)Trioptics公司生產(chǎn)的雙光程中心偏差測(cè)量?jī)x對(duì)非球面透鏡進(jìn)行了測(cè)量。如圖2所示。雙光路中心偏差測(cè)量?jī)x的測(cè)量精度為±0.2μm或±2arcsec，重復(fù)性為±0.1μm或±1arcsec。
文章介紹的軸對(duì)稱高階非球面透鏡中心偏差的測(cè)量和校正技術(shù)具有較高的非接觸測(cè)量精度，可以指導(dǎo)非球面對(duì)稱軸與機(jī)械旋轉(zhuǎn)軸重合的調(diào)整方向。可廣泛用于非球面透鏡和非球面反射器的在線加工、檢測(cè)和系統(tǒng)安裝，并致力于保證非球面的加工。同時(shí)提高了拋光過程的加工質(zhì)量，為拋光過程節(jié)省了大量的時(shí)間，大大提高了軸對(duì)稱高階非球面的加工效率，有效提高了最終光學(xué)系統(tǒng)的安裝和調(diào)整精度。
論文鏈接：
Research on Technology of Measuring andCorrecting the Optical Axis Deviation of High-order Aspheric Lens