非球面光学元件检测方法

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1、非球面光学元件检测方法学院：光电学院学号：2520120037姓名：张宇碟2012年11月摘要：随着当今社会生活要求的提高，非球面在越来越广泛的领域所运用，因此非球面的质量迫切需要提高，非球面的检测技术成为研究的热点。该文阐述了光学投影式、郎奇检验法、曲面CGH全息图检测法和双波带板产生径向剪切干涉法四中比较热门的非球面检测法，介绍了上述几种方法的原理、光学系统和数据处理方式，并且归纳了检测技术总体的发展趋势。关键词:非球面；检测方法；郎奇光栅；波带板；剪切干涉1绪论1.1非球面的定义以及检测方法的分类1.1

2、.1引言人们在几百年前就认识到非球面光学元件在光学应用上相对于球面光学元件有很多优势。但是由于受到加工水平和加工工艺的限制，一直以来非球面光学元件没有得到真正的广泛应用。直到上世纪七十年代，非球面镜片才开始不断的被应用到实际生产中。由于实际生产的需要，人们不断的尝试加工出更精确的非球面光学元件，因此非球面光学技术得到发展。八十年代后，由于计算机的应用和激光干涉技术的发展，非球面技术得到了蓬勃的发展。非球面光学元件的面形质量直接影响其成像质量，是其广泛应用的最关键的技术之一，面形质量就是指加工制成的表面形状和理

3、论形状的符合程度。对光学表面来说，表面的实际形状相对于理论形状允许一定的偏差。一般用光的波长的几分之几来表示。光学元件的面形检测就是指找到实际面形相对于理论形状的偏差。找到这个偏差就是检验的基本目的。1.1.2非球面的定义：非球面是相对于球面定义的，球面是由一个参数，即球面半径来决定它的面形，而非球面可以拥有多个参数，参数之间没有一定的关系可循，可以是连续变化的。按照有无回转轴可以将非球面划分为两大类：有回转轴的包括抛物面、椭圆面等；没有回转轴的包括离轴抛物面等[1]。面上每一点的曲率半径都相同的面为球面。而

4、面上每一点的曲率半径随着曲面的位置而改变的面就是非球面。非球面分为凸非球面和凹非球面两大类，包括双曲面、抛物面、椭圆面等等。非球面也可以理解为除了球面以外的曲面。表示非球面的常用公式：（1）式中：表示距非球面对称轴的水平距离，表示顶点曲率半径，表示二次曲线常数，、、表示非球面修正系数，，表示非球面的旋转对称轴上的对应值。若式中的换成则表示相应的旋转曲面。当非球面修正系数、都为零时，上式可以写成二次圆锥曲线方程：（2）当值相同时，变化与形状的关系：凹面凹面双曲面抛物面绕长轴旋转的椭球面球面绕短轴旋转的扁椭球面1

5、.1.3非球面检测方法的分类在16世纪，牛顿、卡塞格林、格力哥里等人就在天文反射望远镜中应用了二次非球面镜。但由于非球面镜自身的几何特点使得其加工与检测存在很大难度，所以使得非球面光学元件的发展和应用受到很大的制约，其中非球面光学元件检测技术是制约其应用的关键之一。随着计算机技术的发展和激光的出现，非球面光学元件检测技术得到了较快的发展。要获取高精度的非球面检测结果，就必须采用合适的检测分析方法，一方面适当扩展仪器的检测范围，另一方面尽可能地降低仪器的检测误差。非球面光学元件检测方法有很多，但没有一种通用的方

6、法可以测量所有类型的非球面光学元件。一般要根据非球面的类型和条件选择合适的检测方法。本文着重介绍按照原理的分类，大致分为三类：几何光线法，主要是运用光的直线原理；干涉法，主要是运用光的波动性原理；直接面形轮廓法，主要是运用测头扫描被测镜面。各类方法中包含了多种具体的检测方法；非球面光学元件检测方法又可分为接触式检测和非接触式检测。最初发展的是接触式检测，是利用机械探针轮廓仪（二维或三维）、三坐标测量仪等扫描被测表面得出其几何轮廓并分析面形参数。由于接触式检测要和被检测面接触，所以容易损伤被测面，而且不容易检测

7、断口。另外对硬度较大的材料容易损伤机械探头。在这种情况下，非接触式检测的研究得到了广泛的重视。非接触检测有刀口法、哈特曼法等几何光线检测法和干涉法。干涉法有轮廓投影法、补偿干涉法、计算全息法、剪切干涉法、原子探针测量法、莫尔条纹法等等。干涉法的高灵敏度使其成为高精度定量检测非球面的主要途径。1.2本课题的研究目的和意义通过对本课题的研究，熟悉这种非球面检测技术的原理，以及在实际操作中需要注意的事项，通过比较得出各种方法的优、缺点，分析影响检测精度的因素和各种检测方法的适用范围。了解各种检测方法的原理、注意事项

8、，完善自己在这方面的理论知识，为自己在以后的工作、学习过程中遇到此类问题作铺垫。也可以考虑将至少两种检测方式相结合创造出一种全新的检测方式，可能会进一步提高检测精度。2非球面光学元件检测方法的概述2.1光学投影式2.1.1基本原理利用计算机软件控制空间光调制解调器（SLM）形成检测所需的图样，此调制图样经过光学系统投射到光学元件上，得到反射图样，再进行后期数据处理。该系统可以完成对反射图样的判读处理