[发明专利]一种利用激光跟踪仪测量非球面顶点曲率半径的方法

说明书

技术领域

本发明属于光学测试领域，涉及一种非球面顶点曲率半径的测量方法，尤其适用大口径非球面顶点曲率半径的在线检测。

背景技术

非球面顶点曲率半径是决定非球面光学系统成像质量的主要参数之一，顶点曲率半径的准确测量对光学非球面加工及装配有着重要的指导意义。

在传统的非球面光学元件加工中，技师们通过百分表或千分表加装测环测量非球面顶点曲率半径，这种方法比较简便，但只能粗略测量，误差较大，仅在非球面成型及研磨初期使用。

接触式轮廓仪法是常用的小口径非球面顶点曲率半径的测量方法，首先利用接触式检测装置测得一批离散数据，然后经过适当的数据处理获得所测轮廓线的曲率半径。这种方法无法对全口径测量，仅针对镜面某一截面进行测量，需精确定位且测量尺寸及测量精度有限，不能实现在位测量。

三坐标测量机法是目前比较通用的非球面顶点曲率半径的测量方法，通过三坐标测头三维移动获取全口径的测量数据，通过最小二乘拟合的方法得到顶点曲率半径。三坐标测量机法可以实现较高的测量精度，满足中小口径非球面的测量。其缺点是仍受三坐标测量尺寸范围的限制，通常非球面尺寸小于2米，测量前需针对被测件进行测量点编程，不能实现在位测量。

发明内容

本发明要解决的技术问题：为了克服现有技术存在的不足，提供了一种利用激光跟踪仪测量非球面顶点曲率半径的方法，实现在位测量。

本发明技术解决方案：一种利用激光跟踪仪测量非球面顶点曲率半径的方法，实现步骤如下：

步骤S1，使用激光跟踪仪建立非球面测量坐标系；

步骤S2，使用激光跟踪仪采集非球面坐标点；

步骤S3，使用激光跟踪仪采集所得非球面坐标点粗建非球面坐标系，对非球面坐标点进行坐标变换；

步骤S4，设定顶点曲率半径取值范围及步长，分别以取值范围内顶点曲率半径值为参数，对非球面坐标点进行靶球半径补偿；

步骤S5，对每一组补偿后非球面坐标点按照与半径补偿对应的顶点曲率半径值进行非球面拟合，精建非球面坐标系并进行坐标转换。计算每组坐标转换后的坐标点与对应的非球面拟合方程的均方根偏差，最小均方根偏差值所对应的顶点曲率半径值为所求非球面顶点曲率半径。

所述步骤S2中，使用激光跟踪仪按照径向采点方式采集非球面坐标点，所述径向采点方式为采样点沿非球面直径分布，直径上测量点间隔相同，直径条数应大于等于2条，直径之间夹角相等。

所述步骤S4中，对球面坐标点进行靶球半径补偿的方法为：通过非球面坐标点，结合所选取顶点曲率半径作为参数的非球面方程对靶球接触点坐标近似坐标进行计算，获取接触点坐标处非球面方程的方向矢量，使用方向矢量对粗坐标系下的坐标点进行半径补偿。

本发明与现有技术相比的有益效果：

(1)相对于传统测量方法，本发明利用激光跟踪仪测量非球面顶点曲率半径的方法不受非球面口径限制，测量点不需编程，测量效率及精度较高，可以实现在线测量，且测量范围大；

(2)本发明测量用时少，可以提升非球面的检测效率，缩短制作工期；测量精度高，可以涵盖非球面从加工初期直至成品的检测，是一种灵活通用的测量方法，适用于非球面在加工及终检中的顶点曲率半径的测量，尤其适用于大口径非球面加工过程中顶点曲率半径的测量。

附图说明

图1为本发明利用激光跟踪仪测量非球面顶点曲率半径的流程图；

图2为本发明非球面坐标系建立示意图；

图3为本发明径向采点示意图；

图4为靶球与镜面接触点计算示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明技术方案中涉及的各个细节问题。应指出的是，所描述的实施案例仅旨在便于对本发明的理解，而不起任何限定作用。

(1)如图1所示的利用激光跟踪仪测量非球面顶点曲率半径的方法流程图，应首先使用激光跟踪仪建立非球面测量坐标系，测量坐标系应使非球面旋转轴与某一坐标轴重合，非球面顶点与坐标轴原点重合。非球面测量坐标系的建立可为后续寻找最佳拟合非球面提供合理初始值，避免计算出错。建立测量坐标系可以通过非球面的特征测量实现。如图2所示，使用常用的3-2-1方式建立坐标系，即测量并生成非球面上端面平面、X轴方向直线、非球面外圆圆心建立非球面坐标系。