[发明专利]一种基于最小PV值的非球面测量Z轴定位方法

说明书

技术领域

本发明属于非球面光学检测技术领域，具体涉及一种基于最小PV值的非球面测量Z轴定位方法。

背景技术

非球面光学零件具有矫正像差、改善像质、扩大视场和增大作用距离的优点，同时还能够减轻系统重量，减少占用空间，因此，非球面元件正越来越多地被用于空间光学、军事国防、高科技民用等领域。随着这些应用领域的快速发展，对非球面的精度要求也越来越高，需要更高精度的非球面检测方法来保证非球面的高精度制造。

目前非球面的高精度检测方法主要有零透镜补偿、子孔径拼接等方法。以上的检测方法中都会涉及到非球面沿光轴(Z轴)方向上的定位问题，不管是用球面波还是补偿后的非球面波来匹配测量待测非球面，都需要将待测非球面沿光轴方向定位到准确位置才能保证测量数据的有效性和准确性，是进行后续面形数据处理的重要前提。

传统定位方法是通过观察干涉条纹寻找猫眼位置，即参考光的出射点位置，然后参考猫眼位置将非球面移至测量位置，虽然精密导轨能够保证非球面沿光轴方向进行移动，但是仅通过观察干涉条纹是难以准确定位猫眼的，误差较大，而且也会受到待测非球面自身面形误差的影响。对于低精度的非球面测量，传统的定位方法可以满足测量定位要求，但对于高精度要求的非球面检测，这种方法只能作为粗定位阶段的辅助手段。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于最小PV值的非球面测量Z轴定位方法，实现非球面测量时的Z轴高精度定位。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于最小PV值的非球面测量Z轴定位方法，包括以下步骤：

1)、根据非球面参数计算最小PV值对应的最佳参考球面波半径R_ZC、最佳参考球面波顶点偏离量Δ_ZC，得到最小PV值对应的理论测量位置S＝R_ZC+Δ_ZC；

2)、通过观察干涉仪的干涉条纹找到测量猫眼位置，以测量猫眼位置作为Z轴的测量零位，通过精密导轨沿Z轴移动非球面至理论测量位置S处，得到Z轴初步定位位置，定位精度小于0.5mm；

3)、利用与干涉仪配合的五维精密调整架、光栅尺及光栅尺数显表，在Z轴初步定位位置的±0.5mm范围内，通过精密导轨沿Z轴前后移动非球面，利用干涉仪进行多次测量，直至得到Z轴微米级分辨率下的最小PV值，记录此时最小PV值所对应的Z轴实测位置S′；

4)、计算最小PV值对应的实测位置S′与理论测量位置S的差值Δ＝S′-S，假设测量时需要定位的非球面Z轴位置为P，则该次测量的非球面实测位置应为P′＝P+(S′-S)，从而完成非球面测量时的Z轴高精度定位。

所述的步骤1)的计算过程如下：在非球面测量过程中，将非球面上某一点相对于参考球面波的偏离量δ定义为非球面该点处的面形值，非球面面形的PV值为最大偏离量δ_max与最小偏离量δ_min之差，即PV＝δ_max-δ_min，不同半径的参考球面波对应的PV值不同，定义最小PV值对应的参考球面波为最佳参考球面波，假设非球面的口径为D，其子午线方程为：

其中，c＝1/R，R为非球面顶点曲率半径，K为二次项系数，

若参考球面波与非球面的切点坐标为(x₀,f(x₀))，通过几何关系计算得到相应的参考球面波半径R_C为：

相应的顶点偏离量Δ_C为：

非球面子午线上任意一点(x,f(x))处相对于参考球面波的偏离量δ(x,x₀)为：

由于最小偏离量δ_min在切点位置，且δ_min＝0，则PV＝δ_max-δ_min＝δ_max，最大偏离量δ_max出现在顶点或边缘位置，则非球面的最小PV值PV_min为：

其中，δ(0,x₀)为非球面顶点处的偏离量，为非球面边缘处的偏离量，