【行业应用】光谱共焦-高阶非球面镜片中心偏测量

与球面光学元件相比，非球面光学元件在实际应用中具有很多优势，不仅可以简化系统形状和降低系统成本，而且能够减小系统像差，从而提高光学系统成像质量。非球面技术已成为现代光学系统设计的一个重要特征，广泛应用于国防、空间科学、天文学和重要工业领域。它已经成为光学成像领域发展的重点，并对非球面的超高精度加工和检测精度提出了更高的要求。

加工-测量-再加工-再测量是非球面加工的必要过程。非球面透镜的高精度检测不仅包括非球面表面形状的检测，还包括非球面中心偏差的测量。要求非球面透镜的形状误差在几厘米到几十厘米的范围内小于1μm。受现有冷加工工艺、车床运动误差、磨削力变形及检测误差的限制，加工的非球面光学元件会产生一些质量缺陷，无法保证跨尺度的产品满足高精度要求。为了使非球面透镜表面形状误差、中心偏差等参数满足设计精度要求，往往需要利用被加工非球面工件的中心偏差检测信息进行多误差校正和补偿加工。

来自西安光机所的FU Xihong等人以非球面透镜的相关光学理论为基础，主要研究了非球面透镜中心偏的测量和校正技术，并结合具体实例进行了应用试验。文章“Research on Technology of Measuring andCorrecting the Optical Axis Deviation of High-order Aspheric Lens”发表于“Proceedings of SPIE”会议集中。

与球面相比，轴对称高阶非球面围绕光轴形成的同心带的曲率半径和法线方向(旋转角度θ)都不相同。由于抛光的不完善或最终表面特性的需要，轴对称高阶非球面透镜必须经过局部修正的加工工艺。修正之前,有必要测量中心偏差和位置与高精度非球面表面的方向。

非球面中心偏差的测量手段主要包括接触式(百分表)和非接触式(光学传感器)。文章基于自准直定心原理和光谱共焦位移传感技术，对高阶非球面的中心偏差进行了非接触精密测量。光学加工人员根据测量出的校正量和位置方向对球面进行抛光，使非球面透镜的中心偏差满足光学系统设计的要求。由于非球面已加工到一定精度要求，因此对球面的抛光和磨削是纠正非球面透镜中心偏差的主要方法。

图1. 高阶非球面透镜光轴偏差测量与校正的原理图

参照图1，高阶非球面光轴偏差的具体测量和修正过程如下：

1. 将测量得到的轴对称高阶非球面透镜通过专用工装放置在高精度转台上(非球面面朝上)，用自准直仪在非球面顶点O处找到曲率中心点C和球面曲率中心点E，和两个中心点形成一个系统光轴CE。通过对四维精密机构在高精度转台上的多次测量和调整，使系统光轴CE与旋转旋转Z轴重合；

2. 利用轴对称高阶非球面曲线的数学模型计算被测环D带的旋转角度θ，即光谱共焦位移传感器的工作角。

3. 将光谱共焦位移传感器以θ角移动到D环带，通过上下平移产生位移信号;

4. 启动高精度转盘,轴对称高阶非球面透镜旋转360°，光谱共焦位移传感器测量表面跳动线误差△c。

5. 根据表面偏差的大小和位置方向，光学加工人员需要对球面进行多次抛光并测量光轴校正，以满足轴对称高阶非球面透镜光轴中心偏差的要求;

6. 采用高精度定心磨削，以光轴为基准磨削侧缸表面径向尺寸，使其满足装配要求。

图2.TRIOPTICS OptiCentric 300 Dual

基于上述轴对称高阶非球面光轴中心偏差的测量和校正过程方法，采用德国Trioptics公司生产的双光程中心偏差测量仪对非球面透镜进行了测量。如图2所示。双光路中心偏差测量仪的测量精度为±0.2μm或±2arcsec，重复性为±0.1μm或±1arcsec。

文章介绍的轴对称高阶非球面透镜中心偏差的测量和校正技术具有较高的非接触测量精度，可以指导非球面对称轴与机械旋转轴重合的调整方向。可广泛用于非球面透镜和非球面反射器的在线加工、检测和系统安装，并致力于保证非球面的加工。同时提高了抛光过程的加工质量，为抛光过程节省了大量的时间，大大提高了轴对称高阶非球面的加工效率，有效提高了最终光学系统的安装和调整精度。

论文链接：

Research on Technology of Measuring andCorrecting the Optical Axis Deviation of High-order Aspheric Lens