[发明专利]用于磨削阶段大口径非球面光学元件轮廓测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及非球面光学元件的测量，尤其是涉及一种用于磨削阶段大口径非球面光学元件轮廓测量方法。 

背景技术

随着空间技术、电子信息技术的迅猛发展，以及航空航天、天文、国防等领域的需要，大口径非球面光学元件因其具有校正相差、改善像质并可以减小光学系统的尺寸和重量的优势，需求量不断增大。与此同时，对非球面的精度要求也越来越高，这就对加工和检测提出了新的挑战。 

对于大口径非球面光学元件的精密测量，目前主要有两种技术手段：1）制造大量程、高精度的检测设备；（郎治国.基于超精密回转扫描的大口径非球面测量技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2009.）2）利用拼接测量技术，采用高精度、小量程的测量仪器及装置对大口径非球面进行检测。（侯溪，伍凡，杨力，等.子孔径拼接干涉测试技术现状及发展趋势[J].光学与光电技术，2005，3(3)：50-53）对于第一种技术手段，虽然能够直接便捷的实现对大口径非球面的精密测量，但是随着量程的增大，如何保证检测设备本身的精度不随之下降成为难题之一，并且解决这个难题往往会造成设备的成本昂贵，大多数用户难以承受。相比之下，用高精度、小量程的检测设备，通过拼接测量的技术手段，实现对大口径非球面的准确测量具有重要意义和广阔的应用前景。 

目前，很多学者对基于激光干涉仪的子孔径拼接技术进行了研究，云宇等应用该技术对大口径光学元件进行拼接检测，与单次测量结果相比，峰谷值误差为2.37%，（云宇，彭勇，田小强，等.基于子孔径拼接原理检测大口径光学元件[J].强激光与粒子束，2011，23(7)：1831-1834.）王孝坤等应用该技术对非球面进行拼接检测，并提出了多个子孔径的综合优化和全口径数据重构数学模型，在不需要零位补偿的情况下，拼接前后面型误差相比，PV值和RMS值误差分别为-0.0092λ和0.0013λ。（王孝坤，王丽辉，张学军.子孔径拼接干涉法检测非球面[J].光学精密工程,2007，15(2)：192-198.）但是，对于非抛光阶段的大口径非球面光学元件是无法应用该技术进行测量的。主要因为：光学元件一般要经过粗磨、精磨和抛光 等三个加工阶段才能达到精度要求，在完成粗磨成形后的光学元件面形误差一般在数十微米的量级，在完成精磨后的面形误差一般在3-5微米的量级，此时，面形误差与理论值偏差较大，表面粗糙度不佳。（程灏波.精研磨阶段非球面面形接触式测量误差补偿技术[J].机械工程学报，2005，41(8)：228-232.） 

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于磨削阶段大口径非球面光学元件轮廓测量方法。 

本发明包括以下步骤： 

1）对磨削阶段大口径非球面光学元件一条轮廓线进行分段，设划分段数为M，且相邻两段之间要有重叠区域，设重叠区域为p₁,p₂,…,p_m-1； 

2）利用测量设备对所划分的M段分别测量，得到各段的测量数据； 

3）利用多体系统理论、泰勒级数和最小二乘原理以及重叠区域数据，将大口径非球面光学元件轮廓所划分的M段的测量数据进行拼接； 

4）利用曲率原理和非球面方程最小二乘拟合方法，将各段拼接时重叠区域的冗余数据剔除； 

5）对剔除冗余数据后的全段轮廓进行综合优化处理，得到整段轮廓的整体测量结果。 

在步骤3）中，所述拼接的具体步骤如下：设相邻两段子轮廓为AB和CD，重叠区域为CB，AB段测量完成后，测量CD段时，需要将其沿测头运动方向和传感器测量方向平动，沿与上述两个方向确定的平面相垂直的方向转动，设测头运动方向为X轴方向，传感器测量方向为Z轴方向，CD段绕Y轴方向转动，CD段向AB段进行空间位置归一化变换时，可以将该过程描述为： 

(x_jcal y_jcal z_jcal 1)^T＝R_ijl·T_ijl·ΔR_ijlΔT_ijl·(x_j y_j z_j 1)^T （1）