非球面零件光学检测技术研究

和直接的面形轮廓法 /%0。几何光线检测法又主要有 哈特曼法、 光栅法和刀口法， 哈特曼法和光栅法的 主要优点是设备简单， 但精度不高； 刀口法简单、 直 观、 灵敏度高但很难定量。轮廓测量法就是用测头 对整个被测面进行扫描， 因此非常费事、 费时， 并且 精度受测头、 运动机构影响特别大， 得到高精度检 测结果非常困难。干涉法是高精度检测的一种重要 方法，它能提供精确的全视场表面的轮廓测试结 果， 因此成为非球面高精度检测的主要方法。 干涉法检测非球面有零检测和非零检测之分， 非零检测主要有高分辨率的接收器件法 、 环状子
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结束语
本文对非球面零件光学检测技术进行了较系
统的分析，同时对检测系统进行了详细的阐述， 并 针对研究课题中一抛物面镜的干涉检测实例， 设计 了 3455 补偿器， 通过分析可知对于理想非球面系统
图! 一种利用 "#$% 干涉仪组合补偿器 检测非球面反射镜的基本结构
小于 .7..9:#， 由于被检面在反射 残留波像差 （;<=） 状态下检测， 其面形误差在最后检测的波像差中基 本上是加倍表现的， 故我们用此补偿系统能够实现 的检测面形精度可达到 .7..!#， 满足课题研究精度 要求。
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非球面的检测
非球面的检测主要有干涉法、 几何光线检测法
降低检测的灵敏度来满足分辨非球面偏离量的要 求，因此精度相对零检验一般较低；高分辨率的 接收器件法是靠增加接收器件像元的数量来提高 系统条纹的分辨本领，由于要求每幅图像的传输 时间更长了，因此对机械的振动和空气的扰动就 更敏感，这样精度做到很高也困难；环状子孔径 法是把一个面分成许多不同的环带，每次干涉仪 都重新聚焦以降低某一环带的条纹密度，从而对 其进行测量，最后通过算法再把他们拼合在一起 形成整个面的面形误差，这个方法需要精密位移 台和复杂的分析计算算法， 由于随机误差 （噪 音 ） 、 环带半径和偏心的影响精度也不很高，环带多一 些时拼合就非常困难。 在零检验中无像差点法只能用于某些二次非 球面的检测， 对一般非球面而言， 零检验都要用到 零光学元件 （反射、 折射或衍射光学元件） 。衍射光 学元件法主要就是光学全息法和计算全息法， 光学
参考文献：
补偿器将入射的平面波前转换为同被检测非 球面的理论形状一致的波前。为实现此目的， 补偿 器的近轴焦点 &’ 与被检测非球面的顶点曲率中心 由补偿器出射的同光轴成 ! 角的任一条光 (’ 重合， 线均沿法线方向射向非球面。如果被检非球面具有 理想形状，则光线由非球面反射后循原路返回， 经 补偿器后重新形成平面波前， 与标准平面波前相干 涉， 产生干涉条纹， 反映出被检面的表面偏离信息。 对于待检抛物面反射镜 !)*+,’’"- 已知的结构 参数为： 口 径 " *+,.// ， 相 对 孔 径 +12 ， 我们 # *0+ ， 的设计以 3455 单片式补偿器为基础， 确定初始结构 参数后， 考虑补偿器口径、 后工作距离、 制造工艺可 行性等因素， 选择适用的补偿器结构形式。在本例 中， 由于 $6. ， 故采用凸平透镜做补偿器， 即补偿器 凸面侧对着干涉仪， 下面针对其形式确定补偿器的 初始结构参数， 求得结构参数后， 适当选取透镜的 厚度 % ，然后应用光学设计软件由求解出的初始结 构参数进行优化设计。
<B’ 检测凸非球面原理二
使用反射零光学元件和折射的零光学元件 （均 可称补偿器） 的补偿法零检验是随着刀口法的发展 而产生的， 最早用刀口法检非球面必须通过测量大 量的环带光线的位置， 既费时又不精确。多年来， 在 制造抛物面镜过程中唯一能代替刀口检验法的是 自准直法。这时需要有一块尺寸大小和面形精度都 与被加工的抛物面镜一样的光学样板。 （34!@ <:F*+年） 指出， 抛物面镜曲率中心处所成的点光源像的 像差可通过在反射镜及其所成的像之间插入一个 小型补偿透镜而消除。<:F*+- 在光路中用了一个由 两片单透镜组成的补偿器。正如他在论文中所说
（收稿日期 S..8R.QR?Q ）
作者简介：程灏波， 男， 吉林省吉林市人， 清 ?Q92 年 S 月 生 ， 华大学精仪系博士后，主要研究方向为先进光学加工 及检测
技术。
图 2 经 3455 补偿器补偿后待检非球面残余波差及干涉图
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非球面零件光学检测技术研究 g
! "#$$ 型补偿器的设计
补偿法检测非球面的的核心部件是补偿器， 补 偿器能否成功设计是补偿法能否实施的第一关键。 对于中大尺寸的非球面检测用的补偿器人们已经 进行了不少研究， 相对而言补偿法有花费少、 研制 周期短、 一旦装调好后性能稳定可靠的优点， 因此 我们对这类非球面检测用补偿器的研究， 具有特别 重要的意义。
《航空精密制造技术》 !""# 年第 #" 卷第 # 期
全 息 法 用 于 检 测 非 球 面 是 $%&%’()*+,-./* 和 0%1%
’.(/+2 于 3455 年提出的，由于采用这种方法必须
有参考非球面实体、 并且高精度全息图的制作也很 困难， 因此它在检非球面上用处有限； 计算全息法 是 1%6%7.89:;+-/ 和 6%<%=>./? 于 34@3 年提出的， 由 于它克服了光学全息法中必须有参考非球面实体 的难题， 可以说是全息法的一个重大突破， 因此吸 引着众多的人加入这一研究的行列， 实验室的检测 精度八十年代就可以到 ! A 3"， 但现在主要还是停留 在实验室里， 实用的非常少， 其原因主要还是高精 度的计算全息板制作非常困难； 波带板是另一种计 算机全息图， 它实际上是一系列同心的不等间隔圆 光栅， 由于它具有圆对称性， 相对而言， 其制作就稍 容易些， 精度也好保证些， 现在已成功用于实际的 工程检测， 特别是凸面的检测。波带板检测凹非球 面的原理如图 3 所示， 通过波带板的 " 级光会聚于 非球面顶点， 返回再次经过波带板后其正一级衍射 光正好会聚于 ! 点， 此光作为参考光， 另外通过波 带板的正一级衍射光的方向完全配备于标准被检 非球面波前， 此光波经过被检面返回后再次通过波 带板时， 其 " 级光也正好会聚在 ! 点， 通过对这两 列波前的干涉条纹处理就能得到非球面的波前误 差。
图 2 给 出 3455 补 偿 器 的 设 计 残 余 像 差 。 其 中
&’ 值 为 .7.28 波 长 ， ()* 值 为 .7..9: 波 长 ， #*
。按照给出的数据制造补偿镜后， 根据所 .7:8),$/） 计算得出的检测系统结构参数 - 搭设检测光路 - 由补 偿器的像距确定待检镜与补偿器之间的距离， 即可 对非球面进行干涉检测。
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孔径法 、 欠采样法 、 长波长法 、 双波长全息法 及
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剪切干涉法 。其中欠采样法、长波长法、双波长
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全息法和剪切干涉法等基本上都是靠某种方法来
! 国家自然科学基金资助项目 "#$%&#$’()* 国家 +’, 高 技术项目基金 "($$%--.(%%.$)
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用 <B’ 检测凸非球面的原理如图 ! 所示， 光波 一部分光透 经过照明透镜到达检测镜的 <B’ 面时， 过直接到达被检非球面， 照明透镜和检测镜的设计 使得直接到达被检非球面的光波波面和理想被检 非球面相吻合， 此光波返回作为被检光波； 另一部 分光经过 检 测 镜 上 的 <B’ 面 衍 射 返 回 ， <B’ 面 的 设计使得其中一级衍射光能沿原路返回， 此级衍射 光作为参考光， 它与从理想被检面反射回的光波相 吻合。被检光波和参考光波的干涉条纹经成像透镜 成向被 <<C 相机纪录并得到处理。
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非球面零件光学检测技术研究 !
程灏波 王英伟
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（清华大学精仪系， 北京
［摘要］ 针对非球面零件光学级检测技术进行广泛探讨， 并针对课题研究中一抛物面镜实例， 设计出实用型 经优化后， 保证检测面形精度达到 $4$$.!"!5’,(4+67)。 1233 补偿器， ［关键词］ 非球面； 干涉法检测； 1233 补偿器 （($$. ） /中图分类号089&.%4, / 文献标识码0/文章编号0%$$,:#.#% $.:$$$+:$,
图3
波带板检测凹非球Biblioteka Baidu原理
的， 为了使补偿器的光焦度为零， 以便于制造， 所以 需要用两块单透镜。为了制造一种焦距为 E"GG 、 相 对孔径为 3 A H 的抛物面镜， <:F*+- 用了一个孔径为 补偿器使抛物面镜曲率中心处 #GG 左右的补偿器， 的点光源经理想抛物镜反射成像的像差得以消除 即成理想像， 这样在理想像处用刀口检测就像在球 面反射镜的球心用刀口检测一样。 自从 <:F*+- 提出 这个补偿器的方法以来， 人们对此进行了许多研究 提出了很多种结构型式的补偿器， 其中反射式的补 偿器只能对少量的非球面有效，且常有中心遮拦。 现在常用的是 C.)) 型补偿器。 ・"・
图E 图!
<B’ 检测凸非球面原理一
这个方法的优点是参考光与被检光完全同路， 抗干扰能力强 D 并且用于检测凸面时不需要比被检 面大太多的光学系统， 因此现在在凸非球面的检测 中作用越来越大， 但由于波带板自身的特点， 用它 检测非球面时， 其干涉条纹必然出现一圈圈类似于 中高频误差的效果， 这使得其在要求很高的凹非球 面检测中应用受到很大的限制。 图 E 是用 <B’ 检测 凸非球面的另一种替代方案。
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