非球面輪廓測量與分析

非球面輪廓測量與分析主要內(nèi)容一、非球面簡介二、非球面輪廓測量方法簡介三、TaylorHobson輪廓測量介紹四、T/H測量結(jié)果分析及參數(shù)定義五、實(shí)際測量案例分析非球面簡介概況非球面基礎(chǔ)非球面制造－金剛石車削－銑磨－模具成型－拋光非球面測量使用測量數(shù)據(jù)什么是非球面？非球面最簡單的定義為“回轉(zhuǎn)對稱的不是球面的表面”，如：請注意非球面可以是幾乎平的表面(例如施密特板)為何需要非球面？使色差最小有效減少光學(xué)系統(tǒng)中的透鏡個(gè)數(shù)降低光學(xué)系統(tǒng)的重量降低總成本專門的設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生2個(gè)或更多的焦點(diǎn)(例如DVD透鏡)使用非球面的好處？非球面的典型應(yīng)用顯示手機(jī)照像頭DVD讀寫頭照相機(jī)軍用夜視導(dǎo)彈頭錐體高能激光光學(xué)大多數(shù)非球面是基于一個(gè)“二次”或者“錐面”項(xiàng)，基本的方程如下：標(biāo)準(zhǔn)的基本形式為：球面 (k=0)拋物面 (k=-1)雙曲面 (k<-1)橢圓 (-1<k<0)K為圓錐常數(shù)(ConicConstant),也稱為二次常數(shù).非球面的基本方程圓錐常數(shù)(Conicconstant)圓錐常數(shù)K=?e2whereeistheeccentricityoftheconicsection(離心率)離心率，或偏心率，是指圓錐曲線上的一點(diǎn)到平面內(nèi)一定點(diǎn)的距離與到不過此點(diǎn)的一定直線的距離之比。其中此定點(diǎn)稱為焦點(diǎn)，而此定直線稱為準(zhǔn)線。設(shè)一圓錐曲線C

由C:d(P,M)=e.d(L,M)定義，其中P

為焦點(diǎn)而L

為準(zhǔn)線，則此時(shí)e

稱為C

的離心率。c=半焦距a=半長軸（橢圓）或半實(shí)軸（雙曲線）其中對橢圓取k

=1，對拋物線取k

=0，對雙曲線取k

=?1。或采用較融貫的表法:圓錐曲線之離心率與軸長關(guān)系:之所以稱為“錐面”項(xiàng)，是由于我們可以用不同方位的面與圓錐相切可以得到以上表面圓錐曲線圓錐曲線統(tǒng)一定義：平面內(nèi)到一個(gè)定點(diǎn)Ｆ和到一條定直線L（F不在L上）的距離的比等于常數(shù)e的點(diǎn)的軌跡．當(dāng)０＜e＜１時(shí)，它表示橢圓；當(dāng)e＞１時(shí)，它表示雙曲線；當(dāng)e＝１時(shí)，它表示拋物線．（其中e是圓錐曲線的離心率，定點(diǎn)Ｆ是圓錐曲線的焦點(diǎn)，定直線是圓錐曲線的準(zhǔn)線）相切面平行于圓錐底面基本形式：球面(K=0)相切面平行于圓錐側(cè)面基本形式：拋物面(K=-1)相切面平行于圓錐軸線基本形式：雙曲面(K<-1)相切面與圓錐軸線成某一角度基本形式：橢圓(-1<K<0)基本項(xiàng)(二次項(xiàng))用于回轉(zhuǎn)對稱光學(xué)表面&離軸片斷(球面,橢圓,雙曲面,拋物面)

其中c=曲率=1/rr=基圓半徑(與基本項(xiàng)的偏離)非球面的定義非球面公式比較偶次非球面與奇次非球面EvenAsphere(偶次非球面)OddAsphere(奇次非球面)從光學(xué)像差校正來講,奇次非球面與偶次非球面應(yīng)該沒有什么區(qū)別.但是為什么目前非球面透鏡都采用偶次非球面加工呢?---這應(yīng)該是從加工及檢測上進(jìn)行考慮的.??金剛石車削和銑磨單點(diǎn)或接近單點(diǎn)接觸精度取決于位置控制模具成型幾何反轉(zhuǎn)精度取決于：模具的幾何精度收縮因素拋光拋光墊接觸或者M(jìn)RF(磁流體)精度取決于局部駐留時(shí)間非球面制造典型加工時(shí)間(50mm口徑)<10分鐘典型形狀精度0.1μm至1μm材料有色金屬，如鋁、銅、鎳等晶體，如鍺、硫化鋅、硅、鈮酸鋰等高分子聚合物非球面制造：金剛石車削刀具刀尖的形狀誤差將會被復(fù)制到工件的表面上許多用戶從未想過用FTS去檢查刀具的半徑和形狀誤差刀尖的形狀誤差對于非球面，誤差平行于非球面軸對于球面，誤差沿最佳擬合圓的法向形狀誤差的方向非球面輪廓測量方法簡介非球面測定目的:求測定過非球面形狀與設(shè)計(jì)非球面形狀之差值測定方式:1.接觸式測定方式

--測量探針從補(bǔ)測物表面滑過,電腦通過精密傳感器記錄下探針?biāo)哌^的軌跡.此軌跡即為被測表面的輪廓形狀.2.非接觸式測定方式

--非接觸測量是以光電、電磁等技術(shù)為基礎(chǔ)，在不接觸被測物體表面的情況下，得到物體表面參數(shù)信息的測量方法。典型的非接觸測量方法如激光三角法、電渦流法、超聲測量法、機(jī)器視覺測量等等。非球面測定方式1.接觸式測定方式a)FormTalysurf(T/H)b)

UA3P(Panasonic)2.非接觸式測定方式a)AspheroMaster(b)VeriFireAsphere(Zygo)FormTalysurf測量非球面測量方向Measurement

測量

MeasurementDirection測定注意事項(xiàng):1.探針必須經(jīng)過非球面最高點(diǎn)或中心點(diǎn);2.非球面之回轉(zhuǎn)中心線應(yīng)該是水平面垂直的.測量方向FormTalysurf測量非球面MeasurementDirectionFormTalysurf測量非球面2)RawData

得到原始數(shù)據(jù)cx2+a1|x|+a2|

x|2+a3|

x|3…+a20|

x|20Z(x)=1+1-(K+1)c2x2XistheRadialdistancefromtheAsphericAxisX為非球面軸的徑向距離ZisthecorrespondingverticaldistanceZ為相應(yīng)的垂直距離aistheindexedPolynomialCoefficient

a為多項(xiàng)式系數(shù)CisthereciprocaloftheBaseRadius

C為基圓半徑的倒數(shù)KistheConicConstantoftheSurface

K為二次常數(shù)3)StandardEquationforanAsphericSurface

非球面的標(biāo)準(zhǔn)方程

FormTalysurf測量非球面Where:AsphericData非球面數(shù)據(jù)Radius=40.0mmK=-1A4=5.3188e-007A6=5.5231e-009A8=-1.6774e-011A10=-6.3352e-0144)InputAsphericData輸入理論設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

FormTalysurf測量非球面XAxis

ZAxis

CBA=Asphericsaxis非球面軸5)AsphericDataFit實(shí)測數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)擬合FormTalysurf測量非球面AB=Actualprofile實(shí)際輪廓C=Absoluteasphericform絕對非球面形狀+Z軸-Z軸-X軸

+X軸

Asphericsaxis非球面軸線6)ResidualErrorAfterFormRemoval形狀去除之后的殘余誤差FormTalysurf測量非球面D=B-C(Residualerrorafterabsoluteasphericformremoval)去除絕對形狀后的殘余誤差7)AnalysisResults分析結(jié)果

FormTalysurf測量非球面非球面參數(shù)簡介非球面參數(shù)簡介Figure(Fig.PV)(形狀誤差):

FigureistheverticaldistancebetweentheleastsquaresfitlineandtheprofileheightintersectedbytheAsphericaxisFig值是實(shí)際輪廓之最小二乘擬合直線與實(shí)際輪廓被非球面軸線分割點(diǎn)之間的垂直距離.非球面參數(shù)簡介Pa/Ra(輪廓算術(shù)平均偏差

):

Paistheaverageabsolutedeviationoftheresidualsfromthemeanline.AnalogoustounfilteredsurfacetextureparameterRa.

Pa是相對于中線絕對殘余偏差的平均值.類似地,不去除表面結(jié)構(gòu)參數(shù)即為Ra.

非球面參數(shù)簡介Pt/Rt(輪廓總高度

):

Ptisthemaximumpeaktovalleyheightoftheprofileintheassessmentlength(ln).AnalogoustounfilteredsurfacetextureparameterRt.

Pa是指在評定長度內(nèi)最大輪廓峰高與最大輪廓的谷深間的距離.類似地,不去除表面結(jié)構(gòu)參數(shù)即為Rt.

非球面參數(shù)簡介Smx(

):

Smxisthemaximumsurfaceslopeerror.Thisisthemaximumdifferenceinangularslopebetweenanytwoadjacentdatapointsandthebestfitleastsquaresreferenceline:calculatedfromthetotalprofile.

非球面參數(shù)簡介Smn(

):

Smxisthemeansurfaceslopeerror.Thisistheaveragedifferenceinangularslopebetweenanytwoadjacentdatapointsandthebestfitleastsquaresreferenceline:calculatedfromthetotalprofile.

非球面參數(shù)簡介Tilt(

傾斜

):

Tiltistheangleofthecalculatedhorizontalaxisofthecomponent,relativetothetraverseunitdatumaxis.

非球面參數(shù)簡介Xp:

Xpisthedistanceofthehighestpeakfromtheasphericaxis.Xp是指非球面光軸到輪廓最高點(diǎn)之間的距離。非球面參數(shù)簡介Xt:

Xtisthedistanceoftheasphericaxisfromthemeasureddata.Xt是指非球面光軸到測量起始點(diǎn)之間的距離。非球面參數(shù)簡介Xv:

Xvisthedistanceofthelowestvalleyfromtheasphericaxis.Xv是指非球面光軸到輪廓最低點(diǎn)之間的距離。非球面參數(shù)簡介RMS/Rq（均方根偏差）:

RMSistheRootMeanSquarecalculationoftheabsolutedeviationoftheresidualsfromthemeanline.AnalogoustothesurfacetextureparameterRq

RMS是指與平均值的絕對偏差的均方根粗糙度。類似地，考慮表面結(jié)構(gòu)參數(shù)為Rq。Wellknowntoopticsuserbase光學(xué)用戶都非常熟知在此區(qū)域有高的非球面偏離，這非常重要！MeasurementProblem

測量問題StylusFlanking測頭側(cè)面接觸StylusFlanking!測頭側(cè)面接觸!PGI850&1250-MeasurementMethod

測量方法Thepartisrotatedthentiltedtoobtainthe3measurementsrequired

工件旋轉(zhuǎn)并傾斜以得到所需的3個(gè)測量結(jié)果Itisnecessaryforthistodeliveraco-linearprofile,andhenceacrediblemeasurementsystem

三個(gè)測量軌跡必須共線，以保證可靠的測量Veryhighaccuracyalignmentofthefixtureisrequiredtoachievethis

需要高精度夾具用于對中1.2.3.Level1(StandardforPGI635)BasicFormAnalysis基本的形狀分析RadiusOptimisation半徑優(yōu)化Cursors/Exclusions光標(biāo)操作Lambda‘S’Filter

λs濾波Level2(Standardfor

PGI840&PGI1240)AstigmatismAnalysis對稱性分析SAGTableAnalysis

SAG表分析Level3(Standardfor

PGI850&PGI1250)DerivedCoefficientAnalysis得到非球面系數(shù)(逆向)NewAsphericUtilitySoftware新的非球面分析軟件DataCursor光標(biāo)Redcursorshowscurrentposition,bothabsoluteandrelative紅色光標(biāo)顯示當(dāng)前位置的絕對值和相對值DarkCursorshowsreferenceposition黑色光標(biāo)顯示參考點(diǎn)位置AsphericCoefficientStorage非球面參數(shù)的存儲及調(diào)入AsphericDesignDatacannowbesavedasa.COFfile,avoidingtheneedforrepeateddataentry非球面設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可以以.COF格式存盤，避免重復(fù)數(shù)據(jù)輸入Waviness(λs)Filter

波紋度(λs)濾波AllowsremovalofSurfaceRoughness,Spikesetcfrommeasurement從測量結(jié)果中去處表面粗糙度、毛刺尖峰等AstigmatismAnalysis對稱性分析Comparesmultiplemeasurementprofilestocheckforrotationalasymmetry比較多個(gè)測量輪廓以檢查對稱性AstigmatismAnalysis

對稱性分析All4profilesdisplayed顯示四個(gè)輪廓AstigmatismAnalysis對稱性分析Only2profilesselectedfordisplay可只選擇兩個(gè)輪廓進(jìn)行顯示AstigmatismAnalysis對稱性分析FormErrorbetween2‘worst’profiles兩個(gè)最差的輪廓之間的形狀誤差ParametersdisplayedtoquantifyAstigmaticError量化的參數(shù)顯示對稱性誤差SAGTableAnalysisSAG表