非球面轮廓测量与分析

非球面轮廓测量与分析主要内容一、非球面简介二、非球面轮廓测量方法简介三、TaylorHobson轮廓测量介绍四、T/H测量结果分析及参数定义五、实际测量案例分析非球面简介概况非球面基础非球面制造－金刚石车削－铣磨－模具成型－抛光非球面测量使用测量数据什么是非球面？非球面最简单的定义为“回转对称的不是球面的表面”，如：−请注意非球面可以是几乎平的表面(例如施密特板)为何需要非球面？•使色差最小•有效减少光学系统中的透镜个数•降低光学系统的重量•降低总成本•专门的设计可以产生2个或更多的焦点(例如DVD透镜)使用非球面的好处？非球面的典型应用•显示•手机照像头•DVD读写头•照相机•军用夜视•导弹头锥体•高能激光光学•大多数非球面是基于一个“二次”或者“锥面”项，基本的方程如下：•标准的基本形式为：−球面(k=0)−抛物面(k=-1)−双曲面(k-1)−椭圆(-1k0)K为圆锥常数(ConicConstant),也称为二次常数.非球面的基本方程222111xckcxz圆锥常数(Conicconstant)圆锥常数K=−e2whereeistheeccentricityoftheconicsection(离心率)离心率，或偏心率，是指圆锥曲线上的一点到平面内一定点的距离与到不过此点的一定直线的距离之比。其中此定点称为焦点，而此定直线称为准线。设一圆锥曲线C由C:d(P,M)=e.d(L,M)定义，其中P为焦点而L为准线，则此时e称为C的离心率。c=半焦距a=半长轴（椭圆）或半实轴（双曲线）其中对椭圆取k=1，对抛物线取k=0，对双曲线取k=−1。或采用较融贯的表法:圆锥曲线之离心率与轴长关系:•之所以称为“锥面”项，是由于我们可以用不同方位的面与圆锥相切可以得到以上表面圆锥曲线圆锥曲线统一定义：平面内到一个定点Ｆ和到一条定直线L（F不在L上）的距离的比等于常数e的点的轨迹．当０＜e＜１时，它表示椭圆；当e＞１时，它表示双曲线；当e＝１时，它表示抛物线．（其中e是圆锥曲线的离心率，定点Ｆ是圆锥曲线的焦点，定直线是圆锥曲线的准线）相切面平行于圆锥底面基本形式：球面(K=0))0(R:222Ryx圆的标准方程相切面平行于圆锥侧面基本形式：抛物面(K=-1))0(2222:2222ppyxpyxpxypxy或或或抛物线标准方程相切面平行于圆锥轴线基本形式：双曲面(K-1))0,0(1)0,0(1:22222222babxaybabyax或双曲线的标准方程相切面与圆锥轴线成某一角度基本形式：椭圆(-1K0))0(1)0(122222222babxaybabyax或椭圆的标准方程：•基本项(二次项)222111xckcxz20864...xTxHxFxD•用于回转对称光学表面&离轴片断(球面,椭圆,双曲面,抛物面)其中c=曲率=1/rr=基圆半径(与基本项的偏离)非球面的定义非球面公式比较偶次非球面与奇次非球面•EvenAsphere(偶次非球面)•OddAsphere(奇次非球面)•从光学像差校正来讲,奇次非球面与偶次非球面应该没有什么区别.但是为什么目前非球面透镜都采用偶次非球面加工呢?•---这应该是从加工及检测上进行考虑的.??•金刚石车削和铣磨−单点或接近单点接触−精度取决于位置控制•模具成型−几何反转−精度取决于：•模具的几何精度•收缩因素•抛光−抛光垫接触或者MRF(磁流体)−精度取决于局部驻留时间非球面制造•典型加工时间(50mm口径)−10分钟•典型形状精度−0.1µm至1µm•材料−有色金属，如铝、铜、镍等−晶体，如锗、硫化锌、硅、铌酸锂等−高分子聚合物非球面制造：金刚石车削•刀具刀尖的形状误差将会被复制到工件的表面上•许多用户从未想过用FTS去检查刀具的半径和形状误差刀尖的形状误差•对于非球面，误差平行于非球面轴•对于球面，误差沿最佳拟合圆的法向形状误差的方向AsphereSphere非球面轮廓测量方法简介非球面測定•目的:求测定过非球面形状与设计非球面形状之差值•测定方式:•1.接触式测定方式--测量探针从补测物表面滑过,电脑通过精密传感器记录下探针所走过的轨迹.此轨迹即为被测表面的轮廓形状.2.非接触式测定方式--非接触测量是以光电、电磁等技术为基础，在不接触被测物体表面的情况下，得到物体表面参数信息的测量方法。典型的非接触测量方法如激光三角法、电涡流法、超声测量法、机器视觉测量等等。非球面測定方式•1.接触式测定方式a)FormTalysurf(T/H)b)UA3P(Panasonic)•2.非接触式测定方式a)AspheroMaster(b)VeriFireAsphere(Zygo)FormTalysurf测量非球面测量方向1)Measurement测量MeasurementDirection测定注意事项:1.探针必须经过非球面最高点或中心点;2.非球面之回转中心线应该是水平面垂直的.测量方向FormTalysurf测量非球面MeasurementDirectionFormTalysurf测量非球面2)RawData得到原始数据cx2+a1|x|+a2|x|2+a3|x|3…+a20|x|20Z(x)=1+1-(K+1)c2x2XistheRadialdistancefromtheAsphericAxisX为非球面轴的径向距离ZisthecorrespondingverticaldistanceZ为相应的垂直距离aistheindexedPolynomialCoefficienta为多项式系数CisthereciprocaloftheBaseRadiusC为基圆半径的倒数KistheConicConstantoftheSurfaceK为二次常数3)StandardEquationforanAsphericSurface非球面的标准方程FormTalysurf测量非球面Where:AsphericData非球面数据Radius=40.0mmK=-1A4=5.3188e-007A6=5.5231e-009A8=-1.6774e-011A10=-6.3352e-0144)InputAsphericData输入理论设计数据FormTalysurf测量非球面XAxisZAxisCBA=Asphericsaxis非球面轴5)AsphericDataFit实测数据与理论数据拟合FormTalysurf测量非球面AB=Actualprofile实际轮廓C=Absoluteasphericform绝对非球面形状+Z轴-Z轴-X轴+X轴Asphericsaxis非球面轴线6)ResidualErrorAfterFormRemoval形状去除之后的残余误差FormTalysurf测量非球面D=B-C(Residualerrorafterabsoluteasphericformremoval)去除绝对形状后的残余误差7)AnalysisResults分析结果FormTalysurf测量非球面非球面参数简介非球面参数简介•Figure(Fig.PV)(形狀誤差):FigureistheverticaldistancebetweentheleastsquaresfitlineandtheprofileheightintersectedbytheAsphericaxisFig值是實際轮廓之最小二乘拟合直线与實際轮廓被非球面轴线分割点之间的垂直距离.非球面参数简介•Pa/Ra(轮廓算术平均偏差):Paistheaverageabsolutedeviationoftheresidualsfromthemeanline.AnalogoustounfilteredsurfacetextureparameterRa.Pa是相对于中线绝对残余偏差的平均值.类似地,不去除表面结构参数即为Ra.dxxZlRrlra0|)(|1非球面参数简介•Pt/Rt(轮廓总高度):Ptisthemaximumpeaktovalleyheightoftheprofileintheassessmentlength(ln).AnalogoustounfilteredsurfacetextureparameterRt.Pa是指在评定长度内最大轮廓峰高与最大轮廓的谷深间的距离.类似地,不去除表面结构参数即为Rt.非球面参数简介•Smx():Smxisthemaximumsurfaceslopeerror.Thisisthemaximumdifferenceinangularslopebetweenanytwoadjacentdatapointsandthebestfitleastsquaresreferenceline:calculatedfromthetotalprofile.非球面参数简介•Smn():Smxisthemeansurfaceslopeerror.Thisistheaveragedifferenceinangularslopebetweenanytwoadjacentdatapointsandthebestfitleastsquaresreferenceline:calculatedfromthetotalprofile.非球面参数简介•Tilt(倾斜):Tiltistheangleofthecalculatedhorizontalaxisofthecomponent,relativetothetraverseunitdatumaxis.非球面参数简介•Xp:Xpisthedistanceofthehighestpeakfromtheasphericaxis.Xp是指非球面光轴到轮廓最高点之间的距离。非球面参数简介•Xt:Xtisthedistanceoftheasphericaxisfromthemeasureddata.Xt是指非球面光轴到测量起始点之间的距离。非球面参数简介•Xv:Xvisthedistanceofthelowestvalleyfromtheasphericaxis.Xv是指非球面光轴到轮廓最低点之间的距离。非球面参数简介•RMS/Rq（均方根偏差）:RMSistheRootMeanSquarecalculationoftheabsolutedeviationoftheresidualsfromthemeanline.AnalogoustothesurfacetextureparameterRqRMS是指与平均值的绝对偏差的均方根粗糙度。类似地，考虑表面结构参数为Rq。•Wellknowntoopticsuserbase光学用户都非常熟知在此区域有高的非球面偏离，这非常重要！MeasurementProblem测量问题StylusFlanking测头侧面接触StylusFlanking!测头侧面接触!PGI850&1250-MeasurementMethod测量方法•Thepartisrotatedthentiltedtoobtainthe3measurementsrequired工件旋转并倾斜以得到所需的3个测量结果•Itisnecessaryforthistodeliveraco-linearprofile,andhenceacrediblemeasurementsystem三个测量轨迹必须共线，以保证可靠的测量•Veryhighaccuracyalignmentofthefixtureisrequiredtoachievethis需要高精度夹具用于对中1.2.3.•Level1(StandardforPGI635)•BasicFormAnalysis基本的形状分析•RadiusOptimisation半径优化•Cursors/Exclusions光标操作•Lambda‘S’Filterλs滤波•Level2(StandardforPGI840&PGI1240)•AstigmatismAnalysis对称性分析•SAGT