非球面透镜的测量方法

无论是在卫星光学、摄影镜头还是内窥镜中——非球面光学元件已经在广泛的技术应用领域中变得不可或缺。Asphericon为满足非球面透镜的精确要求、持续发展以及小型化趋势，对测量方法也有更高的需求。非球面表面复杂性的测量仍然具有挑战性，不同的测量方法根据测量任务和速度以及表面结构使用。对于Asphericon非球面透镜，下面介绍在非球面的加工工艺生产过程中非球面的接触式测量非球面的基本原理。

测量技术在精密光学器件的生产中发挥着重要作用。非球面通过CNC控制技术制造非球面光学元件，材料包括可用的玻璃类型，也包括塑料、金属和晶体（例如，CaF2、锗、硅）。在每个非球面的加工工艺步骤中，都需要准确了解非球面透镜的形状和非球面表面形状偏差，并优化生产过程。随着对光学器件（不仅是非球面镜片）的需求不断增长，Asphericon非球面透镜生产的测量技术的需求也在不断增长。

在非球面镜片的加工工艺过程中，不同的测量任务以及所使用的测量技术各不相同。测量任务包括原材料的进货检验、各个工艺步骤的镜片形状以及成品光学元件的完整测量并进行最终检验。在非球面透镜中，例如：镜片的形状，表面形状偏差，坡度公差，中央厚和粗糙度。

以非球面的磨削加工工艺为例，对于测量非球面表面形状偏差而言，由于非球面表面的几何形状不同于球面，但它仍然是旋转对称的。通过加工过程中镜片的旋转（图1），研磨工具会在未加工的镜片上留下旋转对称的结构。对于非球面光学元件的磨削过程，从测量技术的意义上来说，监测非球面表面轮廓以优化下一个加工工艺步骤通常就足够了。这种简单测量的优点之一是测量时间短，有助于优化整个非球面镜片的工艺处理时间。

图1 在研磨过程中进行接触式测量

除了测量任务和工艺过程之外，不同的测量方法之间也有区别。在下文中，Asphericon通过各种设备的示例性介绍来讨论非球面的接触式测量方法。这种类型的测量技术基于物体表面的扫描，例如使用红宝石接触点。

轮廓仪是测量非球面表面的常用方法。确定旋转对称物体形状的简单方法是确定表面轮廓。Asphericon非球面透镜使用轮廓仪（图2），在红宝石尖端的接触下，它以一条穿过天顶的直线探测测量对象，并记录接触点在垂直于其轨迹的z方向上的偏转。

图2 轮廓仪示意图

图3展示了非球面的接触式测量的示例规则。为了确定这种偏转，需要一个恒定的测量力，将探头压在待测非球面透镜上，以及一个坚硬的探头系统。在研磨过程的两个步骤之间使用轮廓仪，因为可以在进一步的制造步骤中去除非球面表面可能由红宝石尖端造成的损坏。

图3 轮廓仪 (MarSurf LD 120)的示例性测量曲线

另外一种更复杂的非球面的接触式测量设备是3D坐标测量系统（图4）。这些也可用于测量非球面表面。测量对象用探头尖端跟踪，其位置通过笛卡尔坐标系中的3个测量轴确定。使用形状测试仪完成的旋转对称测试对象的测量使用圆柱坐标，因此3D坐标测量仪配备了高精度的旋转轴，即C轴。

图4 3D坐标测量系统方案

图5展示了测量仪MarForm MFU 200 Aspheric 3D的示例性测量曲线。测量初始化后，为确定测量非球面透镜的表面顶点，需要沿最大半径进行直线测量，该测量在跟踪模式下执行。因此，使用恒定压力沿轮廓引导尖端并记录z坐标的变化。除了轮廓测量，测量仪还可用于各种应用，例如确定圆度、圆柱度和运行。

图 5：测量仪（MarForm MFU 200 Aspheric 3D）的示例性测量曲线

在抛光过程中使用非球面的接触式测量方法可以相对快速地了解镜片的表面轮廓。另一方面，缺点是探头可能损坏透镜表面。然而，可能发生的损坏可以在后面的非球面的加工工艺过程中消除。测量仪的分辨率能力取决于探头尖端的半径，它充当低通滤波器。无法正确检测明显小于探针尖端的结构（参见图2中的详细视图）。由于非球面表面陡峭的斜率，高度弯曲的透镜也可能导致测量精度的限制。

不管测量什么，测量任务和测量仪器在每种情况下都需要较好地去协调。因为测量方法的选择，从来都不是一种或另一种。Asphericon在非球面光学元件上，对于Asphericon非球面透镜的测量，通常也在光学测量和接触式测量中选择。