1、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 DV
2、D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(Conic Constant),也称为二次常数.,非球面的基本方程,圆锥常数(Conic constant),圆锥常数 K = e2 where e is the eccentricity of the conic section(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
3、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e时，它表示椭圆；当e时，它表示双曲线；当e时，它表示抛物线（其中e是圆锥曲线的离心率，定点是
4、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),相切面平行于圆锥侧面,基本形式：抛物面(K=-1),相切面平行于圆锥轴线,基本形式：双曲面(K-1),相切面与圆锥轴线成某一角度,基本形式：椭圆(-1K0),基本项(二次项),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/r r=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,Even Asphere(偶次非球面),Odd Asphere(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
5、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 0.1m 至 1m 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
6、球面，误差沿最佳拟合圆的法向,形状误差的方向,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)Form Talysurf(T/H) b) UA3P(Panasonic)2.非接触式测定方式a)Asph
7、eroMaster(b)VeriFireAsphere(Zygo),Form Talysurf 测量非球面,Measurement 测量,Measurement Direction,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.,Form Talysurf 测量非球面,Measurement Direction,Form Talysurf 测量非球面,2) Raw Data得到原始数据,X is the Radial distance from the Aspheric Axis X为非球面轴的径向距离 Z is the correspondin
8、g vertical distance Z为相应的垂直距离 a is the indexed Polynomial Coefficient a为多项式系数 C is the reciprocal of the Base Radius C为基圆半径的倒数 K is the Conic Constant of the Surface K为二次常数,3) Standard Equation for an Aspheric Surface非球面的标准方程,Form Talysurf 测量非球面,Where:,Aspheric Data 非球面数据 Radius=40.0mm K= -1 A4= 5.3
9、188e-007 A6=5.5231e-009 A8=-1.6774e-011 A10=-6.3352e-014,4) Input Aspheric Data输入理论设计数据,Form Talysurf 测量非球面,X Axis,Z Axis,C,B,A=Aspherics axis 非球面轴,5) Aspheric Data Fit实测数据与理论数据拟合,Form Talysurf 测量非球面,A,B=Actual profile 实际轮廓,C=Absolute aspheric form 绝对非球面形状,+Z 轴,-Z 轴,-X轴,+X 轴,Aspherics axis 非球面轴线,6)
10、Residual Error After Form Removal 形状去除之后的残余误差,Form Talysurf 测量非球面,D=B-C(Residual error after absolute aspheric form removal) 去除绝对形状后的残余误差,7) Analysis Results分析结果,Form Talysurf 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 ):Figure is the vertical distance between the least squares fit line and the prof
11、ile height intersected by the Aspheric axisFig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 ):Pa is the average absolute deviation of the residuals from the mean line . Analogous to unfiltered surface texture parameter Ra.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.,非球面参数简介,Pt/Rt(轮廓总高度 ):Pt
12、is the maximum peak to valley height of the profile in the assessment length(ln). Analogous to unfiltered surface texture parameter Rt.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( ):Smx is the maximum surface slope error.This is the maximum difference in angular slope between any two
13、 adjacent data points and the best fit least squares reference line:calculated from the total profile.,非球面参数简介,Smn( ):Smx is the mean surface slope error.This is the average difference in angular slope between any two adjacent data points and the best fit least squares reference line:calculated from
14、 the total profile.,非球面参数简介,Tilt( 倾斜 ):Tilt is the angle of the calculated horizontal axis of the component, relative to the traverse unit datum axis.,非球面参数简介,Xp:Xp is the distance of the highest peak from the aspheric axis.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:Xt is the distance of the aspheric axis fro
15、m the measured data.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:Xv is the distance of the lowest valley from the aspheric axis .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）:RMS is the Root Mean Square calculation of the absolute deviation of the residuals from the mean line .Analogous to the surface texture par
16、ameter RqRMS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。,Well known to optics user base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！,Measurement Problem 测量问题,Stylus Flanking 测头侧面接触,PGI 850 & 1250 - Measurement Method 测量方法,The part is rotated then tilted to obtain the 3 measurements required工件旋转并倾斜以得到所需的3个测量结果 It is necessa
17、ry for this to deliver a co-linear profile, and hence a credible measurement system三个测量轨迹必须共线，以保证可靠的测量 Very high accuracy alignment of the fixture is required to achieve this需要高精度夹具用于对中,1.,2.,3.,Level 1 (Standard for PGI 635) Basic Form Analysis基本的形状分析 Radius Optimisation 半径优化 Cursors / Exclusions 光
18、标操作 Lambda S Filter s滤波Level 2 (Standard for PGI 840 & PGI 1240) Astigmatism Analysis 对称性分析 SAG Table Analysis SAG表分析Level 3 (Standard for PGI 850 & PGI 1250) Derived Coefficient Analysis 得到非球面系数(逆向),New Aspheric Utility Software 新的非球面分析软件,Data Cursor 光标,Red cursor shows current position, both absol
19、ute and relative 红色光标显示当前位置的绝对值和相对值,Dark Cursor shows reference position 黑色光标显示参考点位置,Aspheric Coefficient Storage 非球面参数的存储及调入,Aspheric Design Data can now be saved as a .COF file, avoiding the need for repeated data entry 非球面设计数据可以以.COF格式存盘，避免重复数据输入,Waviness (s) Filter 波纹度(s)滤波,Allows removal of Sur
20、face Roughness, Spikes etc from measurement 从测量结果中去处表面粗糙度、毛刺尖峰等,Astigmatism Analysis 对称性分析,Compares multiple measurement profiles to check for rotational asymmetry 比较多个测量轮廓以检查对称性,Astigmatism Analysis 对称性分析,Astigmatism Analysis 对称性分析,Astigmatism Analysis 对称性分析,SAG Table Analysis SAG表格分析,Optimised Rad
21、ius Results 名义基圆半径时的形状误差分析结果,Design分析,Optimised Radius Results 最佳基圆半径时的形状误差分析结果,BestFit分析,Derived Coefficients Function 得到非球面系数(逆向),计算出的非球面系数,非球面系数的理论值,Calculates the Aspheric Design Data for undefined components 由实测数据计算非球面理论数据,实际机种面型分析,面型图的分析应该包括: a)参数大小:Rt/Ra/Fig b)轮廓形状:中凸、中凹等。 c)轮廓的对称性：轮廓理论上是旋转对称
22、的。 d)注意轮廓截取的范围是否大于有效径。 e)轮廓曲线的过渡是否有突变。 f）其他,实际机种面型分析,此面型图数值大小尚可，但是对称性不 好，曲线存在突变。,实际机种面型分析,此面型图数值大小及对称性均良好,实际面型As分析,几个方向的轮廓一致性较好,实际面型As分析,中心及边缘部分相差较大，测量时部分方向未过顶点,实际面型误差分析,轮廓误差较小，不同方向面型一致性较好,讨论:,1.面型测量主要反映镜片的哪些参数及特性？ 2.面型测量中哪些因素会影响测量结果？ 3.面型不良与MTF不良有何关系？ 4.除了面型与偏心外，还有哪些因素会影响镜头的MTF？（镜片的内部结构：如应力双折射、材质折射率及色散的均匀性、气泡度、条纹度等）5.其他问题,谢谢您的聆听！,
