反光镜测试中曲面数据采集及拟合.pdf

第34卷第3期
光学仪器
Vol 34, No. 3
2012年6月
OPTICAL INSTRUMENTS
文章编号:1005-5630(2012)030001-04
反光镜测试中曲面数据采集及拟合
王银河,阴晓俊,姚春龙,刘新华,战俊生,朱德金
(沈阳仪表科学研究院沈阳汇博光学技术公司,辽宁沈阳110043)
摘要:为了求得未知椭球曲西的曲线方程,模拟曲面的几何結构,以数字投影系统中椭球反光镜
为例,介绍了大ロ径非球面反光镜数据采集及拟合方法。利用三坐标测量机(CMM)对糖球反
光镋面型进行精密测量,根据测试数据,采用数学拟合方法获得椭球反光镜的曲线方程。并对
测试模型与拟合曲面进行了光线追迹和误差分析,拟合曲面与测试曲面符合较好。因此,采用
三坐标测量机进行曲面数据采集及数学方法拟合,能够得到较理想的拟合曲面方程
关键词:非球面反光镜;三坐标测量杌;曲面数据集;曲面拟合
中图分类号:O439文献标识码:Adoi:10.3969/iss10055630.2012.03.001
Study on curved surface acquisition and fitting in reflector test
WANG Yinhe, YIN Xiaojun, YAO Chunlong, LIU Xinhua
ZHAN Junsheng, ZHU Deji
(Shenyang HB Optical Technology Co, Ltd Shenyang Academy of Instrumentation Science, Shenyang 110043, China)
Abstract In order to obtain the unknown curve equation of the ellipsoid surface, the
geometrical structure of the ellipsoid surface is simulated, and, with the combination of
ellipsoid reflector used in digital projection, the data acquisition and fitting method of aspheric
reflector is introduced. The reflector is measured with coordinate measuring machining
( CMM), according to the results of the test data, to obtain the theory curve equation of
ellipsoid reflector with Mathematical methods. Model and ray tracing results are analysed.
Fitting surface is consistent with the test surface, By coordinating the data acquisition with
CMM and surface fitting with mathematical methods, an ideal fit surface equation is obtained.
Key words; aspheric reflector; CMM; curved surface acquisition curved surface fitting
引言
非球面光学反光镜按照面型分类包括椭圆、抛物面、双曲面等类型,广泛应用于数字投影系统り、冷
光源、电影光源3、照明光源]等,其几何外形结构如图1所示。其中应用于数字投影系统中的椭球
反光镜,如图2所示,是一种较为精密的反光镜元件。实际加工过程中,需要对未知椭球曲面方程进行重
构求解,以便进行数据误差分析及再加工。曲面重构的主要方法是通过采集曲面的坐标数据信息及数据
拟合,得到非球面曲面方程。曲面的数据采集及拟合一方面有助于光学系统辅助设计,另一方面作为制
造过程的误差分析,模拟模型的光学特性变化,可叮以提升产品制造精度及性能。
收稿日期:2011-11-20
作者简介;王银河(1981-),男,辽宁葫芦岛人,工程师,学土,主要从事光学薄膜及光学加工方面的研究。
万方数据
光学仪器
第34卷
非球面反光镜
红外滤光片
反射镜
黨外滤光片
聚光镜
DMD系
反射镜
放映镜头
图1非球面反光镜示意图
图2数字投影系统中非球面反光镜
ig. 1 Schematic of aspherical reflector
Fig 2 Spherical reflector in digital projection systerm
1非球面反光镜的加工及面型检测
1.1非球面反光镜加工
非球面反光镜制造过程主要采用模压成型及机械精密研磨成型两种加工方式。其中,模压成型方法
主要用于小尺寸反光镜加工,如应用于小功率投影机光源系统的反光镜;机械研磨成型加工主要用于大
型非球面反光镜的加工,加工过程也更加复杂,周期更长。加工工艺如图3、图4所示。在这些精密反光
镜生产的过程中,经常要通过精密的测试和计算来提升反光镜的加工精度,减少制造误差。非球面反光
镜面形检测方法主要有接触式测量及非接触式的测量。测量方法包括三坐标测量机、轮廓仪、样板测试、
几何光学方法、光电方法测试等。其中三坐标测量机测试方法,以其高精度的定量测量方式已在非球面
检测领域得到越来越广泛的应用?,也是非球面反求工程中实用性好的一种重要方法。
研磨砂轮
玻璃
待研磨反光镜
下模
图3反光镜数控研磨加工示意图
图4反光镜模压成型示意图
ig. 3 Schematic of reflector grinding with
Fig 4 Schematic of reflector molding
computer numerical control
1.2三坐标面型检测
1.2.1反光镜测试检测路径及基准定标
非球面检测路径可采用以下三种方法:子午线法、光栅式检测路径和圆周式检测路径?。这里采用
子午线方法进行测量。利用测试设备测量一条经过轴对称光学元件对称轴的子午线,如图5所示,沿子
午线及轴线所在平面剖开椭球形成截面,测试截面与中心位置的相对坐标,如图6所示,再通过数学方法
拟合数据。使用三坐标测量机测试非球面光学元件须先选择一个基准面,以便进行坐标变换及数据分
析。由于在反光镜加工过程中,上端面与反光镜中轴垂直,所以选择上端面作为基准面比较准确,如图6
所示。选择非球面反光镜上端面作为基准水平面,沿水平端面测试反光镜上端内表面不同位置坐标,再
根据测试数据找到圆心及中轴线。
1.2.2数据采集
沿轴向方向,选择一个轴截面作为测试平面,用三坐标测试机测量截面的位置坐标。测试坐标的中
万方数据