非球面轮廓测量与分析课件.pptx

1、非球面简介非球面简介概况非球面基础非球面制造金刚石车削金刚石车削铣磨铣磨模具成型模具成型抛光抛光非球面测量使用测量数据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请注意非球面可以是几乎平的表面(例如施密例如施密特板特板)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)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：球面球面(k=0)(k=0)抛物面抛物面(k=-1)(k=

2、-1)双曲面双曲面(k-1)(k-1)椭圆椭圆(-1k0)(-1k0)K K为圆锥常数为圆锥常数(Conic Constant),(Conic Constant),也称为二次常数也称为二次常数.222111xckcxzWaviness(s)Filter 波纹度(s)滤波Dark Cursor shows reference positionwhere e is the eccentricity of the conic section(离心率)Analogous to unfiltered surface texture parameter Rt.Form Talysurf 测量非球面之所以称

3、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常数(Conic constant)量化的参数显示对称性误差对于球面，误差沿最佳拟合圆的法向C is the reciprocal of the Base RadiusFigure(Fig.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）面型测量主要反映镜片的哪些参数及特性？当e时，它表示双曲线；其中此定点称为焦点，而此定直线称为准线。-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。双曲面(k

4、-1)Astigmatism Analysis 对称性分析Fig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.探针必须经过非球面最高点或中心点;圆锥常数圆锥常数K=e2where e is the eccentricity of the conic section(离心率)离心率离心率，或偏心率偏心率，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。其中此定点称为焦焦点点，而此定直线称为准线准线。设一圆锥曲线 C 由 C:d(P,M)=e.d(L,M)定义，其中 P 为焦焦点点而 L 为准线准线，则此时 e 称为 C 的离心率离心率。c=半

5、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，定点是圆锥曲线的焦点，定直线是圆锥曲线的准线）许多用户从未想过用FTS去检查刀具的半径和形状误差7)Analysis ResultsAll 4 profiles displayedSAG

6、Table Analysis SAG表分析圆锥常数(Conic constant)中心及边缘部分相差较大，测量时部分方向未过顶点X is the Radial distance from the Aspheric AxisAstigmatism Analysis 对称性分析有效减少光学系统中的透镜个数Well known to optics user base光学用户都非常熟知Basic Form Analysis基本的形状分析Form Talysurf 测量非球面请注意非球面可以是几乎平的表面(例如施密特板)当e时，它表示抛物线（其中e是圆锥曲线的离心率，定点是圆锥曲线的焦点，定直线是圆锥曲

7、线的准线）Tilt(倾斜):Smx is the maximum surface slope error.RMS is the Root Mean Square calculation of the absolute deviation of the residuals from the mean line.X为非球面轴的径向距离相切面平行于圆锥底面相切面平行于圆锥底面)0(R:222Ryx圆的标准方程相切面平行于圆锥侧面相切面平行于圆锥侧面)0(2222:2222ppyxpyxpxypxy或或或抛物线标准方程相切面平行于圆相切面平行于圆锥轴线锥轴线)0,0(1)0,0(1:22222222b

8、abxaybabyax或双曲线的标准方程相切面与圆锥轴线成某一角相切面与圆锥轴线成某一角度度)0(1)0(122222222babxaybabyax或椭圆的标准方程：基本项(二次项)222111xckcxz20864.xTxHxFxD 用于回转对称光学表面用于回转对称光学表面&离轴片断离轴片断(球面球面,椭圆椭圆,双曲面双曲面,抛物面抛物面)其中其中 c=c=曲率曲率=1/r r=1/r r=基圆半径基圆半径(与基本项的偏离与基本项的偏离)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.但是为什么目前非球面透

9、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单点或接近单点接触 精度取决于位置控制精度取决于位置控制 模具成型 几何反转几何反转 精度取决于：精度取决于：模具的几何精度模具的几何精度 收缩因素收缩因素 抛光 抛光垫接触或者抛光垫接触或者 MRF(MRF(磁流体磁流体)精度取决于局部驻留时间精度取决于局部驻留时间 典型加工时间(50mm口径)1010分钟分钟 典型形状精度 0.10.1 m m 至至 1 1 m m 材料 有色金属，如铝、铜、镍等有色金属，如铝、铜、镍等 晶体，如锗、硫化锌、硅、铌酸锂等晶体，如锗、硫化锌、硅、铌酸锂等 高分

10、子聚合物高分子聚合物 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 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Aspher eSpher e当e时，它表示抛物线（其中e是圆锥曲线的离心率，定点是圆锥曲线的焦点，定直线是圆锥曲线的准线）其中此定点称为焦点，而此定直线称为准线。Figure(Fig.圆锥常数(Conic constant)Lambda S Filter s滤波Analogous to unfiltered surface texture parameter Ra.Very high accuracy align

11、ment of the fixture is required to achieve thisD=B-C(Residual error after工件旋转并倾斜以得到所需的3个测量结果Measurement Problem 测量问题Basic Form Analysis基本的形状分析Astigmatism Analysis 对称性分析Waviness(s)Filter 波纹度(s)滤波类似地,不去除表面结构参数即为Rt.请注意非球面可以是几乎平的表面(例如施密特板)Form Talysurf 测量非球面Smx is the maximum surface slope error.对于球面，误差

12、沿最佳拟合圆的法向SAG Table Analysis SAG表格分析Dark Cursor shows reference positionAllows removal of Surface Roughness,Spikes etc from measurement 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

13、角法、电涡流法、超声测量法、机器视觉测量等等。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)AspheroMaster(b)VeriFireAsphere(Zygo)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.cx2+a1|x|+a2|x|2 +a3|x|3 +a20|x|20Z(x)=1+1-(K+1)c2x2X is the Radial distance from the Aspheric AxisX为非球面轴的径向距离为非球面轴的径向距离Z is the corr

14、esponding vertical distanceZ为相应的垂直距离为相应的垂直距离a is the indexed Polynomial Coefficient a为多项式系数为多项式系数C is the reciprocal of the Base Radius C为基圆半径的倒数为基圆半径的倒数K is the Conic Constant of the Surface K为二次常数为二次常数Standard Equation for an Aspheric Surface Where:Radius=40.0mmK=-1A4=5.3188e-007A6=5.5231e-009A8=-

15、1.6774e-011A10=-6.3352e-014 双曲面(k-1)请注意非球面可以是几乎平的表面(例如施密特板)Waviness(s)Filter 波纹度(s)滤波PGI 850&1250-Measurement Method 测量方法absolute aspheric form removal)absolute aspheric form removal)Derived Coefficient Analysis 得到非球面系数(逆向)Measurement Problem 测量问题除了面型与偏心外，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

16、、气泡度、条纹度等）抛物面(k=-1)All 4 profiles displayedWell known to optics user base光学用户都非常熟知典型加工时间(50mm口径)Form Error between 2 worst profiles面型测量主要反映镜片的哪些参数及特性？类似地,不去除表面结构参数即为Rt.Analogous to unfiltered surface texture parameter Rt.RMS is the Root Mean Square calculation of the absolute deviation of the residu

17、als from the mean line.双曲面(k-1)Astigmatism Analysis 对称性分析X Axis Z Axis CBA=Aspherics axis非球面轴非球面轴AB=Actual profile实际轮廓实际轮廓C=Absolute aspheric form绝对绝对非球面非球面形状形状请注意非球面可以是几乎平的表面(例如施密特板)Analogous to unfiltered surface texture parameter Ra.Smx is the maximum surface slope error.Figure(Fig.之所以称为“锥面”项，是由于

18、我们可以用不同方位的面与圆锥相切可以得到以上表面-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。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）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.PGI 850&1250-Measurement Method 测量方法Form Talysurf 测量非球面此面型图数值大小及对称性均良好b)轮廓形状:中凸、中凹等。K为圆锥常数(Conic Constant),也称为二次常数.Measurement Direc

19、tion非球面制造：金刚石车削Form Talysurf 测量非球面where e is the eccentricity of the conic section(离心率)Waviness(s)Filter 波纹度(s)滤波Red cursor shows current position,both absolute and relativeSmx is the maximum surface slope error.+Z 轴轴-Z 轴轴-X轴轴+X 轴轴 Aspherics axis非球面轴线非球面轴线Residual Error After Form Removal 形状去除之后的形状去

20、除之后的D=B-C(Residual error after absolute aspheric form removal)去除绝对形状后的残余误差去除绝对形状后的残余误差 Figure(Fig.PV)(形狀誤差):Figure is the vertical distance between the least squares fit line and the profile height intersected by the Aspheric axis Fig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.Pa/Ra(轮廓算术平均偏差 ):Pa is the av

21、erage 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.dxxZlRrlra0|)(|1Lambda S Filter s滤波需要高精度夹具用于对中此面型图数值大小及对称性均良好请注意非球面可以是几乎平的表面(例如施密特板)轮廓误差较小，不同方向面型一致性较好三个测量轨迹必须共线，以保证可靠的测量典型加工时间(50mm口径)基本形式：球面(K=0)D=

22、B-C(Residual error afterForm Talysurf 测量非球面Allows removal of Surface Roughness,Spikes etc from measurementAll 4 profiles displayedRMS/Rq（均方根偏差）:由实测数据计算非球面理论数据类似地,不去除表面结构参数即为Rt.D=B-C(Residual error afterPt/Rt(轮廓总高度 ):+a1|x|+a2|x|2 +a3|x|3 +a20|x|203)Standard Equation for an Aspheric Surface可只选择两个轮廓进行

23、显示 Pt/Rt(轮廓总高度 ):Pt 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.Smx():Smx is the maximum surface slope error.This is the maximum difference in angular slope betwee

24、n any two adjacent data points and the best fit least squares reference line:calculated from the total profile.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

25、the total profile.Tilt(倾斜):Tilt is the angle of the calculated horizontal axis of the component,relative to the traverse unit datum axis.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。Xt:Xt is the distance of the aspheric axis from the measured data.Xt是指非球面光轴到测

26、量起始点之间的距离。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。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 parameter Rq RMS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。Wel

27、l known to optics user base光学用户都非常熟知在此区域有高的非球面在此区域有高的非球面偏离，这非常重要！偏离，这非常重要！Stylus Flanking 测头侧面接触Stylus Flanking!测头侧面接触测头侧面接触!Very high accuracy alignment of the fixture is required to achieve this典型加工时间(50mm口径)Aspheric Design Data can now be saved as a.SAG Table Analysis SAG表分析Xp is the distance of

28、the highest peak from the aspheric axis.可只选择两个轮廓进行显示Allows removal of Surface Roughness,Spikes etc from measurementRadius Optimisation 半径优化Form Talysurf 测量非球面之所以称为“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All 4 profiles displayedwhere e is the eccentricity of the conic section(离心率)New Aspheric Utility Softwa

29、reAstigmatism Analysis 对称性分析请注意非球面可以是几乎平的表面(例如施密特板)avoiding the need for repeated data entryFig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.Allows removal of Surface Roughness,Spikes etc from measurement当e时，它表示抛物线（其中e是圆锥曲线的离心率，定点是圆锥曲线的焦点，定直线是圆锥曲线的准线）Odd Asphere(奇次非球面)PGI 850&1250-Measurement Method 测量方法 The

30、 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 necessary 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(Sta

31、ndard for PGI 635)Basic Form Analysis基本的形状分析基本的形状分析Radius Optimisation 半径优化半径优化Cursors/Exclusions 光标操作光标操作Lambda S Filter s滤波滤波Level 2(Standard for PGI 840&PGI 1240)Astigmatism Analysis 对称性分析对称性分析SAG Table Analysis SAG表分析表分析Level 3(Standard for PGI 850&PGI 1250)Derived Coefficient Analysis 得到非球面系数得到

32、非球面系数(逆向逆向)Data Cursor 光标Aspheric Design Data can now be saved as a.COF file,avoiding the need for repeated data entryAllows removal of Surface Roughness,Spikes etc from measurementCompares multiple measurement profiles to check for rotational asymmetryAstigmatism Analysis 对称性分析All 4 profiles displa

33、yed显示四个显示四个轮廓轮廓Astigmatism Analysis 对称性分析Only 2 profiles selected for display可只选择两可只选择两个轮廓进行个轮廓进行显示显示Astigmatism Analysis 对称性分析Form Error between 2 worst profiles两个最差的轮两个最差的轮廓之间的形状廓之间的形状误差误差Parameters displayed to quantify Astigmatic Error量化的参数显量化的参数显示对称性误差示对称性误差Nominal Radius Result名义基圆名义基圆半径时的半径时的

34、结果结果Optimised Radius Results名义基圆半径时的形状误差分析结果 Design分析Astigmatism Analysis 对称性分析Red cursor shows current position,both absolute and relativeStylus Flanking 测头侧面接触中心及边缘部分相差较大，测量时部分方向未过顶点非球面之回转中心线应该是水平面垂直的.当e时，它表示抛物线（其中e是圆锥曲线的离心率，定点是圆锥曲线的焦点，定直线是圆锥曲线的准线）三个测量轨迹必须共线，以保证可靠的测量Form Error between 2 worst prof

35、ilesCOF格式存盘，避免重复数据输入除了面型与偏心外，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）Astigmatism Analysis 对称性分析-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。双曲面(k-1)a)Form Talysurf(T/H)b)UA3P(Panasonic)Very high accuracy alignment of the fixture is required to achieve thisForm Talysurf 测量非球面PGI 8

36、50&1250-Measurement Method 测量方法The part is rotated then tilted to obtain the 3 measurements requiredOptimised Radius Results最佳基圆半径时的形状误差分析结果 Optimised Radius Result最佳基圆半最佳基圆半径时的结果径时的结果BestFit分析Calculates the Aspheric Design Data for undefined components由实测数据计算非球面理论数据由实测数据计算非球面理论数据 面型图的分析应该包括:a)参数大小:

37、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 此面型图数值大小尚可，但是对称性不好，曲线存在突变。此面型图数值大小及对称性均良好 几个方向的轮廓一致性较好 中心及边缘部分相差较大，测量时部分方向未过顶点avoiding the need for repeated data entryAllows removal of Surface Roughness,Spikes etc from measurementRMS是指与平均值的绝对偏差的均方根粗糙度。SAG Table An

38、alysis SAG表分析PGI 850&1250-Measurement Method 测量方法C=Absolute aspheric formRMS is the Root Mean Square calculation of the absolute deviation of the residuals from the mean line.Optimised Radius Results名义基圆半径时的形状误差分析结果Stylus Flanking!有效减少光学系统中的透镜个数Allows removal of Surface Roughness,Spikes etc from mea

39、surement抛光垫接触或者 MRF(磁流体)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。3)Standard Equation for an Aspheric SurfaceRed cursor shows current position,both absolute and relative面型测量中哪些因素会影响测量结果？All 4 profiles displayed圆锥常数(Conic constant)比较多个测量轮廓以检查对称性请注意非球面可以是几乎平的表面(例如施密特板)对于球面，误差沿最佳拟合圆的法向 轮廓误差较小，不同方向面

40、型一致性较好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请注意非球面可以是几乎平的表面(例如施密例如施密特板特板)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：球面球面(k=0)(k=0)抛物面抛物面(k=-1)(k=-1)双曲面双曲面(k-1)(k-1)椭圆椭圆(-1

41、k0)(-1k0)K K为圆锥常数为圆锥常数(Conic Constant),(Conic Constant),也称为二次常数也称为二次常数.222111xckcxz 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，定点是圆锥曲线的焦点，定直线是圆锥曲线的准线）典型加工时间(50mm口径)1010分钟分钟 典型形状精度 0.10.1 m m 至至 1 1 m m 材料 有色金属，如铝、

42、铜、镍等有色金属，如铝、铜、镍等 晶体，如锗、硫化锌、硅、铌酸锂等晶体，如锗、硫化锌、硅、铌酸锂等 高分子聚合物高分子聚合物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 necessary 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.Data Cursor 光标Astigmatism Analysis 对称性分析All 4 profiles displayed显示四个显示四个轮廓轮廓