透镜中心偏差的4种测量方法

一、 什么是中心偏差？

在光学系统中，各透镜曲率中心相对于系统光轴的偏离被称为透镜中心偏差。如图所示，镜筒内部安装了三个单片透镜：第一个透镜的光轴相对于主光轴呈倾斜偏离；第二个透镜则与主光轴完全对齐，因此其偏离值为零；第三个透镜的光轴则表现为平移偏离。实际上，透镜中心偏差是倾斜和平移两种偏离形式的综合体现。

图1.透镜中心偏差示意图

存在中心偏差的透镜在装配后，如果各球面的中心不落在主光轴上，那么该系统的共轴性就被破坏，这时光学系统就产生了附加像差，从而破坏成像质量。光学系统大多数采用球面对称系统，如某些球面球心偏离了光轴，光学系统会产生一些新像差，如慧差和像散等称之为失对称像差，它不属于光学设计的残余像差，而是由制造工艺引起的。

二、术语及定义

1、透镜中心偏差 centering error of lenses 

光学表面定心顶点处的法线对基准轴的偏离量。透镜中心偏差使用光学表面定心顶点处的法线与基准轴的夹角来度量，此夹角称为面倾角。

2、基准轴  datum axis

用来标注、检验、校正中心偏差，并按定位零件或组件光学表面的特性所选取的轴。

3、几何轴  geometrical axis

透镜边缘面的旋转轴。

4、定心顶点  centering vertex

光学表面与基准轴的交点。

5、球心差  spherical center aberration

被检光学表面球心到基准轴的距离。

6、偏心差  prejudicial aberration

被检光学零件或组件的几何轴在后节面上的交点与后节点的距离（在数值上等于透镜绕几何轴旋转时焦点像跳动圆半径）。

三、常见的中心偏差测量方法

对于中心偏差的测量，目前主要有两种分类方法。

一种是根据所用光源的相干性分为准直成像法和干涉测量法；

另一种是根据光线传播方式将其分为反射式测量和透射式测量。

这两种方法相互交叉，形成目前国内外主要的4种中心偏差测量方法：

反射式准直成像测量法、

透射式准直成像测量法、

反射式干涉测量

透射式干涉测量。

1、反射式准直成像测量法

反射式准直成像测量的基本原理是采用自准直光路，将被测球面的中心偏差反映在指标物的自准像的偏移上。通常都是借助于放大光学系统对反射指标像进行观测。

图2.反射式准直成像测量原理示意图

2、透射式准直成像测量法

在透射式成像测量法中，指标物体经过光学系统成平行光，然后经被测透镜折射成像，如果被测透镜存在中心偏差，则经过被测透镜所成的透射指标像将会偏离光轴。透射式测量的主要设备基本与反射式相同，仅比反射式测量方法多一个准直系统。

图3.透射式准直成像测量原理示意图

3、反射式干涉测量法

利用被测镜片表面的反射光与参考光发生干涉，从干涉图样中获取中心偏差的信息，这种方法称为反射式干涉测量法。它根据镜片反射光线位置的不同可以分为中心干涉测量和边缘干涉测量两种。

中心干涉测量: 反射式中心干涉是通过分析由被测镜片表面中心部分反射回来的光与参考光干涉产生的条纹，从而确定被测镜片被测面球心的一种测量方法。这种方法有多种结构，最常见结构的原理图如下图所示。

图4.中心干涉测量原理示意图

边缘干涉测量: 边缘干涉测量利用照射在透镜边缘的光发生干涉的原理，通过对干涉条纹移动量的判读，计算出被测镜片相对精密转轴的偏心量，其原理如图所示。

图5.边缘干涉测量原理示意图

4、透射式干涉测量法

透射式干涉测量是通过透镜的透射光发生干涉来测量透镜的中心偏差，它的原理如图6所示。将图6中的环形路径OPQ展开，其成像关系如图7所示。

图6.透射式干涉测量原理示意图

图7.环形路径展开的成像关系

      透射式干涉测量实际上是通过测量被测镜片两个焦点连线来确定它的光轴，再对比参考轴与被测连线间的偏差来确定镜片的中心偏差。这种透射式的测量方法不能测量被测镜片每一面的中心偏差，也不能测量反射元件。

     一般测量仪器所采用的方法为反射式准直成像测量法，可以兼顾结构简单、结果直观、测量范围大、偏差测量准确等方面。

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