CN101858736B

CN101858736B - 多焦全息差动共焦超大曲率半径测量方法与装置

Info

Publication number: CN101858736B
Application number: CN2010101730840A
Authority: CN
Inventors: 赵维谦; 孙若端; 史立波; 邱丽荣
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2010-05-10
Filing date: 2010-05-10
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2030-05-10
Also published as: CN101858736A

Abstract

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种多焦全息差动共焦超大曲率半径测量方法与装置。该方法首先利用差动共焦系统对多焦全息透镜的长焦距值进行校准，减小测量的系统误差，然后利用差动共焦定焦原理对被测件的猫眼位置和共焦位置实现非接触高精度定位，继而利用几何光学原理可以实现超大曲率半径的高精度测量。该装置包括点光源、第一分光镜、准直物镜、多焦全息透镜、差动共焦系统、调整架、测长系统和移动导轨。本发明首次将差动共焦高精度定焦原理与多焦全息透镜压缩光路原理相融合，具有被测件移动距离小、测量精度高、测量速度快、抗环境干扰能力强、对被测表面无损伤等优点，可用于超大曲率半径的高精度非接触测量。

Description

多焦全息差动共焦超大曲率半径测量方法与装置

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，可用于超大曲率半径的高精度测量。

背景技术

大型光学元件被广泛应用于空间光学系统、高能激光器、激光核聚变等大型光学系统中。但大型光学元件曲率半径的测量，因其存在定焦瞄准精度低、测量路径长且易受环境状态因素干扰等，其一直是光学领域测量的难题之一，也是空间光学系统、高能激光器、激光核聚变等大型光学系统研制中亟待解决的技术瓶颈。这一技术特征在空间光学仪器、高能激光武器、激光核聚变工程等国家重大专项和国家重大工程中将体现的尤为迫切。

针对曲率半径测量，国内学者提出了一些测量方法，包括2007年在应用光学中发表的《基于白光干涉的光学球面半径测量研究》，此类技术主要采用了莫尔光栅位移测量系统、迈克尔逊白光干涉系统，实现精确测量，该系统采用了光学无损测量方法，避免了接触性测量对光学表面的损害；利用数字图像处理技术可直接对图像进行处理并根据图像测量数据计算得到测量结果，减少了目视光学测量系统调焦对准误差，与传统方法相比灵敏度有所提高，但此系统需要测量的参数较多，测量精度低。

中国专利“差动共焦曲率半径测量方法与装置”(专利号：CN200910082249.0)，利用差动共焦定焦原理，对被测件被测表面顶点和球心实现高精度定位，通过被测件两次定位移动的距离即可得到被测表面的曲率半径。这种方法的测量精度较高，但当被测表面的曲率半径较大时，必须在大范围内移动被测件，所以此方法不适用于超大曲率半径的测量。

相比较国外的曲率半径测量技术，2004年，美国计量院的Wang Quandou及其工作小组构建了一台超高精度的移相干涉仪XCALIBIR，通过对于环境的苛刻控制，补偿十余项误差后，其曲率半径测量精度达到了0.003％。2005年，在SPIE中发表的《Radius case study：Optical bench measurement and uncertaintyincluding stage error motions》中，采用了建立新的坐标模型技术进行曲率半径测量，并达到接近微米级的测量精度。2006年在Optical Engineering中发表的《Compact system for measurement of optical surfaces having a large radius ofcurvature》一文中，提出一种将斐索干涉仪与变焦镜头相结合的方法与装置，用于测量大曲率半径，对于曲率为10m的半径，其测量精度为0.04％。2008年，Wang Quandou将移相干涉与全息技术相结合，通过在大曲率半径检测光路中引入菲涅尔全息板，压缩光路整体长度，可实现曲率半径大于10m的镜面的高精度检测。但由于采用干涉仪，测量过程中易受温度、气流、振动等环境状态因素的干扰，对测量环境提出了苛刻的要求。

近年来，国内外显微成像领域的差动共焦技术快速发展，例如中国专利“具有高空间分辨率的差动共焦扫描检测方法”(专利号：200410006359.6)，其提出了超分辨差动共焦检测方法，使系统轴向分辨力达到纳米级，而将该技术与多焦全息透镜技术相融合，继而实现超大曲率半径测量的报道，迄今为止尚未见到。

发明内容

本发明的目的是为了解决超大曲率半径的高精度测量问题，提出一种多焦全息差动共焦超大曲率半径测量方法与装置。本发明首先利用差动共焦系统对多焦全息透镜的长焦距值进行校准，然后利用差动共焦定焦原理对被测件的猫眼位置和共焦位置实现非接触高精度定位，继而利用几何光学原理可以实现超大曲率半径的高精度测量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

多焦全息差动共焦超大曲率半径测量方法其特征在于：

(a)首先，调整被测件和多焦全息透镜，使被测件被测表面和多焦全息透镜均与准直透镜共光轴；

(b)然后，打开点光源，其发出的光经第一分光镜、准直透镜和多焦全息透镜后，照射在被测件被测表面，经被测表面反射，再次通过多焦全息透镜和准直透镜，由第一分光镜反射进入差动共焦系统；

(c)而后，将被测件沿光轴方向移动，利用多焦全息透镜中短焦测量光束的会聚点对被测件的猫眼位置进行定位，差动共焦系统通过探测差动共焦响应信号的绝对零点确定此时被测件的位置坐标z₁；利用多焦全息透镜中长焦测量光束的会聚点对被测件的共焦位置进行定位，差动共焦系统通过探测差动共焦响应信号的绝对零点确定此时被测件的位置坐标z₂；其中猫眼位置为多焦全息透镜中短焦测量光束的会聚点与被测件被测表面顶点重合时被测件的位置，共焦位置为多焦全息透镜中长焦测量光束的会聚点与被测件被测表面球心重合时被测件的位置；

(d)根据多焦全息透镜的短焦距值f_i和长焦距值f₂，由几何光学原理可得被测表面超大曲率半径r满足：

r＝f₂-f₁-|z₂-z₁|。

此方法所述多焦全息透镜长焦距值f₂的校准步骤包括：

(a)首先，用标准透镜替换多焦全息透镜，并用此多焦全息透镜替换被测件；

(b)然后，打开点光源，其发出的光经第一分光镜、准直透镜和标准透镜后形成测量光束并会聚到多焦全息透镜表面，经多焦全息透镜表面反射，再次通过标准透镜和准直透镜后，由第一分光镜反射进入差动共焦系统；

(c)而后，沿光轴方向移动多焦全息透镜，差动共焦系统通过探测差动响应信号的绝对零点获取多焦全息透镜任意一个高阶焦点的位置F⁽ⁿ⁾′，并由此可得高阶焦点F⁽ⁿ⁾′对应的高阶焦距值f⁽ⁿ⁾′；

(d)由于多焦全息透镜各阶焦点对应的焦距值具有线性关系，根据(c)中所得的高阶焦距值f⁽ⁿ⁾′可得多焦全息透镜的长焦距值f₂＝n×f⁽ⁿ⁾′。

多焦全息差动共焦超大曲率半径测量装置，包括点光源，还包括第一分光镜、准直物镜、多焦全息透镜、差动共焦系统、调整架、测长系统和移动导轨；其中第一分光镜、多焦全息透镜与被测件依次放在光线的出射方向，差动共焦系统放置在第一分光镜的反射方向，被测件被测表面与第一分光镜将光束反射至差动共焦系统；调整架用于固定被测件及调整被测件的光轴；调整架与测长系统安装于移动导轨上。

装置中还包括标准透镜，用于多焦全息透镜长焦距值f₂的校准。

装置中的差动共焦系统包括第二分光镜、第一光强传感器和第二光强传感器；由第一分光镜反射回来的光线进入差动共焦系统，并由第二分光镜将光线分成两路，一路照射在位于焦后的第一光强传感器上，另一路照射在位于焦前的第二光强传感器上。

装置中的差动共焦系统包括第二分光镜、焦前针孔、焦后针孔、第一光强传感器和第二光强传感器；由第一分光镜反射回来的光线进入差动共焦系统，并由第二分光镜将光线分成两路，一路通过焦后针孔后照射在第一光强传感器上，另一路通过焦前针孔后照射在第二光强传感器上。

装置中的差动共焦系统包括第二分光镜、焦前显微物镜、焦后显微物镜、第一光强传感器和第二光强传感器；其中焦后显微物镜的物平面位于焦后，在其像平面放置第一光强传感器，焦前显微物镜的物平面位于焦前，在其像平面放置第二光强传感器；由第一分光镜反射回来的光线进入差动共焦系统，并由第二分光镜将光线分成两路，一路通过焦后显微物镜后成像在第一光强传感器上，另一路通过焦前显微物镜后成像在第二光强传感器上。

装置中还包括主控计算机和机电控制装置；主控计算机通过光强传感器获取差动共焦响应信号；主控计算机通过控制机电控制装置来驱动调整架沿光轴方向移动。

装置中的差动共焦系统还可以替换为共焦系统。

有益效果：

本发明对比已有技术具有以下创新点：

1.本发明首次将差动共焦高精度定焦原理与多焦全息透镜压缩光路原理相融合。

2.多焦全息透镜的参数可以自校准，减小了测量的系统误差。

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

1.本发明使测量光路得到压缩，被测件移动距离小，避免了传统超大曲率半径测量必须在大范围内移动被测件的不足。

2.差动工作方式可以削减空气扰动等环境干扰对测量精度的影响。

3.本测量方法中，差动共焦原理以光强响应曲线作为定焦判据，并配合差动共焦系统进行光强调制与滤波，削减空气扰动等环境干扰对测量精度的影响，相比以图像、干涉条纹作为定焦判据的曲率半径测量方法具有更高的稳定性。

附图说明

图1为本发明多焦全息差动共焦超大曲率半径测量方法示意图；

图2为本发明多焦全息差动共焦超大曲率半径测量方法示意图；

图3为本发明多焦全息透镜长焦距值校准方法示意图；

图4为本发明多焦全息透镜的多焦点特性示意图；

图5为本发明多焦全息差动共焦超大曲率半径测量装置示意图；

图6为本发明差动共焦系统示意图；

图7为本发明差动共焦系统示意图；

图8为本发明多焦全息差动共焦超大曲率半径测量实施例示意图；

其中：1-点光源、2-第一分光镜、3-准直透镜、4-多焦全息透镜、5-短焦测量光束的会聚点、6-被测表面、7-被测件、8-长焦光束的会聚点、9-差动共焦系统、10-第一光强传感器、11-第二光强传感器、12-第二分光镜、13-焦后针孔、14-焦前针孔、15-被测表面、16-被测件、17-标准透镜、18-调整架、19-测长系统、20-移动导轨、21-机电控制装置、22-主控计算机、23-焦后显微物镜、24-焦前显微物镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明将差动共焦技术与多焦全息透镜技术相融合，其基本思想是：首先利用差动共焦系统对多焦全息透镜的长焦距值进行校准，然后利用差动共焦定焦原理对被测件的猫眼位置和共焦位置实现非接触高精度定位，继而利用几何光学原理实现超大曲率半径的高精度测量。

实施例1

本实施例中采用凸透镜作为被测件7，如图5所示，多焦全息差动共焦超大曲率半径测量装置，包括点光源1，依次放在点光源1出射光方向的第一分光镜2、准直透镜3、多焦全息透镜4和被测件7，还包括放置在第一分光镜2反射方向的差动共焦系统9；被测件7的被测表面6与第一分光镜2将光束反射至差动共焦系统9。

装置中还包括调整架18、测长系统19、移动导轨20、主控计算机22和机电控制装置21；调整架18用于固定被测件7及调整被测件7的光轴，调整架18与测长系统19安装于移动导轨20上，主控计算机22通过第一光强传感器10和第二光强传感器11获取差动共焦响应信号，主控计算机22通过控制机电控制装置21来驱动调整架18沿移动导轨20滑动，调整架18带动被测件7沿光轴方向扫描移动。如图3所示，装置中还包括标准透镜17，用于多焦全息透镜4长焦距值的校准。

多焦全息差动共焦超大曲率半径测量方法，其测量步骤是：

首先，使用焦距为2500mm标准透镜17对多焦全息透镜4的长焦距值进行校准，如图4所示，已知多焦全息透镜4短焦距值为f₁＝500mm，长焦距值为f₂＝10000mm，多焦全息透镜4具有多个高阶焦点，分别处于±f₂、±f₂/3、±f₂/5、±f₂/7位置，各个焦点对应的焦距值具有线性关系。如图3所示，具体校准步骤如下：

(a)启动主控计算机22中的测量软件，打开点光源1，点光源1发出的光经第一分光镜2、准直透镜3和标准透镜17后形成测量光束并会聚到多焦全息透镜4表面，多焦全息透镜4表面反射的光再次通过标准透镜17和准直透镜3后，经第一分光镜2反射进入差动共焦系统9；差动共焦系统9内的第二分光镜12将光线分成两路，反射光经过焦后针孔13后照明第一光强传感器10，透射光经过焦前针孔14后照明第二光强传感器11；

(b)调整标准透镜17和多焦全息透镜4，使其与准直透镜3共光轴；

(c)主控计算机22通过控制机电控制装置21驱动调整架18沿移动导轨20滑动，调整架18带动多焦全息透镜4沿光轴方向扫描移动，主控计算机22通过探测差动共焦响应信号的绝对零点来确定测量光束的会聚点与多焦全息透镜4第5阶焦距f⁽⁵⁾′的焦点重合，测得f⁽⁵⁾′＝2000mm；

(d)利用多焦全息透镜4焦距值的线性关系，计算校准后多焦全息透镜4的长焦距值：f₂＝5×f⁽⁵⁾′＝10000mm。

然后，用校准后的多焦全息透镜4替换标准透镜17，并将被测件7放置于调整架18上，构成如图8所示光路用于测量被测件7被测表面6的超大曲率半径。使用多焦全息透镜4中长焦区域的+1级衍射光生成会聚球面波，检测被测件7被测表面6的共焦位置，由多焦全息透镜4中短焦区域的1级衍射光获取被测件7被测表面6的猫眼位置，具体测量步骤如下：

(a)点光源1发出的光经第一分光镜2、准直透镜3和多焦全息透镜4后，照射于被测件7的被测表面6，经被测表面6反射，再次通过多焦全息透镜4和准直透镜3，由第一分光镜2反射进入差动共焦系统9；差动共焦系统9内的第二分光镜12将光线分成两路，反射光经过焦后针孔13后照明第一光强传感器10，透射光经过焦前针孔14后照明第二光强传感器11；

(b)调整被测件7和多焦全息透镜4，使其与准直透镜3共光轴；

(c)主控计算机22通过控制机电控制装置21驱动调整架18沿移动导轨20滑动，调整架18带动被测件7沿光轴方向扫描，使用多焦全息透镜4中短焦区域的1级衍射光获取被测件7的猫眼位置，使用多焦全息透镜4中长焦区域的+1级衍射光生成会聚球面波，获取被测件7被测表面6的共焦位置；其中猫眼位置为多焦全息透镜4中短焦测量光束的会聚点5与被测件7被测表面6的顶点重合时被测件7的位置，共焦位置为多焦全息透镜4中长焦测量光束的会聚点8与被测件7被测表面6的球心重合时被测件7的位置；

(d)当被测件7的猫眼位置与多焦全息透镜4中短焦测量光束的会聚点5重合时，测长系统19将位置坐标信息传送给主控计算机22，主控计算机22通过探测第一光强传感器10与第二光强传感器11的差动响应信号的绝对零点值来确定此时被测件7的位置坐标z₁＝500mm；当被测件7的共焦位置与多焦全息透镜4中长焦测量光束的会聚点8重合时，测长系统19再次将位置坐标信息传送给主控计算机22，主控计算机22通过探测第一光强传感器10与第二光强传感器11的差动响应信号的绝对零点值来确定此时被测件7的位置坐标z₂＝2000mm；

(e)根据多焦全息透镜4的短焦距值f₁＝500mm和长焦距值f₂＝10000mm，可得被测件7被测表面6的超大曲率半径：r＝f₂-f₁-|z₂-z₁|＝8000mm。被测件7移动的距离为|z₂-z₁|＝1500mm。

实施例2

本实施例中采用凹透镜作为被测件16，如图2所示，与实施例1所不同的是，被测件16被测表面15是负曲率半径，测量时使用多焦全息透镜4中长焦区域的-1级衍射光生成发散球面波，检测被测件7被测表面6的共焦位置，由多焦全息透镜4中短焦区域的1级衍射光获取被测件7被测表面6的猫眼位置；即就是利用多焦全息透镜短焦测量光束的会聚点5对被测表面15的顶点进行定位，利用多焦全息透镜长焦测量光束的会聚点8对被测表面15的球心位置进行定位。其余测量方法与装置与实施例1相同。

实施例3

将实施例1图8中的差动共焦系统9替换为图6的差动共焦系统9，即可构成实施例2。与实施例1所不同的是，光线进入差动共焦系统9后，第二分光镜12将光线分成两路，反射光照明位于焦后的第一光强传感器10，透射光照明位于焦前的第二光强传感器11。其余测量方法与装置与实施例1相同。

实施例4

将实施例1图8中的差动共焦系统9替换为图7的差动共焦系统9，即可构成实施例3。与实施例1所不同的是，光线进入差动共焦系统9后，第二分光镜12将光线分成两路，反射光经过焦后显微物镜23后在第一光强传感器10表面成像，透射光经过焦前显微物镜24后在第二光强传感器11表面成像；其中焦后显微物镜23的物平面位于焦后，在其像平面放置第一光强传感器10，焦前显微物镜24的物平面位于焦前，在其像平面放置第二光强传感器11。其余测量方法与装置与实施例1相同。

此实施例通过一系列的措施实现了超大曲率半径的非接触高精度测量，实现了多焦全息差动共焦超大曲率半径测量方法与装置，具有对被测件无损伤、测量精度高、被测件移动距离小、测量速度快等优点。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims

1.多焦全息差动共焦超大曲率半径测量方法，其特征在于：

(1)首先，利用标准透镜对多焦全息透镜的长焦距值f₂进行校准，其校准步骤包括：

(a)打开点光源，其发出的光经第一分光镜、准直透镜和标准透镜后形成测量光束并会聚到多焦全息透镜表面，经多焦全息透镜表面反射，再次通过标准透镜和准直透镜后，由第一分光镜反射进入差动共焦系统；

(b)调整标准透镜和多焦全息透镜，使其与准直透镜共光轴；

(c)沿光轴方向移动多焦全息透镜，差动共焦系统通过探测差动共焦响应信号的绝对零点获取多焦全息透镜第n阶高阶焦点F⁽ⁿ⁾′，并可得此高阶焦点F⁽ⁿ⁾′对应的高阶焦距值f⁽ⁿ⁾′；

(d)由于多焦全息透镜各阶焦点对应的焦距值具有线性关系，根据(c)中所得的高阶焦距值f⁽ⁿ⁾′可得多焦全息透镜的长焦距值f₂＝n×f⁽ⁿ⁾′；

(2)然后，用校准后的多焦全息透镜替换标准透镜，将被测件放置于调整架上，并调整被测件和多焦全息透镜，使被测件被测表面和多焦全息透镜均与准直透镜共光轴；

(3)继而，点光源发出的光经第一分光镜、准直透镜和多焦全息透镜后，照射在被测件被测表面，经被测表面反射，再次通过多焦全息透镜和准直透镜，由第一分光镜反射进入差动共焦系统；

(4)而后，将被测件沿光轴方向移动，利用多焦全息透镜短焦测量光束的会聚点对被测件的猫眼位置进行定位，差动共焦系统通过探测差动共焦响应信号的绝对零点确定此时被测件的位置坐标z₁；利用多焦全息透镜长焦测量光束的会聚点对被测件的共焦位置进行定位，差动共焦系统通过探测差动共焦响应信号的绝对零点确定此时被测件的位置坐标z₂；其中猫眼位置为多焦全息透镜短焦测量光束的会聚点与被测件被测表面顶点重合时被测件的位置，共焦位置为多焦全息透镜长焦测量光束的会聚点与被测件被测表面球心重合时被测件的位置；

(5)根据多焦全息透镜的短焦距值f₁和长焦距值f₂，由几何光学原理可得被测表面超大曲率半径r满足：

r＝f₂-f₁-|z₂-z₁|。

2.多焦全息差动共焦超大曲率半径测量装置，包括点光源，其特征在于：包括第一分光镜、准直透镜、多焦全息透镜、标准透镜、差动共焦系统、调整架、测长系统和移动导轨；校准多焦全息透镜长焦距值f₂时，点光源发出的光经第一分光镜、准直透镜和标准透镜后形成测量光束并会聚到多焦全息透镜表面，经多焦全息透镜表面反射，再次通过标准透镜和准直透镜后，由第一分光镜反射进入差动共焦系统；测量被测件被测表面曲率半径时，第一分光镜、多焦全息透镜与被测件依次放在光线的出射方向，差动共焦系统放置在第一分光镜的反射方向，被测件被测表面与第一分光镜将光束反射至差动共焦系统；调整架用于固定被测件及调整被测件的光轴；调整架与测长系统安装于移动导轨上。

3.根据权利要求2所述的多焦全息差动共焦超大曲率半径测量装置，其特征在于：差动共焦系统包括第二分光镜、第一光强传感器和第二光强传感器；由第一分光镜反射回来的光线进入差动共焦系统，并由第二分光镜将光线分成两路，一路照射在位于焦后的第一光强传感器上，另一路照射在位于焦前的第二光强传感器上。

4.根据权利要求2所述的多焦全息差动共焦超大曲率半径测量装置，其特征在于：差动共焦系统包括第二分光镜、焦前针孔、焦后针孔、第一光强传感器和第二光强传感器；由第一分光镜反射回来的光线进入差动共焦系统，并由第二分光镜将光线分成两路，一路通过焦后针孔后照射在第一光强传感器上，另一路通过焦前针孔后照射在第二光强传感器上。

5.根据权利要求2所述的多焦全息差动共焦超大曲率半径测量装置，其特征在于：差动共焦系统包括第二分光镜、焦前显微物镜、焦后显微物镜、第一光强传感器和第二光强传感器；其中焦后显微物镜的物平面位于焦后，在其像平面放置第一光强传感器，焦前显微物镜的物平面位于焦前，在其像平面放置第二光强传感器；由第一分光镜反射回来的光线进入差动共焦系统，并由第二分光镜将光线分成两路，一路通过焦后显微物镜后成像在第一光强传感器上，另一路通过焦前显微物镜后成像在第二光强传感器上。

6.根据权利要求3所述的多焦全息差动共焦超大曲率半径测量装置，其特征在于：包括主控计算机和机电控制装置；主控计算机通过光强传感器获取差动共焦响应信号；主控计算机通过控制机电控制装置来驱动调整架沿光轴方向移动。

7.根据权利要求4所述的多焦全息差动共焦超大曲率半径测量装置，其特征在于：包括主控计算机和机电控制装置；主控计算机通过光强传感器获取差动共焦响应信号；主控计算机通过控制机电控制装置来驱动调整架沿光轴方向移动。

8.根据权利要求5所述的多焦全息差动共焦超大曲率半径测量装置，其特征在于：包括主控计算机和机电控制装置；主控计算机通过光强传感器获取差动共焦响应信号；主控计算机通过控制机电控制装置来驱动调整架沿光轴方向移动。