CN102168955A - 一种光学球面曲率半径的检测方法 - Google Patents

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一种光学球面曲率半径的检测方法，涉及光学球面曲率半径的测量方法，它解决了现有测量光学球面的曲率半径的方法存在误差，并且现有测量方法较难精确实现对大曲率半径的球面镜进行测量的问题，其方法为：调整靶标球与干涉仪的相对位置，判断靶标球的曲率中心与干涉仪出射波前焦点是否重合；是，则激光跟踪仪测量靶标球的曲率中心坐标，所述靶标球的曲率中心坐标即为干涉仪出射波前焦点的坐标；否，继续调整靶标球与干涉仪的相对位置；直到待测球面镜达到零条纹干涉状态；采用激光跟踪仪测量待测球面镜上多点的位置坐标；然后将多个值进行平均和统计运算，获得待测光学球面镜的曲率半径。本发明适用于光学测量技术领域。

Description

一种光学球面曲率半径的检测方法
技术领域
本发明涉及一种光学球面曲率半径的测量方法。
背景技术
光学球面镜包括球面透镜和球面反射镜，它是成像光学系统的主要元件，在其研制过程中保证其曲率半径的准确性是保证其质量的关键。
目前，测量光学球面曲率半径的方法有很多种，传统的方法有球径仪法、样板法等。这些传统的方法设备简单、测试方便，适于现场检验。但存在主观、定量困难、灵敏度欠高等缺点。牛顿环等厚干涉法一直是光学球面镜曲率半径测量中最为主要和广泛应用的方法之一。在分析牛顿环干涉条纹时，一般都是以透镜凸表面与平面玻璃相切于一点为条件来分析条纹性质，这在理论上无疑是正确的，但实际上，球面与平面玻璃接触处受到压力而使其表面磨损，甚至变形，改变了球面的曲率半径；由于球面与平面接触不良，或接触点变动，使测量时干涉条纹的位置发生变动，透镜凸表面与平面玻璃之间存在微小的尘埃，导致实验中系统产生了误差；另外，在调节时也不能保证透镜凸表面与平面玻璃准确地相切，从而在接触处引起附加的程差。
此外，用干涉仪与光栅尺组成的测量设备可以精确实现对光学球面曲率半径的测量。基于干涉仪的直接测量方法需要给干涉仪配置光栅尺，并将被测镜头装夹在调整机构上。干涉仪的出射准直光通过标准镜头后变成会聚球面波，在齐焦和猫眼两个位置上，标准球面波前与被测曲面将产生干涉图。利用光栅尺测量这两个位置间的距离，即可得到球面的曲率半径。该方法对于曲率不是很大的球面镜曲率半径的测量很适用，但对于大曲率半径的球面镜，需要很长的光栅尺，高精度、超长光栅尺的制作成本是非常昂贵的。
发明内容
本发明为解决现有测量光学球面的曲率半径的方法存在误差，并且现有测量方法较难精确实现对大曲率半径的球面镜进行测量的问题，提供一种光学球面曲率半径的检测方法。
一种光学球面曲率半径的检测方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、调整靶标球与干涉仪的相对位置，判断所述靶标球的曲率中心与干涉仪出射波前焦点是否重合；如果是，则执行步骤二；如果否，则继续调整靶标球与干涉仪的相对位置；
步骤二、激光跟踪仪测量靶标球的曲率中心坐标，所述靶标球的曲率中心坐标即为干涉仪出射波前焦点的坐标；
步骤三、反复调整待测球面镜与干涉仪的相对位置，使待测球面镜达到零条纹干涉状态；采用激光跟踪仪测量待测球面镜上多点的位置坐标；获得待测球面镜曲率半径的多个值；
步骤四、将步骤三获得待测球面镜曲率半径的多个值进行平均和统计运算，获得待测光学球面镜的曲率半径。
本发明的工作原理：本发明根据待测球面镜的曲率半径和口径给干涉仪选择配备合适的标准镜头。测量凹球面镜时要求干涉仪标准镜的F#≤R#(F#＝f/D，其中f为标准镜的焦距、D为标准镜的口径；R#＝r/d，其中r为待测球面镜的曲率半径、d为待测球面镜的口径)。测量凸球面镜时不仅要求干涉仪标准镜的F#≤R#，而且要求f＞r(其中f为干涉仪标准镜的焦距，r为待测球面镜的曲率半径)。所述F#、R#为干涉仪标准镜的F数和R数；给干涉仪安装好标准镜头后，通过反复调整将激光跟踪仪的靶标球的曲率中心与干涉仪出射波前的焦点重合。判定的依据是：通过干涉仪观察并测定经靶标球表面反射回来的波前，此时，干涉条纹应为零条纹状态，且离焦量为零。通过激光跟踪仪精确测量此时靶标球的曲率中心坐标，即为干涉仪出射球面波前焦点的坐标。反复调整待测球面镜与干涉仪的相对位置，使待测球面镜达到零条纹干涉状态，且离焦量为零。通过激光跟踪仪测定此时待测球面镜面上多点的位置坐标。通过计算干涉仪出射球面波前焦点的坐标与待测球面上某点位置坐标之间的距离即可得到待测球面镜的曲率半径。测量镜面上多点的位置坐标，即可分析求解得到待测球面镜曲率半径的多个数值，将这些数据进行平均和统计运算即可精确的得到待测光学球面镜的曲率半径。
本发明的有益效果、本发明通过扩充激光干涉仪和激光跟踪仪的现有功能，能够准确的实现对光学球面曲率半径的测量。本发明所述的方法能够精确实现对球面曲率半径的测量，所述方法数据处理和数学运算简单，实验操作简单易行，测量时间短、测试成本低。
附图说明
图1为本发明所述的一种光学球面曲率半径的检测方法中对光学凹球面曲率半径检测的装置结构示意图；
图2为本发明所述的一种光学球面曲率半径的检测方法中对光学凸球面曲率半径检测的装置结构示意图；
图3为本发明所述的一种光学球面曲率半径的检测方法的流程图。
图中：1、干涉仪，2、激光跟踪仪，3、靶标球，4、第一调整机构，5、第二调整机构，6、第三调整机构，7、待测球面镜。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，一种光学球面镜曲率半径的检测方法，该方法由以下步骤实现：
步骤一、调整靶标球3与干涉仪1的相对位置，判断所述靶标球3的曲率中心与干涉仪1出射待测球面镜的波前焦点是否重合；如果是，则执行步骤二；如果否，则继续调整靶标球3与干涉仪1的相对位置；
步骤二、激光跟踪仪2测量靶标球3的曲率中心坐标，所述靶标球3的曲率中心坐标即为干涉仪1出射波前焦点的坐标；
步骤三、反复调整待测球面镜7与干涉仪1的相对位置，使待测球面镜7达到零条纹干涉状态；采用激光跟踪仪2测量待测球面镜7上多点的位置坐标；获得待测球面镜7曲率半径的多个值；
步骤四、将步骤三获得待测球面镜7曲率半径的多个值进行平均和统计运算，获得待测光学球面镜7的曲率半径。
本实施方式中还包括对干涉仪1标准镜头的选择，根据待测球面镜7的曲率半径和口径选择干涉仪1的标准镜头。
本实施方式中步骤二所述的判断所述靶标球3的曲率中心与干涉仪1出射波前焦点是否重合的依据为：通过观察干涉仪1并测定经靶标球3表面返射的波前，干涉条纹为零条纹状态，且离焦量为零。
本实施方式所述的靶标球3、干涉仪1和待测球面镜7分别固定在第一调整机构4、第二调整机构5和第三调整机构6上，所述第一调整机构4、第二调整机构5和第三调整机构6为三维标准架或者六维标准架。
本实施方式所述中待测球面镜7为凸球面镜、凹球面镜、球面透镜或者球面反射镜。
本实施方式中所述的激光干涉仪1是一种高精度测量光学面形的装置，激光干涉仪先通过其内部的激光器发射出激光光束，该光束经半透半反标准物镜后分成两束光，一部分光沿原路返回，称之为参考光；另一部分光束经后面的待测球面镜反射后沿原路返回，称之为测试光；测试光束和参考光束将发生干涉，形成干涉条纹，通过位相计算即可得到待测光学镜面的面形精度。激光干涉仪一般用来检测光学镜面的面形分布，并不能直接实现对球面元件曲率半径的测量。
激光跟踪仪2是一种高精度、大容量的便携式三位坐标测量设备，该激光跟踪仪使用两个旋转角编码器和一个激光距离测量系统，以跟踪和测量靶标球3的位置。靶标球3是由空心的直角反射镜组成，此反射镜精确固定在加工球体内。球体外表面到中心的距离已知(即球体半径)，激光跟踪仪测量软件利用球体半径进行测量偏移或补偿测量。激光跟踪仪发射并接收从靶标球返回的红色氦氖激光，激光跟踪仪机械轴的方向会根据位置感应探测器的反馈不断进行调整。激光跟踪仪通过测量两个角度和一个距离来确定目标的坐标。这些角度由安装在顶点角轴和方位角轴上的编码器来测量。径向距离是由条纹计数干涉仪或一种相位偏移绝对距离测量系统(XtremeADM)来测量。激光跟踪仪一般用来测量物体之间的相对位置关系，但是并不能实现对球面元件曲率半径的直接测量。
将激光干涉仪1和激光跟踪仪2两者组合起来却能实现对光学球面曲率半径的精确测量。
本发明通过激光跟踪仪精确定位测量干涉仪出射球面波前的焦点和待测球面镜的曲率中心点坐标，再调整待测球面镜与干涉仪的相对位置，使待测球面镜达到零条纹干涉状态，通过激光跟踪仪测定此时待测球面镜面上多点的位置坐标，通过计算分析即可得到待测球面镜的曲率半径。

Claims (5)

1.一种光学球面曲率半径的检测方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：
步骤一、调整靶标球(3)与干涉仪(1)的相对位置，判断所述靶标球(3)的曲率中心与干涉仪(1)出射波前焦点是否重合；如果是，则执行步骤二；如果否，则继续调整靶标球(3)与干涉仪(1)的相对位置；
步骤二、激光跟踪仪(2)测量靶标球(3)的曲率中心坐标，所述靶标球(3)的曲率中心坐标即为干涉仪(1)出射波前焦点的坐标；
步骤三、反复调整待测球面镜(7)与干涉仪(1)的相对位置，使待测球面镜(7)达到零条纹干涉状态；采用激光跟踪仪(2)测量待测球面镜(7)上多点的位置坐标；获得待测球面镜(7)曲率半径的多个值；
步骤四、将步骤三获得待测球面镜(7)曲率半径的多个值进行平均和统计运算，获得待测光学球面镜(7)的曲率半径。
2.根据权利要求1所述的一种光学球面曲率半径的检测方法，其特征在于，它还包括对干涉仪(1)标准镜头的选择，根据待测球面镜(7)的曲率半径和口径选择干涉仪(1)的标准镜头。
3.根据权利要求1所述的一种光学球面曲率半径的检测方法，其特征在于，步骤二所述的判断所述靶标球(3)的曲率中心与干涉仪(1)出射波前焦点是否重合的依据为：通过观察干涉仪(1)并测定经靶标球(3)表面返射的波前，干涉条纹为零条纹状态，且离焦量为零。
4.根据权利要求1所述的一种光学球面曲率半径的检测方法，其特征在于，所述靶标球(3)、干涉仪(1)和待测球面镜(7)分别固定在第一调整机构(4)、第二调整机构(5)和第三调整机构(6)上，所述第一调整机构(4)、第二调整机构(5)和第三调整机构(6)为三维标准架或者六维标准架。
5.根据权利要求1所述的一种光学球面曲率半径的检测方法，其特征在于，所述待测球面镜(7)为凸球面镜、凹球面镜、球面透镜或者球面反射镜。
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