CN102519397B - 一种光学球面曲率半径的测量方法 - Google Patents

Abstract

一种光学球面曲率半径的测量方法，属于光学测试技术领域。本方法是：基于激光球面干涉定位的原理，利用高精度标准球实现被测球面曲率中心处的定位，使用激光跟踪仪测量曲率中心点至与干涉仪共焦的镜面之间距离，通过数据处理即可得到光学球面的曲率半径。本发明使用高精度标准球实现镜面曲率中心点的定位及利用激光跟踪仪进行相对距离的测量，测量精确、简单，费用低廉，对大口径、长曲率光学球面半径的高精度检测有重要的应用价值。

Description

一种光学球面曲率半径的测量方法

技术领域

本发明涉及一种光学球面曲率半径的高精度测量方法，属于光学测试领域，适用于抛光后光学球面曲率半径的在位检测，尤其适用于大口径、大曲率半径的检测。

背景技术

光学球面曲率半径是决定光学系统成像质量的主要参数之一，曲率半径的准确测量对光学系统设计及光学球面加工质量审核有着重要的指导意义。

用环式球径仪测量球面曲率半径是通过测量出某部分球面对应的矢高及弦半径，然后计算该球面的曲率半径，其测量精度取决于被测球面的曲率半径及仪器的性能。这种方法比较简便，但是测量误差较大。

三坐标测量机法是目前比较通用的光学球面曲率半径的测量方法，通过三坐标测量头的三维移动采点获取全口径测量数据，通过最小二乘拟合的方法得到曲率半径。三坐标测量机法可以实现较高的测量精度，满足中小口径球面曲率半径的测量。其缺点是需多次接触被测光学元件，测量时间长，易受环境影响，不能实现在位测量。

传统的激光球面干涉仪法测量球面曲率半径的做法是：首先使用干涉仪与光学球面进行共焦定位；在已调整的精密导轨上移动光学球面，配合干涉仪对猫眼点进行定位。通过双频激光干涉测距仪或光栅尺测量光学球面移动的距离，即为光学球面曲率半径。激光球面干涉法直接测量曲率半径，是目前曲率半径测量精度最高的方法之一。这种方法的缺点是，需要高精度导轨实现光学球面的直线运动，测量成本高；测量前需对镜面光学轴、导轨运动轴、距离测量轴进行精确调整，测量效率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题：为了克服现有技术存在的不足，本发明提供了一种光学球面曲率半径的测量方法，可以实现在位测量，测量精度和效率高；且测量成本低。

本发明技术解决方案：一种光学球面曲率半径的测量方法，实现步骤如下：

步骤S1，通过调整干涉仪的空间位置，使干涉仪出射波前与光学球面共焦；

步骤S2，通过调整标准球的空间位置，使干涉仪出射波前焦点与标准球球心重合；

步骤S3，使用激光跟踪仪测量标准球球心位置至光学球面的距离；

步骤S4，使用干涉仪数据补偿空间位置离焦误差，补偿靶球半径，计算曲率半径。

所述步骤S2中调整标准球空间位置，使标准球球心与干涉仪出射焦点重合；标准球应与激光跟踪仪所使用靶球半径相同。

所述步骤S3使用激光跟踪仪测量标准球球心位置至光学球面之间的距离，光学球面上测量点应位于经过激光跟踪仪原点与光学球面曲率中心的直线上。

本发明的有益效果：本发明相对于传统测量方法，其测量过程中不需移动光学球面，可以实现在位测量；无需高精度导轨，可以实现大曲率半径的测量，节省了检测成本；测量无需复杂的调整，提高了检测效率；采用干涉定位原理，测量精度高。

附图说明

图1为本发明曲率半径测量的流程图；

图2为本发明共焦定位示意图；

图3为本发明定位调整干涉条纹图；

图4为本发明曲率中心定位示意图；

图5为本发明激光跟踪仪测量距离示意图；

其中：1表示干涉仪，2表示干涉仪镜头，3表示光学球面；4表示五维精密调整台；5表示标准球，6表示精密调整台，7表示适配器；8表示激光跟踪仪，9表示靶球。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明技术方案中涉及的各个细节问题。应指出的是，所描述的实施案例仅旨在便于对本发明的理解，而不起任何限定作用。

如图1所示，本发明实现为：

1.首先通过调整干涉仪1的空间位置，使干涉仪1出射波前与光学球面3共焦。具体实现为：

(1)根据被测光学球面3的R数(其中R＝r/d，r为球面曲率半径、d为球面口径)，选择相应F数(其中F＝f/D，f为镜头焦距、D为镜头口径)的干涉仪镜头2。F数相对R数应相同或略小，从而使干涉仪1出射光涵盖被测的光学球面3，减小测量误差。

(2)根据干涉仪镜头2的F数与被测光学球面3曲率半径值，利用激光跟踪仪或米尺进行干涉仪1和被测光学球面3的粗定位，其中，干涉仪镜头2与被测光学球面3光轴间距离为f+r。

(3)如图2所示，使用五维精密调整台4配合干涉仪1的条纹图像精确定位共焦位置。如图3所示，通过调整五维精密调整台4使干涉图像出现尽量少(小于10根)的直条纹，并记录干涉仪1数据拟合结果的Zernike项中离焦系数P₁。

2.如图4所示，使用标准球5定位曲率中心点，具体的做法为：

(1)选择与激光跟踪仪所使用靶球半径相同的标准球5(典型值为1.5英寸)，将其安置于高精度适配器7上，适配器7与精密调整台6固定连接。

(2)根据干涉仪镜头2的F数，利用激光跟踪仪或米尺进行干涉仪和标准球5的粗定位，其中，干涉仪镜头2与标准球5球心间距离为f。

(3)使用精密调整台6配合干涉仪1条纹图像精确定光学球面3曲率中心位置。通过调整精密调整台6使干涉图像出现尽量少(小于10根)的直条纹，并记录干涉仪数据拟合结果的Zernike项中离焦系数P₂。

3.使用激光跟踪仪测量标准球5球心位置至光学球面3的距离。具体的做法如图5所示：

(1)将激光跟踪仪8置于干涉仪1一侧，共焦位置旁，调整其位置使经过激光跟踪仪8原点、标准球5球心的光线也经过光学球面3。

(2)使用激光跟踪仪8跟踪靶球9，并将靶球9放置于适配器7上，遮光后移开靶球9，标记激光跟踪仪8出射光束在光学球面3上的投影点，则激光跟踪仪8原点、靶球9中心点、及光学球面3上投影点在同一直线上。

(3)使用激光跟踪仪8进行两点测距，首先将靶球9置于适配器7上，测量第一点，移动靶球9并接触光学球面3标记点，测量第二点，完成距离l测量。

4.使用干涉仪1数据补偿空间位置离焦误差，补偿靶球9半径，计算曲率半径；具体的做法为：

(1)使用Zernike多项式中的离焦项系数对空间位置对准误差进行补偿，误差补偿公式为其中P为离焦项系数，λ为干涉仪l激光波长，F₀为光学球面3R数或干涉仪镜头2F数。则共焦位置处的定位误差为： ${\mathrm{\Δl}}_1=\frac{P_1*\mathrm{\λ}}{1-{[1-1/{\left(2R\right)}^2)]}^{1/2}},$ 曲率中心处的定位误差为： ${\mathrm{\Δl}}_2=\frac{P_2*\mathrm{\λ}}{1-{[1-1/{\left(2F\right)}^2)]}^{1/2}}.$ 补偿后的距离L₁＝l-Δl₁+Δl₂。

(2)所测量的距离未包含靶球9半径r₁，因此曲率半径的最终测量结果L＝L₁+r₁。

本发明未阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (2)

1.一种光学球面曲率半径的测量方法，其特征在于实现步骤如下： 

步骤S1，通过调整干涉仪的空间位置，使干涉仪出射波前与光学球面共焦； 

步骤S2，通过调整标准球的空间位置，使干涉仪出射波前焦点与标准球球心重合； 

步骤S3，使用激光跟踪仪测量标准球球心位置至光学球面的距离，具体如下： 

(31)将激光跟踪仪置于干涉仪一侧，共焦位置旁，调整其位置使经过激光跟踪仪原点、标准球球心的光线也经过光学球面； 

(32)使用激光跟踪仪跟踪靶球，并将靶球放置于适配器上，遮光后移开靶球，标记激光跟踪仪出射光束在光学球面上的投影点，则激光跟踪仪原点、靶球中心点、及光学球面上投影点在同一直线上； 

(33)使用激光跟踪仪进行两点测距，首先将靶球置于适配器上，测量第一点，移动靶球并接触光学球面标记点，测量第二点，完成距离l测量； 

步骤S4，使用干涉仪数据补偿空间位置离焦误差，补偿靶球半径，计算曲率半径，具体为： 

(41)使用Zernike多项式中的离焦项系数对空间位置对准误差进行补偿，误差补偿公式为其中P为离焦项系数，λ为干涉仪 激光波长，F₀为光学球面R数或干涉仪镜头F数，则共焦位置处的定位误差为：曲率中心处的定位误差为：补偿后的距离L₁＝l-Δl₁+Δl₂； 

(42)所测量的距离未包含靶球半径r₁，曲率半径的最终测量结果L＝L₁+r₁。 

2.根据权利要求1所述的一种光学球面曲率半径的测量方法，其特征在于：所述步骤S2中调整标准球空间位置，使标准球球心与干涉仪出射焦点重合；标准球应与激光跟踪仪所使用靶球半径相同。