CN103439085B - 一种接触式测量曲面棱镜参数的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种接触式测量曲面棱镜参数的方法及装置，首先将待测曲面棱镜装夹后，固定在三坐标测量机平台上；利用红宝石探头对所述待测曲面棱镜的前后表面以及外径参数进行测量；根据以上所获得的坐标参数，在计算机处理系统中利用建模复现出实际的待测曲面棱镜模型，并获得剖视图；从所述剖视图上获得所述待测曲面棱镜前后表面光轴的夹角b和中心厚度d，并根据几何关系，得出所述待测曲面棱镜的顶角a等于所述前后表面光轴的夹角b。该方法可操作性强，测量精度高，适用于任何曲率、尺寸较大的Fery棱镜，通用性强。

Description

一种接触式测量曲面棱镜参数的方法及装置

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种接触式测量曲面棱镜参数的方法及装置。

背景技术

目前，从复色光中分出单色光的手段主要有棱镜色散、光栅衍射、干涉滤光片等方法，而棱镜色散的方法由于其原理简洁、性能稳定、加工成熟等优点，在各类光谱仪器，例如光谱仪、分光仪、分光光度计等均获得了广泛的应用。传统的色散棱镜，其前后表面均是平面，如图1所示为传统色散棱镜的光路示意图，所需要精确测量的参数主要有面形精度和棱角顶角，面形精度可以用Zygo干涉仪测量，而决定色散率的棱镜顶角，可以用自准望远镜的反射像法、标准角块贴置法和厚薄尺寸测量法等方法来进行测定。

C.Fery在1910年提出Fery棱镜，称之为含有曲面的棱镜（aprismwithcurvedfaces），Fery棱镜（即曲面棱镜）同时具有棱镜的色散功能和透镜的成像功能，是一种特殊的光学元件，如图2所示为现有技术中Fery棱镜的工作光路示意图，该曲面棱镜需要精确测量的参数包括有前后表面的曲率半径、前后表面光轴偏角（色散角）和中心厚度等。

而由于曲面棱镜的色散角与中心厚度均具有特殊性，不能采用测定传统平面棱镜顶角的方法来测量，也不能采用测定透镜中心厚度的方法来测量，现有技术中缺乏对曲面棱镜进行测量的有效手段。

发明内容

本发明的目的是提供一种接触式测量曲面棱镜参数的方法及装置，该方法可操作性强，测量精度高，适用于任何曲率、尺寸较大的Fery棱镜，通用性强。

一种接触式测量曲面棱镜参数的方法，包括：

将待测曲面棱镜装夹后，固定在三坐标测量机平台上；

利用红宝石探头测量所述待测曲面棱镜的前表面，得到前表面的参数：球心坐标O₁和曲率半径R₁，并重复多次测量取平均值；

利用所述红宝石探头测量所述待测曲面棱镜的后表面，得到后表面参数：球心坐标O₂和曲率半径R₂，并重复多次测量取平均值；

调整所述红宝石探头的角度，测量所述待测曲面棱镜的外径，得到所在圆柱的参数：光轴矢量I和圆柱外径D，并重复多次测量取平均值；

根据以上所获得的坐标参数，在计算机处理系统中利用建模复现出实际的待测曲面棱镜模型，并获得剖视图；

从所述剖视图上获得所述待测曲面棱镜前后表面光轴的夹角b和中心厚度d，并根据几何关系，得出所述待测曲面棱镜的顶角a等于所述前后表面光轴的夹角b。

所述红宝石探头在使用前，需要用标准球进行标定，具体包括：

将标准球固定不动，用所述红宝石探头测定标准球，并调整好所述红宝石探头的角度，使所述红宝石探头与所要测定的表面尽量相切。

一种接触式测量曲面棱镜参数的装置，所述装置包括棱镜装夹机构，红宝石探头，三坐标测量机平台和计算机处理系统，其中：

待测曲面棱镜被所述棱镜装夹机构装夹后，固定在所述三坐标测量机平台上；

通过所述红宝石探头对所述待测曲面棱镜的前后表面以及外径参数进行测量；

将测量所得到的参数传递到所述计算机处理系统，利用所述计算机处理系统计算得到所述待测曲面棱镜前后表面光轴的夹角、中心厚度，以及所述待测曲面棱镜的顶角。

所述棱镜装夹机构包括：专用夹具或三爪，且在装夹所述待测曲面棱镜时，为所述待测曲面棱镜的外径留出足够余量，使所述红宝石探头在外径上获取足够的数据。

所述装置还包括标准球夹持机构，利用该标准球夹持机构夹持标准球，所述红宝石探头在使用前，需要用所述标准球进行标定。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，首先将待测曲面棱镜装夹后，固定在三坐标测量机平台上；利用红宝石探头测量所述待测曲面棱镜的前表面，得到前表面的参数：球心坐标O₁和曲率半径R₁，并重复多次测量取平均值；利用所述红宝石探头测量所述待测曲面棱镜的后表面，得到后表面参数：球心坐标O₂和曲率半径R₂，并重复多次测量取平均值；调整所述红宝石探头的角度，测量所述待测曲面棱镜的外径，得到所在圆柱的参数：光轴矢量I和圆柱外径D，并重复多次测量取平均值；根据以上所获得的坐标参数，在计算机处理系统中利用建模复现出实际的待测曲面棱镜模型，并获得剖视图；从所述剖视图上获得所述待测曲面棱镜前后表面光轴的夹角b和中心厚度d，并根据几何关系，得出所述待测曲面棱镜的顶角a等于所述前后表面光轴的夹角b。该方法可操作性强，测量精度高，适用于任何曲率、尺寸较大的Fery棱镜，通用性强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为传统色散棱镜的光路示意图；

图2为现有技术中Fery棱镜的工作光路示意图；

图3为本发明实施例所提供的接触式测量曲面棱镜参数的方法流程示意图；

图4为本发明实施例所提供接触式测量曲面棱镜参数的装置结构示意图；

图5为本发明实施例所举实例中Fery棱镜主要参数的几何示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图3所示为本发明实施例所提供的接触式测量曲面棱镜参数的方法流程示意图，所述测量方法包括：

步骤31：首先将待测曲面棱镜装夹后，固定在三坐标测量机平台上；

在该步骤中，将待测曲面棱镜装夹后，放置在待测环境中稳定一段时间，然后进行后继步骤。

步骤32：利用红宝石探头测量所述待测曲面棱镜的前表面，得到前表面的参数：球心坐标O₁和曲率半径R₁，并重复多次测量取平均值；

在该步骤中，利用红宝石探头测量所述待测曲面棱镜的前表面，绕子孔径一圈并均匀取点5个以上，覆盖通光口径，即可拟合出该待测曲面棱镜前表面的参数。

最终得到前表面的参数：球心坐标O₁和曲率半径R₁，并重复多次测量取平均值。

步骤33：利用所述红宝石探头测量所述待测曲面棱镜的后表面，得到后表面参数：球心坐标O₂和曲率半径R₂，并重复多次测量取平均值；

在该步骤中，利用与步骤32同样的方式，测量所述待测曲面棱镜的后表面，得到相应的后表面参数：球心坐标O₂和曲率半径R₂，并重复多次测量取平均值。

步骤34：调整所述红宝石探头的角度，测量所述待测曲面棱镜的外径，得到所在圆柱的参数：光轴矢量I和圆柱外径D，并重复多次测量取平均值；

在该步骤中，调整红宝石探头的角度，利用与步骤32同样的方式，测量待测曲面棱镜的外径，得到相应的参数：光轴矢量I和圆柱外径D，并重复多次测量取平均值。

步骤35：根据以上所获得的坐标参数，在计算机处理系统中利用建模复现出实际的待测曲面棱镜模型，并获得剖视图；

在该步骤中，具体根据以上所获得的坐标参数，在计算机处理系统中利用相应的软件建模复现出实际的待测曲面棱镜模型，对两球体做布尔运算，再与圆柱体做布尔运算，并获得相应的剖视图。

步骤36：从剖视图上获得所述待测曲面棱镜前后表面光轴的夹角b和中心厚度d，并根据几何关系，得出所述待测曲面棱镜的顶角a等于所述前后表面光轴的夹角b。

另外，上述红宝石探头在使用前，需要用标准球进行标定，具体过程为：

将标准球固定不动，用所述红宝石探头测定标准球，并调整好所述红宝石探头的角度，使所述红宝石探头与所要测定的表面尽量相切，不同的角度均需要用标准球做标定。具体来说，由于在不同角度的时候，红宝石探头与曲面棱镜待测面相切时的基准不同，而标准球是各向相同的，通过采用标准球做标定，相当于在整个测量中，以标准球作为测量基准，减去了红宝石探头不同角度测量时所引入的误差。

另外，在实际应用中，还可以改变所使用的红宝石探头、Fery棱镜的装夹方式、Fery棱镜的曲率半径、厚度以及所使用的光学材料，但上述更改和变化并不脱离本发明的实质范围。

基于上述测量方法，本发明实施例还提供了一种接触式测量曲面棱镜参数的装置，如图4所示为本发明实施例所提供接触式测量曲面棱镜参数的装置结构示意图，所述装置主要包括棱镜装夹机构1，红宝石探头2，三坐标测量机平台4和计算机处理系统5，其中：

待测曲面棱镜被棱镜装夹机构1装夹后，固定在三坐标测量机平台4上；

通过红宝石探头2对所述待测曲面棱镜的前后表面以及外径参数进行测量，具体测量过程见上述方法实施例中所述；

将测量所得到的参数传递到所述计算机处理系统5，利用所述计算机处理系统5计算得到所述待测曲面棱镜前后表面光轴的夹角b，中心厚度d，以及所述待测曲面棱镜的顶角a。

在具体实现中，该棱镜装夹机构1包括：专用夹具或三爪，且无论采用何种方式固定，都要给待测曲面棱镜的外径留出足够的余量，保证红宝石探头能够在外径上获取足够的数据。

所述装置还包括标准球夹持机构3，利用该标准球夹持机构3夹持标准球，所述红宝石探头在使用前，需要用所述标准球进行标定，具体标定过程见上述方法实施例中所述。

下面以具体的实例对上述测量方法进行验证，如图5所示为本发明实施例所举实例中Fery棱镜主要参数的几何示意图，图5中包括的参数为：前表面的参数（球心坐标O₁和曲率半径R₁），后表面参数（球心坐标O₂和曲率半径R₂），外径所在圆柱参数（光轴矢量I和圆柱外径D），以及前后表面光轴的夹角b、中心厚度d和顶角a。

该实例中Fery棱镜的有效口径为30mm，测量参数的结果采用上述方法和装置测得，理论参数和测量结果对比见下表1所示：

表1

测量参数	理论值	测量值	加工误差	结论
					前表面曲率半径	64.4mm	64.42mm	N=2	要求2个光圈以内，合格
后表面曲率半径	50mm	50.01mm	N=1.5	要求2个光圈以内，合格
					中心距	15mm	15.03mm	0.03mm	要求±0.03mm以内，合格
色散角	13.6°	13.62°	0.02°	要求±0.03°以内，合格

由于透镜的表面精度一般用光圈数来表征，与半径之差的对应关系可近似为：

$N\≈\frac{\mathrm{\ΔR}}{\mathrm{\λ}}{\left(\frac{d}{2R}\right)}^2$

其中，N为光圈数，R和ΔR分别为理论半径和半径差，λ为检测波长，d为通光口径。由于三坐标测量出来的结果均以mm表征，可采用以上公式将其转化成光圈数，对应结果见上表1，该结果与样板检测法结果一致。

由此可见，通过本发明实施例所述方法，对某一特定的Fery棱镜进行了检测，检测结果表明，该Fery棱镜符合公差要求，可作为合格品出厂。

综上所述，本发明实施例所提供的测量方法相比光学检测方法来说，没有附加任何光路系统，减少了光路搭建过程中引入的误差，测量精度高；且该测量方法适用于任何曲率、尺寸较大的Fery棱镜，无需另外设计光路，通用性更强。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种接触式测量曲面棱镜参数的方法，其特征在于，包括：

将待测曲面棱镜装夹后，固定在三坐标测量机平台上；

利用红宝石探头测量所述待测曲面棱镜的前表面，得到前表面的参数：球心坐标O₁和曲率半径R₁，并重复多次测量取平均值；

利用所述红宝石探头测量所述待测曲面棱镜的后表面，得到后表面参数：球心坐标O₂和曲率半径R₂，并重复多次测量取平均值；

调整所述红宝石探头的角度，测量所述待测曲面棱镜的外径，得到所在圆柱的参数：光轴矢量I和圆柱外径D，并重复多次测量取平均值；

根据以上所获得的坐标参数，在计算机处理系统中利用建模复现出实际的待测曲面棱镜模型，并获得剖视图；

从所述剖视图上获得所述待测曲面棱镜前后表面光轴的夹角b和中心厚度d，并根据几何关系，得出所述待测曲面棱镜的顶角a等于所述前后表面光轴的夹角b。

2.根据权利要求1所述接触式测量曲面棱镜参数的方法，其特征在于，所述红宝石探头在使用前，需要用标准球进行标定，具体包括：

将标准球固定不动，用所述红宝石探头测定标准球，并调整好所述红宝石探头的角度，使所述红宝石探头与所要测定的表面尽量相切。

3.一种接触式测量曲面棱镜参数的装置，其特征在于，所述装置包括棱镜装夹机构，红宝石探头，三坐标测量机平台和计算机处理系统，其中：

待测曲面棱镜被所述棱镜装夹机构装夹后，固定在所述三坐标测量机平台上；

通过所述红宝石探头对所述待测曲面棱镜的前后表面以及外径参数进行测量，具体包括：利用红宝石探头测量所述待测曲面棱镜的前表面，得到前表面的参数：球心坐标O₁和曲率半径R₁，并重复多次测量取平均值；利用所述红宝石探头测量所述待测曲面棱镜的后表面，得到后表面参数：球心坐标O₂和曲率半径R₂，并重复多次测量取平均值；调整所述红宝石探头的角度，测量所述待测曲面棱镜的外径，得到所在圆柱的参数：光轴矢量I和圆柱外径D，并重复多次测量取平均值；

将测量所得到的参数传递到所述计算机处理系统，利用所述计算机处理系统计算得到所述待测曲面棱镜前后表面光轴的夹角、中心厚度，以及所述待测曲面棱镜的顶角，具体包括：根据以上所获得的坐标参数，在所述计算机处理系统中利用建模复现出实际的待测曲面棱镜模型，并获得剖视图；从所述剖视图上获得所述待测曲面棱镜前后表面光轴的夹角b和中心厚度d，并根据几何关系，得出所述待测曲面棱镜的顶角a等于所述前后表面光轴的夹角b。

4.如权利要求3所述接触式测量曲面棱镜参数的装置，其特征在于，所述棱镜装夹机构包括：专用夹具或三爪，且在装夹所述待测曲面棱镜时，为所述待测曲面棱镜的外径留出足够余量，使所述红宝石探头在外径上获取足够的数据。

5.如权利要求3所述接触式测量曲面棱镜参数的装置，其特征在于，所述装置还包括标准球夹持机构，利用该标准球夹持机构夹持标准球，所述红宝石探头在使用前，需要用所述标准球进行标定。