CN103673926A - 反射腔式共焦超大曲率半径测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种反射腔式共焦超大曲率半径测量方法。该方法通过共焦定焦原理配合平行平晶精确定位被测表面的焦点位置，进而实现超大曲率半径的高精度测量。本发明提出共焦定焦原理与反射腔式折叠光路原理相结合的方法，具有被测件移动距离小、光路简单、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

反射腔式共焦超大曲率半径测量方法

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检测与光学系统装配过程中的高精度超大曲率半径测量。

技术背景

高精度的球面元件广泛应用于光刻机、天文望远镜、激光核聚变等大型光学系统中，随着这些系统工程的推进，对球面光学元件曲率半径特别是大曲率半径参数的测量提出了更高的要求。而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年王中林及其工作组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，仍无法满足大曲率半径高精度测量的需求。

相比较国外的曲率半径测量技术，2006年Xianyang Cai等人在OpticalEngineering中发表的《Compact system for measurement of optical surfaces having alarge radius of curvature》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共焦技术迅速发展，与传统测量方法相比具有良好的层析能力，较高的轴向定位瞄准精度，较高的环境抗干扰能力；与差动共焦技术相比，共焦技术光路简单，易于实现。

本发明提出一种反射腔式共焦超大曲率半径测量方法，相比于传统测量方法具有测量精度高、抗干扰能力强及智能化程度高等诸多优点，并且该技术易与环形光瞳滤波器等技术融合，能更进一步提高测量精度。

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，提出一种反射腔式共焦超大曲率半径测量方法。该反射腔式共焦超大曲率半径测量方法的核心思想是，利用共焦测量技术并借助平行平晶，对被测表面的焦点位置进行精确定位，继而由几何光学原理得到被测透镜的曲率半径。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种反射腔式共焦超大曲率半径测量方法，包括以下步骤：

(a)打开点光源，其发出的光经分光镜、准直透镜和平行平晶后进入由平行平晶后表面与被测表面组成的反射腔内，在被测表面上反射形成会聚光束，经平行平晶后表面和被测表面n次反射，在反射腔表面聚焦，然后沿原光路返回，反射回来的光由分光镜反射进入共焦测量系统；

(b)调整平行平晶和被测件，使平行平晶和被测件被测表面与准直透镜共光轴；

(c)沿光轴方向移动被测件，使会聚光束在反射腔内经过n次反射，聚焦到反射腔的一表面附近。在该位置附近扫描被测件，由共焦测量系统测得共焦响应曲线，通过共焦响应曲线的最大值点来精确确定会聚光束的焦点与该反射腔表面相重合，记录此时被测件的位置z_n；

(d)将被测件沿光轴移动，使会聚光束在反射腔内经过m(m≠n)次反射，聚焦到反射腔的一表面附近。在该位置附近扫描被测件，由共焦测量系统测得共焦响应曲线，通过共焦响应曲线的最大值点来精确确定会聚光束的焦点与该反射腔表面相重合，记录此时被测件的位置z_m；

(e)根据记录的被测表面焦点位置z_n及z_m之间的距离d_m-n，以及由几何光学计算得到的曲率半径r与焦点位置距离d_m-n之间的比例系数

可得被测表面的曲率半径： $r=k_{m-n}^{\left(n\right)}{d}_{m-n},(n\≠m);$

本发明所述的反射腔式共焦超大曲率半径测量方法，还可以在光路中增加环形光瞳对测量光束进行调制，形成环形光束，降低定焦时波相差对测量光束的影响，提高定焦精度。

本发明所述的反射腔式共焦超大曲率半径测量方法，还可以在测量光束中增加焦深压缩光学系统，使其与共焦测量系统配合工作，提高定焦灵敏度。

本发明所述的反射腔式共焦超大曲率半径测量方法，还可以对点光源发出的光进行光强调制，由共焦测量系统中的光强传感器探测得到受调制的共焦响应信号，将该调制信号解调后得到共焦响应曲线，提高系统的定焦灵敏度。

有益效果：

本发明对比已有技术具有以下创新点：

1.首次提出将反射腔式压缩光路方法结合共焦定焦原理应用到超大曲率半径的测量；

2.本测量方法中，共焦原理以光强响应曲线作为定焦判据，并配合共焦系统进行光强调制与滤波，能有效削减空气扰动等环境干扰对测量精度的影响；

3.在光路中引入环形光瞳，遮挡近轴光线，形成空心的测量光锥，削减了像差的对测量结果的影响。

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，被测件将移动距离小，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，该测量光路简单且紧凑，有效降低了环境扰动对测量精度的影响；

2.本测量方法中，共焦技术以轴向的光强响应曲线作为定焦依据，并配合共焦系统进行光强调制与滤波，消减空气扰动等环境干扰对测量精度的影响，相比以图像、干涉条纹作为定焦依据的曲率半径测量方法具有更高的稳定性；

3.共焦测量系统光路简单，易于实现，可有效降低系统研发成本。

附图说明

图1为本发明反射腔式共焦超大曲率半径测量方法的示意图；

图2为本发明反射腔式共焦超大曲率半径测量实施例的示意图；

图3为本发明反射腔式共焦超大曲率半径测量实施例的示意图；

图4为本发明由共焦测量系统探测得到的共焦响应曲线；

其中：1-点光源、2-分光镜、3-准直透镜、4-环形光瞳、5-平行平晶、6-平行平晶后表面、7-被测透镜、8-共焦测量系统、9-针孔、10-光强传感器、11-测量光束、12-显微物镜、13-CCD探测器、14-主控计算机、15-图像采集卡、16-机电控制装置、17-直线平移导轨、18-调整架、19-点光源发生装置、20-激光器、21-光纤。

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。

本发明使用一种基于共焦测量技术的超大曲率半径测量方法，显著缩短了被测件移动范围，提高了对超大曲率半径被测透镜猫眼位置及共焦位置的定位精度。其核心思想是，利用共焦测量技术并借助平行平晶与被测表面形成的反射腔对光路进行多次反射，缩短被测件移动范围，并对被测透镜的猫眼位置和共焦位置进行精确定位，进而得到被测透镜的曲率半径。

实施例1

当被测透镜7是口径为D=150mm的凹透镜时，反射腔式共焦超大曲率半径测量装置如图2所示，其测量步骤是：

(a)启动主控计算机14中的测量软件，打开激光器20，激光器20所发出的光经光纤21传输后形成点光源1。点光源1发出的光经分光镜2和准直透镜3后形成平行光束；

(b)将被测透镜7放置于调整架18上，通过调整架18调整被测透镜7，使其与准直透镜3共光轴。平行光照射在被测透镜7上，由被测透镜7会聚形成测量光束11照射在平行平晶后表面6上；

(c)主控计算机14中的测量软件通过机电控制装置16控制直线平移导轨17轴向平移，进而带动被测透镜7沿光轴方向移动。将被测透镜7移动到测量光束11的聚焦焦点与平行平晶后表面6相接近，然后在该位置附近扫描被测透镜7，测量软件通过图像采集卡15采集得到焦点光斑数据并处理出如附图4所示的共焦响应曲线。通过共焦响应曲线的最大值点来精确确定测量光束11的焦点与平行平晶后表面6相重合，此时被测透镜7的位置z₀=0.1286mm；

(e)将被测透镜7沿光轴向平行平晶5方向移动，使测量光束11由平行平晶后表面6反射后聚焦到被测透镜7表面附近。在该位置附近扫描被测透镜7，测量软件再次通过图像采集卡15采集得到焦点光斑数据并处理出如附图4所示的共焦响应曲线。通过共焦响应曲线的最大值点来精确确定测量光束11的焦点与被测透镜7的表面相重合，此时被测透镜7的位置为z₁=2500.1398mm；

(f)通过几何光学计算得到比例系数

根据上述两次定焦得到的被测透镜7的位置z₀、z₁，进而可得到被测透镜7的曲率半径：

r＝4|z₀-z₁|＝4×2500.0112mm＝10000.0448mm

如附图1所示，该反射腔式共焦超大曲率半径测量方法中的共焦测量系统8包括针孔9和光强传感器10。由分光镜2反射回来的光进入共焦测量系统8，照射在光强传感器10上。在实际系统设计中，通常采用如附图2中所示的共焦测量系统8降低系统装调难度。该共焦测量系统8包括显微物镜12和CCD探测器13。其中显微物镜12的物平面位于焦面，在其像平面放置CCD探测器13。由分光镜2反射回来的光进入共焦测量系统8，由分光镜13将光线分成两路，一路通过显微物镜12成像在CCD探测器13上。

此实施例通过一系列的措施实现了对被测透镜7的曲率半径的测量。在测量过程中，采用共焦测量方法对被测透镜7被测表面的焦点进行精确定焦，测量精度高，抗环境干扰能力强。

实施例2

当被测透镜7是口径为D=150mm的凹透镜时，反射腔式共焦超大曲率半径测量装置如图2所示，其测量步骤是：

(a)启动主控计算机14中的测量软件，打开激光器20，激光器20所发出的光经光纤21传输后形成点光源1。点光源1发出的光经分光镜2和准直透镜3后形成平行光束；

(b)将被测透镜7放置于调整架18上，通过调整架18调整被测透镜7，使其与准直透镜3共光轴。平行光照射在被测透镜7上，由被测透镜7会聚形成测量光束11照射在平行平晶后表面6上；

(c)主控计算机14中的测量软件通过机电控制装置16控制直线平移导轨17轴向平移，进而带动被测透镜7沿光轴方向移动。将被测透镜7移动到测量光束11的聚焦焦点与被测透镜7表面相接近，然后在该位置附近扫描被测透镜7，测量软件通过图像采集卡15采集得到焦点光斑数据并处理出如附图4所示的共焦响应曲线。通过共焦响应曲线的最大值点来精确确定测量光束11的焦点与被测透镜7的表面相重合，此时被测透镜7的位置为z₁=2500.1398mm；

(e)将被测透镜7沿光轴向远离平行平晶5方向移动，使测量光束11由平行平晶后表面6反射后聚焦到平行平晶后表面6附近。在该位置附近扫描被测透镜7，测量软件再次通过图像采集卡15采集得到焦点光斑数据并处理出如附图4所示的共焦响应曲线。通过共焦响应曲线的最大值点来精确确定测量光束11的焦点与平行平晶后表面6相重合，此时被测透镜7的位置z₀=0.1286mm；

(f)通过几何光学计算得到比例系数

根据上述两次定焦得到的被测透镜7的位置z₁、z₀，进而可得到被测透镜7的曲率半径：

r＝4|z₁-z₀|＝4×2500.0112mm＝10000.0448mm

实施例3

当被测透镜7是口径为D=150mm的凹透镜时，反射腔式共焦超大曲率半径测量装置如图3所示，其测量步骤是：

(a)启动主控计算机14中的测量软件，打开激光器20，激光器20所发出的光经光纤21传输后形成点光源1。点光源1发出的光经分光镜2和准直透镜3后形成平行光束；

(b)将被测透镜7放置于调整架27上，通过调整架27调整被测透镜7，使其与准直透镜3共光轴。平行光照射在被测透镜7上，由被测透镜7会聚形成测量光束11照射在平行平晶后表面6上；

(c)主控计算机14中的测量软件通过机电控制装置16控制直线平移导轨17轴向平移，进而带动被测透镜7沿光轴方向移动。将被测透镜7移动到测量光束11由平行平晶后表面6反射，聚焦焦点与被测透镜7的被测表面相接近，然后在该位置附近扫描被测透镜7，测量软件通过图像采集卡15采集得到焦点光斑数据并处理出如附图4所示的共焦响应曲线。通过共焦响应曲线的最大值点来确定精确测量光束11的焦点与被测透镜7的被测表面相重合，此时被测透镜7的位置z₁=0.2316mm；

(e)将被测透镜7沿光轴向平行平晶5方向移动，使测量光束11由平行平晶后表面6、被测透镜7反射后聚焦到平行平晶后表面6附近。在该位置附近扫描被测透镜7，测量软件再次通过图像采集卡15采集得到焦点光斑数据并处理出如附图4所示的共焦响应曲线。通过共焦响应曲线的最大值点来精确确定测量光束11的焦点与平行平晶后表面6相重合，此时被测透镜7的位置为z₂=1035.7706mm；

(f)通过几何光学计算得到比例系数

根据上述两次定焦得到的被测透镜7的位置z₂、z₃，进而可得到被测透镜7的曲率半径：

r＝9.65685|z₂-z₁|＝9.65685×1035.5390mm＝1000.0448mm

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 (4)

1.反射腔式共焦超大曲率半径测量方法，其特征在于：

(a)打开点光源，其发出的光经分光镜、准直透镜和平行平晶后进入由平行平晶后表面与被测表面组成的反射腔内，在被测表面上反射形成会聚光束，经平行平晶后表面和被测表面n次反射，在反射腔表面聚焦，然后沿原光路返回，反射回来的光由分光镜反射进入共焦测量系统；

(b)调整平行平晶和被测件，使平行平晶和被测件被测表面与准直透镜共光轴；

(c)沿光轴方向移动被测件，使会聚光束在反射腔内经过n次反射，聚焦到反射腔的一表面附近；在该位置附近扫描被测件，由共焦测量系统测得共焦响应曲线，通过共焦响应曲线的最大值点来精确确定会聚光束的焦点与该反射腔表面相重合，记录此时被测件的位置z_n；

(d)将被测件沿光轴移动，使会聚光束在反射腔内经过m(m≠n)次反射，聚焦到反射腔的一表面附近；在该位置附近扫描被测件，由共焦测量系统测得共焦响应曲线，通过共焦响应曲线的最大值点来精确确定会聚光束的焦点与该反射腔表面相重合，记录此时被测件的位置z_m；

(e)根据记录的被测表面焦点位置z_n及z_m之间的距离d_m-n，以及由几何光学计算得到的曲率半径r与焦点位置距离d_m-n之间的比例系数可得被测表面的曲率半径： $r=k_{m-n}^{\left(n\right)}{d}_{m-n},(n\≠m).$

2.根据权利要求1所述的反射腔式共焦超大曲率半径测量方法，其特征在于：在光路中增加环形光瞳对测量光束进行调制，形成环形光束，降低定焦时波相差对测量光束的影响，提高定焦精度。

3.根据权利要求1所述的反射腔式共焦超大曲率半径测量方法，其特征在于：在测量光束中增加焦深压缩光学系统，使其与共焦测量系统配合工作，提高定焦灵敏度。

4.根据权利要求1所述的反射腔式共焦超大曲率半径测量方法，其特征在于：对点光源发出的光进行光强调制，由共焦测量系统中的光强传感器探测得到受调制的共焦响应信号，将该调制信号解调后得到共焦响应曲线，从而提高系统的定焦灵敏度。

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