CN108801178A - 差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法与装置。该方法利用高轴向定位能力的差动共焦探测系统的聚焦光斑对被测镜进行轴向定焦，利用精密的气浮回转系统带动被测镜旋转，利用自准直偏心探测系统记录被测镜旋转一周时，聚焦光斑经被测镜反射后的径向位置，从而获得偏心量；利用高精度的位置记录系统，记录聚焦光斑聚焦在被测镜的球心与顶点时聚焦光斑的位置，从而获得曲率半径，然后综合测得的曲率半径与偏心数据，即可实现中心偏与曲率半径的高精度、实时测量。本发明首次将差动共焦原理应用到中心偏测量领域中，改进了传统的自准直中心偏测量方法，具有测量精度高、范围大、避免重复装调的优点，可用于光学元件中心偏和曲率半径的高精度测量。

Description

差动共焦自准直中心偏和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，将差动共焦技术与自准直中心偏测量技术相结合，涉及差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法与装置，可用于透镜与凹面反射镜中心偏及曲率半径的测量和透镜组的中心偏检测与最佳光轴拟合。
技术背景
对于光学元件而言，中心偏是一项影响很大的误差。随着光学系统在航天、航空及精密测量领域中的应用越来越多，光学元件作为主要部件对其精度的要求也越来越高。而透镜中心偏的存在会对整个系统的成像质量带来巨大的影响，如引起显著的球差、慧差和畸变以及不可预计的高级像差等。因此，对于中心偏的测量和校正就显得尤为重要。
传统的中心偏测量法包括接触式测量和非接触式测量两大类。其中接触式测量是利用一对同轴夹头，借助弹簧力夹紧透镜，实现自动定心，这种方法对透镜的曲率和加工形貌都有要求,且只能实现透镜的定心，而并未给出定量分析。这种方法只适用于透镜加工阶段而不适用于检测和装调阶段，因此在实际检测中，非接触式测量的应用更加广泛。非接触式测量就是利用透镜的光学特性进行测量，又可以按照其光路的不同，分为激光定心测量、准直成像测量和干涉测量等。激光定心测量是由英国科学仪器研究协会(SIRA)最早提出的，这种方法的精度最高可达1″，测量范围可以从两毫米一直延伸至几米，可以在不同半径间连续测量而不需要更换物镜或其它部件。但这种测量方法需要激光束对整个镜面进行扫描，测量时间很长，按照测量范围的不同最长可以达到几个小时，而且使用透镜表面反射光定心，不适用于装配完的系统的中心偏测量。干涉测量是一种基于干涉原理的测量法，它利用待测镜与标准件之间的等厚干涉，完成中心偏测量，它可以在半径1.5m的范围内，达到0.5″的测量精度。但这种测量方法受环境的干扰很大，而且对干涉条纹的处理也比较复杂。自准直法是Bauseh Lomb公司在激光定心法的基础上，改进提出的。利用平行光经过透镜后焦点位置的变化来进行偏移误差的测量。这种方法不仅可以测单片透镜的中心偏，而且在已知待测系统物镜焦距的条件下，可以定位到系统内的其它透镜表面完成对整个系统的中心偏测量，测量精度可达0.2″。
以上几种测量方法中，接触式测量因为对于镜子表面有损害，所以只能用于透镜抛光前的加工阶段，而且测量精度比较低；非接触式测量中激光定心的消耗时间很长，最高可达几个小时；干涉法测量利用等厚干涉条纹，对于环境的要求很高，当环境存在干扰时，条纹会产生明显的畸变；自准直法测量是在激光定心的基础上改进来的，相比定心法减少了测量时间，提高了测量精度，相比干涉法简化了测量过程，提高了抗干扰能力，因此成为目前主流的中心偏测量方法；但自准直法仍存在测量参数单一，定位精度差等中心偏测量中常见的问题，因此本发明对传统的自准直法进行了改进。
本发明首次将差动共焦技术运用到球面光学元件的中心偏测量领域中，对自准直测量方法进行了改进，加入曲率半径测量，降低了半径误差和定心误差，提高了测量精度和效率，扩大了测量范围，为透镜和凹面镜的中心偏测量提供了一个行之有效的方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决透镜和凹面反射镜中心偏高精度测量的难题，提出了差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法与装置。
该方法的核心思想是，利用高轴向定位能力的差动共焦探测系统的聚焦光斑对被测镜进行轴向定焦，利用精密的气浮回转系统带动被测镜旋转，利用自准直偏心探测系统记录被测镜旋转一周时，聚焦光斑经被测镜反射后的径向位置，从而获得偏心量；利用高精度的位置记录系统，记录聚焦光斑聚焦在被测镜的球心与顶点时聚焦光斑的位置，从而获得曲率半径，然后综合测得的曲率半径与偏心数据，即可实现中心偏与曲率半径的高精度、实时测量。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明提出的差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法，其利用高轴向定位能力的差动共焦探测系统的聚焦光斑对被测镜进行轴向定焦，利用精密的气浮回转系统带动被测镜旋转，利用自准直偏心探测系统记录被测镜旋转一周时，聚焦光斑经被测镜反射后的径向位置，从而获得偏心量；利用高精度的位置记录系统，记录聚焦光斑聚焦在被测镜的球心与顶点时聚焦光斑的位置，从而获得曲率半径，然后综合测得的曲率半径与偏心数据，即可实现中心偏与曲率半径的高精度、实时测量，包括以下步骤：
步骤一、点光源系统发出光束，光束经第一分光镜透射和第二分光镜反射后，经准直物镜变为平行光束，平行光束经聚焦物镜聚焦在聚焦物镜的前焦点处，形成测量光锥；
步骤二、沿测量光轴移动测量光锥，使其聚焦在被测镜的球心位置，在球心附近扫描，光束经被测镜反射后，进入差动共焦探测器，测得差动共焦轴向强度响应曲线，借助差动共焦曲线的零点精确对应焦点这一特性，进行定焦，记录此时聚焦光斑的位置为z1；
步骤三、启动气浮转轴，带动被测镜旋转，经被测镜反射的光束聚焦在差动共焦探测器和第一探测器上，旋转一周时，反射光在探测面上的路径是一个圆，记这个圆的半径为a；
步骤四、沿测量光轴移动测量光锥，使其聚焦在被测镜顶点位置，借助差动共焦曲线的零点精确对应焦点这一特性，进行定焦，记录此时聚焦光斑的位置为z2，根据两次会聚点z1和z2之间的距离r，即可得被测镜的曲率半径，r＝z1-z2；
步骤五、根据测得的被测镜的曲率半径r、圆半径a和聚焦物镜的放大倍率β1与第二显微物镜的放大倍率β2的乘积β，计算得出中心偏
本发明提出的差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量装置，包括点光源系统、沿光束出射方向放置的第一分光镜、沿第一分光镜透射方向放置的第二分光镜、沿第二分光镜透射光轴放置的准直物镜、位于准直物镜前用于聚焦光束形成测量光锥的聚焦物镜、用于探测聚焦光斑经被测镜反射后的位置的第一探测器放置在准直物镜的后焦点处、沿第一分光镜的反射光轴放置的第二显微物镜、用于探测聚焦光斑反射光强信号的差动共焦探测器放置在第二显微物镜的后焦点处，包括用于带动测量主机沿测量光轴平移的一维平移系统，用于记录测量主机位置的位置记录系统，用于带动被测镜旋转的气浮转轴与一维平移系统放置在同一平台上，转轴轴线与测量光轴重合。
本发明提出的差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量装置，差动共焦探测器由第三分光镜、反射镜、第二针孔、第三针孔、第二探测器和第三探测器组成。经被测镜反射的光被聚焦物镜聚焦的第二显微物镜的工作面上，放大后进入差动共焦探测器，一路光在第三分光镜处反射进入位于焦点前的第三探测器，一路光透过第三分光镜，在反射镜处反射进入位于焦点后的第二探测器，两探测器的离焦量，大小相等、方向相反。
本发明提出的差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量装置，点光源系统可由脉冲激光器、位于激光器出射方向的第一显微物镜和位于第一显微物镜焦点位置的第一针孔构成。
本发明提出的差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量装置，位置记录系统可由测长干涉仪和安装在测量主机上的全反射棱镜构成。
本发明提出的差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量装置，一维平移系统可由气浮导轨、用于安装测量主机的气浮滑块和用于驱动气浮滑块在气浮导轨上平移的驱动丝杠构成。
本发明所述的差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法与装置，将中心偏测量与曲率半径测量结合在一起，同时测量被测镜的曲率半径和中心偏，提高了测量效率，避免了重复装调带来的测量误差。
有益效果
本发明对比已有技术具有以下创新点：
1.首次提出将差动共焦定焦的方法运用到中心偏测量领域，利用差动共焦曲线的零点精确对应焦点这一特性，进行定焦，提高定心精度，保证准确测量球心位置存在的中心偏；
2.将曲率半径测量过程集成到中心偏测量过程中，由于差动共焦曲率半径测量方法借助差动曲线过零点精确对应焦点的特性，能精确测得被测镜的曲率半径，从而提高了中心偏测量的精度，简化了测量过程，同时避免了重复装调带来的测量误差；
3.对于中心偏测量区域进行了二次放大，降低了单个像素对应的读数误差，同时使用回转稳定的气浮转轴，降低了轴向间隙带来的晃动误差，从而提高了测量精度。
本发明对比已有技术具有以下优点：
1.对成像区域进行二次放大，选用轴向间隙小的回转轴，提高了测量精度，测量主机安装在气浮导轨上，采用大回转半径的气浮转轴，扩大了测量范围；
2.在中心偏测量方法中，集成了中心偏测量时必需的曲率半径测量过程，提高了测量效率，避免了重复装调带来的测量误差；
3.测量主机相比于常见的差动共焦元件参数测量系统，体积大幅减小，整机外形只有100×200×500mm；
4.借助差动共焦曲线的零点精确对应焦点这一特性，实现准确定位，保证测量球心位置的中心偏，在透镜组的中心偏测量中，层析定位优势明显。
附图说明
图1为差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量原理的示意图；
图2为差动共焦自准直曲率半径测量光锥定焦于凹透镜顶点时的示意图；
图3为差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量装置的示意图；
图4为差动共焦探测器原理的示意图；
图5为差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量装置进行凸透镜测量的示意图；
图6为差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量装置进行透镜组测量的示意图；
其中：1-脉冲激光器、2-第一显微物镜、3-第一针孔、4-第一分光镜、5-第二分光镜、6-准直物镜、7-聚焦物镜、8-被测镜、9-气浮转轴、10-第二显微物镜、11-差动共焦探测器、12-第一探测器、13-测量主机、14-一维平移系统、 15-位置记录系统、16-第三分光镜、17-反射镜、18-第二针孔、19-第三针孔、 20-第二探测器、21-第三探测器、22-底座、23-气浮导轨、24-驱动丝杠、25- 气浮滑块、26-测长干涉仪、27-全反射棱镜、28-主控计算机、29-点光源系统、 30-测量光轴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步说明。
本发明的基本思想是利用高轴向定位能力的差动共焦探测系统的聚焦光斑对被测镜进行轴向定焦，利用精密的气浮回转系统带动被测镜旋转，利用自准直偏心探测系统记录被测镜旋转一周时，聚焦光斑经被测镜反射后的径向位置，从而获得偏心量；利用高精度的位置记录系统，记录聚焦光斑聚焦在被测镜的球心与顶点时聚焦光斑的位置，从而获得曲率半径，然后综合测得的曲率半径与偏心数据，即可实现中心偏与曲率半径的高精度、实时测量。
实施例1
如图1和图2所示，差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法，其测量步骤是：
首先将气浮转轴9的轴线与测量主机13的测量光轴30调平行。将平面镜放在气浮转轴9的中心，启动气浮转轴9，观察第一探测器12上的光斑的运行轨迹。当气浮转轴9的轴线与测量主机13的光轴平行时，第一探测器12上的轨迹是一个点，否则在相机上的成像会为一个圆。
打开主控计算机28中的测量软件，借助硬件通信打开第一探测器12、第二探测器20、第三探测器21和脉冲激光器1。583nm光源出射的平行光经过第一显微物镜2后，会聚到物镜前焦点的第一针孔3处，形成点光源；经过第一分光镜4透射和第二分光镜5反射后，射向准直物镜6，第一针孔3位于准直物镜6的后焦点上；经过准直物镜6后，光束变为平行光，进入聚焦物镜7；经过聚焦物镜7后，聚焦形成测量光锥进行测量。
聚焦光斑经被测镜8反射后，会聚在聚焦物镜7的前焦点处，再次进入聚焦物镜7，变成平行光。平行光经过准直物镜6后，一路经第二分光镜5透射进入第一探测器12，第一探测器12的视场大，用于初步调整；另一路经第二分光镜5反射、第一分光镜4反射后，进入差动共焦探测器11。
在测量过程中，测量主机13安装在气浮导轨的滑块25上，由驱动丝杠24 推动在导轨23上滑动，沿测量光轴30扫描移动，差动共焦探测器11通过第二探测器20与第三探测器21的差动响应信号的绝对零值点，来确定测量主机13 的聚焦点与被测镜8的顶点和球心重合，并依次记录在两个重合处时，测量主机13的位置坐标z1，z2。
将测量主机13的位置坐标z1，z2，传送到主控计算机28中的测量软件，计算得曲率半径r为：
r＝|z1-z2|
将测量主机13的测量光锥定位在被测镜8的曲率中心，第二探测器20和第三探测器21上定位出曲率中心的反射光斑；此时启动气浮转轴9，光斑在探测面上轨迹上是一个圆，圆的半径为a；在借助测得曲率半径r和聚焦物镜7的放大倍率β1与第二显微物镜10的放大倍率β2的乘积β，计算中心偏为：
本次实施例中，测量主机沿光轴方向扫描所得的位置分别为： z1＝137.116379mm，z2＝-0.026492mm。带入计算后，可得曲率半径为 r＝137.142871mm，中心偏为测量精度为
实施例2
如图5所示，差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法也可以测量凸透镜的曲率半径和中心偏，测量步骤与实施例1相同：
首先将气浮转轴9的轴线与测量主机13的测量光轴30调重合，被测镜8 为凸透镜，安装在气浮转轴9的中心，沿测量光轴30方向移动测量主机13，使测量光锥分别聚焦在被测镜8的顶点和球心处，用测长干涉仪26记录两次测量主机13的位置坐标z1和z2；在球心z2处，启动气浮转轴9，带动被测镜8旋转，记录探测面上的圆半径a，计算曲率半径r＝z1-z2，聚焦物镜7的放大倍率β1与第二显微物镜10的放大倍率β2的乘积为β，计算得中心偏为
实施例3
如图6所示，差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法也可以测量透镜组的曲率半径和中心偏，并给出最佳光轴，其测量步骤是：
步骤一、固定外壳，底面与气浮转轴9的轴面重合，安装第一片镜子，旋转气浮转轴9，测量光锥聚焦在镜子的球心处，检测第一片镜子存在的偏心，进行调整，消除第一片镜子的光轴与外壳轴线之间的偏心；
步骤二、安装第二片镜子，测量光锥聚焦到第二片镜子的球心处，检测第二片镜子与外壳轴线之间的偏心，依此类推，将所有镜片安装到外壳内；
步骤三、整理各片镜子的偏心残差，运用最小二乘法，在残差和最小时，拟合一条最佳光轴，再次调整镜片光轴与拟合的最佳光轴重合。
此实施例借助一系列的措施，实现了透镜和凹面反射镜中心偏和曲率半径的高精度测量，完成了差动共焦透镜和凹面反射镜中心偏和曲率半径测量方法与装置，具有测量精度高、测量范围大、无需重复装调、全自动实时测量等优点。
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 (9)

1.差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法，其特征在于：利用高轴向定位能力的差动共焦探测系统的聚焦光斑对被测镜进行轴向定焦，利用精密的气浮回转系统带动被测镜旋转，利用自准直偏心探测系统记录被测镜旋转一周时，聚焦光斑经被测镜反射后的径向位置，从而获得偏心量；利用高精度的位置记录系统，记录聚焦光斑聚焦在被测镜的球心与顶点时聚焦光斑的位置，从而获得曲率半径，然后综合测得的曲率半径与偏心数据，即可实现中心偏与曲率半径的高精度、实时测量，包括以下步骤：
步骤一、点光源系统(29)发出光束，光束经第一分光镜(4)透射和第二分光镜(5)反射后，经准直物镜(6)变为平行光束，平行光束经聚焦物镜(7)聚焦在聚焦物镜(7)的前焦点处，形成测量光锥；
步骤二、沿测量光轴(30)移动测量光锥，使其聚焦在被测镜(8)的球心位置，在球心附近扫描，光束经被测镜(8)反射后，进入差动共焦探测器(11)，测得差动共焦轴向强度响应曲线，借助差动共焦曲线的零点精确对应焦点这一特性，进行定焦，记录此时聚焦光斑的位置为z1；
步骤三、启动气浮转轴(9)，带动被测镜(8)旋转，经被测镜(8)反射的光束聚焦在差动共焦探测器(11)和第一探测器(12)上，旋转一周时，反射光在探测面上的路径是一个圆，记这个圆的半径为a；
步骤四、沿测量光轴(30)移动测量光锥，使其聚焦在被测镜(8)顶点位置，借助差动共焦曲线的零点精确对应焦点这一特性，进行定焦，记录此时聚焦光斑的位置为z2，根据两次会聚点z1和z2之间的距离r，即可得被测镜(8)的曲率半径，r＝z1-z2；
步骤五、根据测得的被测镜(8)的曲率半径r、圆半径a和聚焦物镜(7)的放大倍率β1与第二显微物镜(10)的放大倍率β2的乘积β，计算得出中心偏
2.根据权利要求1所述的差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法，在对被测镜(8)表面顶点定焦的过程中，可以确定表面顶点的位置，其特征在于：
测量光锥聚焦在被测镜(8)顶点后，反射光经准直光路中的第一分光镜(4)和第二分光镜(5)反射后，进入差动处理器(11)，会聚到差动共焦探测器(11) 中第二探测器(20)的后方和第三探测器(21)的前方，偏离探测面的距离相等；测量光锥在顶点附近沿测量光轴(30)方向移动时，第二探测器(20)和第三探测器(21)采集到光强信号的变化符合高斯分布，将两个探测器采集到的光强曲线相减，即可得到差动响应曲线；差动曲线在原光强响应曲线的半高宽内，呈线性变化，线性段的零点就精确对应于被测镜(8)的顶点，记为z1，即顶点的位置。
3.根据权利要求1所述的差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法，在对被测镜(8)球心定焦的过程中，可以确定球心的位置，其特征在于：
测量光锥聚焦在被测镜(8)球心后，反射光经准直光路中的第一分光镜(4)和第二分光镜(5)反射后，进入差动处理器(11)，会聚到差动共焦探测器(11)中第二探测器(20)的后方和第三探测器(21)的前方，偏离探测面的距离相等；测量光锥在球心附近沿测量光轴(30)方向移动时，第二探测器(20)和第三探测器(21)采集到光强信号的变化符合高斯分布，将两个探测器采集到的光强曲线相减，即可得到差动响应曲线；差动曲线在原光强响应曲线的半高宽内，呈线性变化，线性段的零点就精确对应于被测镜(8)的球心，记为z2，即球心的位置。
4.根据权利要求1所述的差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法，在对被测镜(8)光轴偏心测量中，在球心处旋转被测镜(8)，可以获得被测镜(8)的偏心量，其特征在于：
步骤一、沿测量光轴(30)移动测量光锥，使其聚焦在被测镜(8)的球心位置，在球心附近扫描，光束经被测镜(8)反射后，进入差动共焦探测器(11)，测得差动共焦轴向强度响应曲线，借助差动共焦曲线的零点精确对应焦点这一特性，使测量光锥精确聚焦在被测镜(8)的球心；
步骤二、启动安装被测镜(8)的气浮转轴(9)，带动被测镜(8)匀速旋转，转速与中心偏测量软件的处理速度匹配；
步骤三、聚焦光斑经被测镜(8)反射后存在偏折，旋转过程中，聚焦到差动共焦探测器(11)和第一探测器(12)上的光斑路径是一个圆，其半径为a，聚焦物镜(7)的放大倍率β1与第二显微物镜(10)的放大倍率β2的乘积为β，对应于被测镜(8)的偏心量为
5.差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量装置，其特征在于：包括点光源系统(29)、沿光束出射方向放置的第一分光镜(4)、沿第一分光镜(4)透射方向放置的第二分光镜(5)、沿第二分光镜(5)透射光轴放置的准直物镜(6)、位于准直物镜(6)前用于聚焦光束形成测量光锥的聚焦物镜(7)、用于探测聚焦光斑经被测镜(8)反射后的位置的第一探测器(12)放置在准直物镜(6)的后焦点处、沿第一分光镜(4)的反射光轴放置的第二显微物镜(10)、用于探测聚焦光斑反射光强信号的差动共焦探测器(11)放置在第二显微物镜(10)的后焦点处，包括用于带动测量主机(13)沿测量光轴(30)平移的一维平移系统(14)，用于记录测量主机(13)位置的位置记录系统(15)，用于带动被测镜(8)旋转的气浮转轴(9)与一维平移系统(14)放置在同一平台(22)上，转轴轴线与测量光轴(30)重合。
6.根据权利要求5所述的差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量装置，其特征在于：差动共焦探测器(11)由第三分光镜(16)、反射镜(17)、第二针孔(18)、第三针孔(19)、第二探测器(20)和第三探测器(21)组成。经被测镜(8)反射的光被聚焦物镜(7)聚焦的第二显微物镜(10)的焦点处，放大后进入差动共焦探测器(11)，一路光在第三分光镜(16)处反射进入位于焦点前的第三探测器(21)，一路光透过第三分光镜(16)，在反射镜(17)处反射进入位于焦点后的第二探测器(20)，两探测面的离焦量，大小相等、方向相反。
7.根据权利要求5所述的差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量装置，其特征在于：点光源系统(29)可由脉冲激光器(1)、位于激光器出射方向的第一显微物镜(2)和位于第一显微物镜(2)焦点位置的第一针孔(3)构成。
8.根据权利要求5所述的差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量装置，其特征在于：位置记录系统(15)可由测长干涉仪(26)和安装在测量主机(13)上的全反射棱镜(27)构成。
9.根据权利要求5所述的差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量装置，其特征在于：一维平移系统(14)可由气浮导轨(23)、用于安装测量主机(13) 的气浮滑块(25)和用于驱动气浮滑块(25)在气浮导轨(23)上平移的驱动丝杠(24)构成。
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