CN109269443B - 一种激光差动共焦曲率半径测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光差动共焦曲率半径测量方法与装置，属于光学精密测量技术领域。本方法利用后置光瞳遮挡一半测量光束，使用分光瞳差动共焦探测系统对测量光束进行探测，得到差动共焦响应曲线，利用差动共焦响应曲线的绝对零点分别对球面元件的表面顶点位置和球心位置进行精确定焦，进而得到元件的曲率半径。本发明首次将后置分光瞳激光差动共焦技术用于球面元件曲率半径的高精度检测，仅用一路探测器实现差动共焦定焦及曲率半径测量，系统结构简单，装调难度降低，避免了更换被测镜可能导致的定焦精度下降，进而提高了测量精度；对差动共焦响应曲线零点附近的数据进行线性拟合，实现快速触发定焦及测量，使测量速度、精度及抗散射能力大大提升。

Description

一种激光差动共焦曲率半径测量方法与装置

技术领域

本发明涉及一种激光差动共焦曲率半径测量方法与装置，可用于球面元件曲率半径的非接触式高精度测量，属于光学精密测量技术领域。

背景技术

在光学系统、惯性导航系统、飞机发动机传动系统中，球面元件都是最重要的元件之一。而球面元件的曲率半径是决定元件整体性能最为关键的参数，因此对球面元件的曲率半径进行高精度测量具有重要意义。

针对球面的曲率半径测量，目前已有的测量方法有：球面样板法、球径仪法、自准直法、干涉仪法、刀口仪法、牛顿环法、激光剪切干涉仪法以及莫尔偏析法等。球面样板法和球径仪法属接触测量，测量方法简单，零件不需抛光，但球面样板法只适用于小曲率半径测量，测量精度受样板面形影响较大，并且在接触测量过程中，会因球面磨损和挤压带来测量误差；自准直法属于非接触测量，但零件需要抛光处理，光路调整较复杂，调焦和对准难度较大，会带来测量过程中的系统误差；干涉仪法、刀口仪法、牛顿环法、激光剪切干涉仪法以及莫尔偏析法一般用于大曲率半径的测量。干涉仪法在测量过程中易受温度、气流、振动、噪声等因素的干扰，对测量精度影响较大。

2002年浙江大学提出了一种利用激光偏振干涉体系产生非接触的牛顿环并与CCD图像处理技术相结合的测量方法。该方法通过移动五角棱镜或被测元件并用CCD列阵测得两组干涉牛顿条纹后，通过计算机对两组图像的处理计算得到被测元件表面的曲率半径。该方法可测量的曲率半径为1～25m，具有很宽的测量范围；并且该方法为非接触测量，不会损坏高精度被测元件表面。

2004年美国计量院的Wang Quandou及其工作小组构建了一台超高精度的移相干涉仪XCALIBIR，该干涉仪可以用于测量球面的曲率半径。该方法通过参考球面与被测元件球面产生的移相干涉图像来计算得到被测元件球面的曲率半径。该方法通过对于环境的苛刻控制，补偿十余项误差后，其曲率半径测量精度达到了0.003％。

2006年南京理工大学研究了一种由单幅静态干涉图测量球面曲率半径的方法。该方法针对小曲率半径的球面用林尼克干涉显微镜得到被测球面的静态干涉图，基于阻尼最小二乘法拟合干涉条纹的光强曲线，得到被测小球面面形的多项式表达式，并由此计算出被测件的曲率半径。该方法通过对已知曲率半径的标准微小凸球面样板的测量，得到相对误差为0.093％的测量结果。

同年，Xianyang Cai等人提出了大曲率半径测量的一种新方法，该方法将斐索干涉仪与变焦镜头相结合构成了一套紧凑的测量仪器，同时可以测量具有大曲率半径的凹球面曲率半径和凸球面曲率半径。对于曲率半径为10m的球面，其测量精度为0.04％。

2008年，Wang Quandou在移相干涉仪测量曲率半径的基础上，引入全息技术，用于大曲率半径球面的曲率半径测量。该方法通过在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。

本发明人于2009年提出了一种利用差动共焦原理来对曲率半径进行高精度测量的方法，并申请国家发明专利“差动共焦曲率半径测量方法与装置”。该方法将差动共焦显微原理扩展到曲率半径测量领域，具有测量精度高、抗环境干扰能力强的优点。但是需要同时使用两路探测器，需精确调整两探测器的离焦量，并且会聚透镜数值孔径改变后，原有离焦量可能不再适合，造成定焦精度降低。

本发明人还于2011年提出了一种利用共焦干涉定焦原理来对曲率半径进行高精度测量的方法，并申请国家专利“共焦干涉定焦及曲率半径测量方法”(专利号201110038297.7)。该方法在共焦光路的基础上引入了干涉参考光，由共焦干涉响应曲线的最大值来精确定焦。该方法利用干涉条纹锐化了共焦响应曲线的主瓣，从而提高定焦和测量精度。但是需要保证参考光与测量光之间的光程差是光源半波长的整数倍，并且参考光与测量光之间的环境扰动会对测量精度产生较大干扰。

本发明“一种激光差动共焦曲率半径测量方法与装置”利用分光瞳遮挡一半测量光束，并利用分光瞳差动共焦探测系统进行探测，仅使用一路探测器实现了差动共焦定焦及曲率半径测量，系统结构简化，装调难度降低，对环境扰动不敏感。并且，更换被测元件后，无需重新调整。通过对差动共焦响应曲线零点附近的数据进行线性拟合来实现快速触发定焦。与现有方法相比，本方法测量精度更高，测量速度更快，测量系统及测量过程更简便。

发明内容

本发明的目的是为了解决球面元件曲率半径高精度测试不理想的问题，提供一种激光差动共焦曲率半径测量方法与装置，该方法是通过后置光瞳遮挡一半测量光束，并使用分光瞳差动共焦探测系统进行探测，进而实现精确定焦和曲率半径高精度测量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种激光差动共焦曲率半径测量方法，包括以下步骤：

步骤一、打开点光源，点光源发出的光经分束镜、准直透镜和会聚透镜后形成测量光束照射在被测元件上；

步骤二、调整被测元件，使被测元件与测量光束共光轴，由被测元件反射回来的光通过会聚透镜和准直透镜后被分束镜反射，被后置光瞳遮挡一半，透过的一半光束则聚焦为测量光斑，进入分光瞳差动共焦探测系统；

步骤三、沿光轴方向移动被测元件，使测量光束的焦点与被测元件的表面顶点位置重合；在该位置扫描被测元件，由分光瞳差动共焦探测系统得到差动共焦响应曲线，通过差动共焦响应曲线的绝对零点来确定测量光束精确定焦在被测元件的表面顶点位置，记录此时被测元件的位置Z₁；

步骤四、继续沿光轴方向移动被测元件，使测量光束的焦点与被测元件的球心位置重合；在球心位置扫描被测元件，由分光瞳差动共焦探测系统得到差动共焦响应曲线，通过差动共焦响应曲线的绝对零点来确定测量光束精确定焦在被测元件的球心位置，记录此时被测元件的位置Z₂；

步骤五、计算被测元件表面的曲率半径r＝|Z₁-Z₂|。

本发明所述的一种激光差动共焦曲率半径测量方法，所述后置光瞳为D形后置光瞳或圆形后置光瞳，实现一种激光差动共焦曲率半径测量。

本发明所述的一种激光差动共焦曲率半径测量方法，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，降低测量元件参数时波像差对测量光束的影响，减少测量误差。

本发明所述的一种激光差动共焦曲率半径测量方法，采用差动共焦响应曲线零点附近的测量数据进行线性拟合，通过拟合所得差动共焦响应曲线线性段拟合直线的绝对零点位置来进行快速触发定焦，提升测量精度、测量速度和抗散射能力。

本发明还公开了一种激光差动共焦曲率半径测量装置，包括点光源，其特征在于：包括位于点光源光轴方向的分束镜、环形光瞳、准直透镜、会聚透镜，位于分束镜反射方向的后置光瞳和分光瞳差动共焦探测系统，主控计算机、电机驱动系统、直线导轨和五维调整架；点光源发出的测量光束依次经过分束镜、环形光瞳、准直透镜和会聚透镜后照射在被测元件；由被测元件反射回来的光通过会聚透镜、准直透镜和环形光瞳后经分光瞳进入分光瞳差动共焦探测系统；主控计算机控制电机驱动系统进而控制五维调整架的移动，分光瞳激光差动共焦探测系统将探测结果传输给主控计算机。

本发明的一种激光差动共焦曲率半径测量装置，所述分光瞳差动共焦探测系统由第一针孔、第二针孔和二象限探测器组成；其中第一针孔和第二针孔关于光轴对称；二象限探测器上的第一探测象限和第二探测象限关于光轴对称；

本发明的一种激光差动共焦曲率半径测量装置，所述分光瞳差动共焦探测系统还可由显微物镜和CCD组成；在CCD的探测器靶面上设置第一虚拟针孔和第二虚拟针孔，第一虚拟针孔和第二虚拟针孔关于光轴对称。

本发明的一种激光差动共焦曲率半径测量装置，所述后置光瞳为D形后置光瞳或圆形后置光瞳。

有益效果

本发明对比已有技术具有以下创新点：

1、首次提出利用后置分光瞳差动共焦技术对被测元件表面进行精确定焦并测量曲率半径，系统更加简化，定焦精度更高；

2、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。

3、采用线性拟合进行快速触发定焦，提高了测量速度，测量精度及抗散射能力。

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

1、相比于共焦曲率半径测量方法，本方法由于采用差动共焦定焦技术，其测量精度显著提高；

2、相比于传统的差动共焦曲率半径测量方法，本方法中的后置光瞳与分光瞳激光差动共焦系统保证更换会聚透镜后测量系统仍具有最佳离焦量，从而进一步保证测量精度；

3、相比于已申请的专利“共焦干涉定焦及曲率半径测量方法”(专利号201110038297.7)，本方法避免了参考光与测量光光程不匹配所引入的误差，因而测量精度更高，并且抗环境干扰能力更强；

4、相比于传统的差动共焦曲率半径测量方法，本方法对差动共焦响应曲线零点附近的数据线性拟合，从而实现快速触发定焦，提高了测量速度，测量精度及抗散射能力。

附图说明

图1为本发明一种激光差动共焦曲率半径测量方法示意图；

图2为本发明线性拟合触发定焦示意图；

图3为本发明的实施例1的一种激光差动共焦曲率半径测量方法与装置示意图；

图4为本发明的实施例2的一种激光差动共焦曲率半径测量方法与装置示意图。

其中：1-点光源、2-分束镜、3-环形光瞳、4-准直透镜、5-会聚透镜、6-被测元件、7-D形后置光瞳、8-分光瞳差动共焦探测系统、9-第一针孔、10-第二针孔、11-二象限探测器、12-艾里斑、13-第一探测象限、14-第二探测象限、15-第一共焦响应曲线、16-第二共焦响应曲线、17-差动共焦响应曲线、18-差动共焦响应曲线线性段拟合直线、19-绝对零点位置、20-显微物镜、21-CCD、22-激光器、23-光纤、24-第一虚拟针孔、25-第二虚拟针孔、26-主控计算机、27-电机驱动系统、28-直线导轨、29-五维调整架、30-圆形后置光瞳。

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。

本发明利用后置分光瞳激光差动共焦响应曲线的过零点分别精确定位被测元件的表面顶点位置和球心位置进行精确定焦，进而得出被测曲率半径。同时在测量光路中引入环形光瞳，遮挡近轴光线，形成空心的测量光锥，削减了像差对测量结果的影响。

实施例1

如图3所示，一种激光差动共焦曲率半径测量装置，包括激光器22，光纤23，和点光源1，依次放在点光源1出射光方向的分束镜2、环形光瞳3、准直透镜4和会聚透镜5，还包括放置在分束镜2反射方向的D形后置光瞳7以及由显微物镜20和CCD21构成的分光瞳差动共焦探测系统8；主控计算机26与电机驱动系统27相连接，使其驱动直线导轨28带动被测元件6沿光轴方向进行扫描。

当使用该装置测量透镜表面曲率半径时，使用该系统中的分光瞳差动共焦探测系统8来对被测元件6表面的顶点以及球心进行高精度定位，进而测得其表面曲率半径。

通常分光瞳差动共焦探测系统8有两种形式，一种为运用针孔探测的分光瞳差动共焦探测系统，如图1所示；另一种为运用显微物镜探测的分光瞳差动共焦探测系统。由于运用显微物镜探测的分光瞳差动共焦探测系统较运用针孔探测的分光瞳差动共焦探测系统具有装调方便、易于调整被测元件的优点，所以此处采用了运用显微物镜探测的分光瞳差动共焦探测系统。此时，进入分光瞳差动共焦探测系统8的光在显微物镜20的物面上会聚为艾里斑12，被显微物镜20成像到CCD21的靶面上。在CCD21上设置两个关于光轴对称的探测区域，即第一虚拟针孔24和第二虚拟针孔25。由第一虚拟针孔24和第二虚拟针孔25分别记录的光强信号被传入计算机26，分别得到第一共焦响应曲线15和第二共焦响应曲线16，将第一共焦响应曲线15和第二共焦响应曲线16差动相减，即可得出差动共焦响应曲线17，并对差动共焦响应曲线线性段进行直线拟合，利用其绝对零点位置19来触发定焦，进一步测得待测曲率半径。

装置的测量步骤如下：

(1)启动主控计算机26中的测量软件，打开激光器22，激光器22发出的光线经光纤23传输后形成点光源1。点光源1发出的光经分束镜2、环形光瞳3、准直透镜4和会聚透镜5后形成测量光束；

(2)将被测元件6固定在五维调整架29上，测量光束照射在被测元件6表面上，由被测元件6表面反射回来的光通过会聚透镜5和准直透镜4后，由分束镜2反射，被D形后置光瞳7遮挡一半后进入分光瞳差动共焦探测系统8；

(3)通过直线导轨28将被测元件6沿光轴移动至测量光束焦点与被测元件表面的球心位置相接近，观察CCD21中由被测元件6表面反射回来的光斑，调整五维调整架29使光斑中点位于CCD21的中心位置，此时被测元件6与测量光束共光轴；

(4)主控计算机26的测量软件通过电机驱动系统27控制直线导轨28轴向平移，进而带动被测元件6沿光轴方向扫描，当测量光束焦点扫过被测元件6表面的顶点位置时，测量软件通过分光瞳差动共焦探测系统8探测得到差动共焦响应曲线17，通过对差动共焦响应曲线线性段18进行直线拟合，利用拟合直线的绝对零点位置19来确定测量光束焦点与被测元件6表面的顶点位置相重合，记录此时被测元件6的位置Z₁＝5.0886mm；

(5)继续移动被测元件6沿光轴方向扫描，当测量光束焦点扫过被测元件6表面的球心位置时，测量软件再次通过定位差动共焦响应曲线线性段18的绝对零点位置19来确定测量光束焦点与被测元件6表面的球心位置相重合，记录此时被测元件6的位置Z₂＝-31.6162mm；

(6)计算两位置之间的距离|Z₁-Z₂|＝36.7048mm，则36.7048mm即为被测元件的曲率半径。

实施例2

如图4所示，一种激光差动共焦曲率半径测量装置，其与图3实施例中的后置分光瞳差动共焦曲率半径测量装置的区别在于将后置光瞳由D形后置光瞳7替换为圆形后置光瞳30。

装置的测量步骤与实施例1相同。

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)

1.一种激光差动共焦曲率半径测量方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一、点光源(1)发出的光经分束镜(2)、准直透镜(4)和会聚透镜(5)后形成测量光束照射在被测元件(6)上；

步骤二、调整被测元件(6)，使被测元件(6)与测量光束共光轴，由被测元件(6)反射回来的光通过会聚透镜(5)和准直透镜(4)后被分束镜(2)反射，被后置光瞳遮挡一半，透过的一半光束则聚焦为测量光斑，进入分光瞳差动共焦探测系统(8)；

步骤三、沿光轴方向移动被测元件(6)，使测量光束的焦点与被测元件(6)的表面顶点位置重合；在该位置扫描被测元件(6)，由分光瞳差动共焦探测系统(8)得到差动共焦响应曲线(17)，通过差动共焦响应曲线(17)的绝对零点来确定测量光束精确定焦在被测元件(6)的表面顶点位置，记录此时被测元件的位置Z₁；

步骤四、继续沿光轴方向移动被测元件(6)，使测量光束的焦点与被测元件(6)的球心位置重合；在球心位置扫描被测元件(6)，由分光瞳差动共焦探测系统(8)得到差动共焦响应曲线(17)，通过差动共焦响应曲线(17)的绝对零点来确定测量光束精确定焦在被测元件(6)的球心位置，记录此时被测元件的位置Z₂；

步骤五、计算被测元件表面的曲率半径r＝|Z₁-Z₂|。

2.根据权利要求1所述的一种激光差动共焦曲率半径测量方法，其特征在于：所述后置光瞳为D形后置光瞳(7)或圆形后置光瞳，实现一种激光差动共焦曲率半径测量。

3.根据权利要求1所述的一种激光差动共焦曲率半径测量方法，其特征在于：在光路中增加环形光瞳(3)对测量光束进行调制，形成环形光束，降低测量元件参数时波像差对测量光束的影响，减少测量误差。

4.根据权利要求1所述的一种激光差动共焦曲率半径测量方法，其特征在于：采用差动共焦响应曲线(17)零点附近的测量数据进行线性拟合，通过拟合所得差动共焦响应曲线线性段拟合直线(18)的绝对零点位置(19)来进行快速触发定焦，提升测量精度、测量速度和抗散射能力。