CN109990732A - 横向相减差动共焦曲率半径测量方法 - Google Patents

横向相减差动共焦曲率半径测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种横向相减激光差动共焦曲率半径测量方法。该方法将差动共焦探测器中焦前焦后两路探测器探测到的光斑分别采用不同大小虚拟针孔进行横向相减得到锐化后的横向相减共焦响应曲线，将两路横向相减共焦响应曲线差动相减后得到横向相减差动共焦响应曲线，根据横向相减差动共焦响应曲线的过零点精确确定被测球面的“共焦”位置和“猫眼”位置，得到被测球面曲率径的精确值。本发明中横向相减激光差动共焦的光强响应曲线过零点附近的斜率大于传统的差动共焦光强响应曲线，因而定焦灵敏度高，测量精度得到提高，并且抗环境干扰能力强。本方法测量精度高，抗表面散射和环境干扰能力强。

Description

横向相减差动共焦曲率半径测量方法
技术领域
本发明涉及一种横向相减差动共焦曲率半径测量方法，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“横向相减差动共焦曲率半径测量方法”通过大、小虚拟针孔横向相减探测来锐化离焦探测光路系统的共焦特性曲线，通过双光路探测焦前和焦后锐化共焦特性曲线的差动相减处理来实现被测表面的差动共焦双极性定焦测量，通过差动共焦定焦曲线的线性拟合来提升焦点位置捕获精度，进而实现球面曲率半径的高精度测量。
发明内容
本发明的目的是为了解决球面曲率半径测量精度不高的问题，提供一种横向相减差动共焦曲率半径测量方法；该方法的核心思想：在差动共焦测量系统中，通过大、小虚拟针孔横向相减探测来锐化离焦探测光路系统的共焦特性曲线，通过双光路探测焦前和焦后锐化共焦特性曲线的差动相减处理来实现被测表面的差动共焦双极性定焦测量，通过差动共焦定焦曲线的线性拟合来提升焦点位置捕获精度，进而实现球面曲率半径的高精度测量。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
横向相减差动共焦曲率半径测量方法，包括以下步骤：
a)打开点光源，调整被测球面样品使其与准直透镜和测量物镜共光轴，点光源发出的光经分束镜、准直透镜后出射平行光束，测量物镜后将准直透镜出射的平行光束汇聚成测量光束照射在被测球面样品上；
b)由被测球面样品反射回来的光通过测量物镜和准直透镜被分束镜反射，反射的光束聚焦为测量光斑，并被横向相减差动共焦探测系统探测；
c)沿光轴方向移动被测球面样品，使测量光束的焦点与被测球面样品的球心重合，即被测球面样品处于“共焦”位置；在该“共焦”位置附近扫描被测球面样品，将横向相减差动共焦探测系统中焦前大虚拟针孔探测域探测的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线IB1(z,-uM)和焦前小虚拟针孔探测域探测的焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线IS1(z,-uM)进行相减处理，得到半高宽压缩的焦前横向相减锐化共焦特性曲线I1(z,-uM)＝IS1(z,-uM)-γIB1(z,-uM)；将横向相减差动共焦探测系统中焦后大虚拟针孔探测域探测的焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线IB2(z,+uM)和焦后小虚拟针孔探测域探测到的焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线IS2(z,+uM)进行相减处理，得到半高宽压缩的焦后横向相减锐化共焦特性曲线I2(z,+uM)＝IS2(z,+uM)-γIB2(z,+uM)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子，uM为焦前CCD探测器偏离焦前显微物镜焦平面距离M的归一化距离，也是焦后CCD探测器偏离焦后显微物镜焦平面距离M的归一化距离；将焦后横向相减锐化共焦特性曲线I2(z,+uM)和焦前横向相减锐化共焦特性曲线I1(z,-uM)进行差动相减，即可得到轴向高灵敏的离散横向相减差动共焦特性曲线ID(z)：
ID(z)＝I2(z,+uM)-I1(z,-uM)
通过离散横向相减差动共焦特性曲线ID(z)的拟合直线零点来确定被测球面样品的“共焦”位置，进而精确被测球面样品的位置Z1；
d)继续沿光轴向测量物镜的方向移动被测球面样品，使测量光束的焦点与被测球面样品的顶点位置重合即“猫眼”位置，此时测量光束被被测球面样品原路反射进入横向相减差动共焦探测系统被探测；在该位置附近扫描被测球面样品，由横向相减差动共焦探测系统测得离散横向相减差动共焦特性曲线，主控计算机通过差动共焦线性拟合直线的拟合直线零点来精确确定测量物镜的焦点位置Z2，记录此时被测球面样品的“猫眼”位置Z2；
e)计算被测球面样品的曲率半径r＝|Z1-Z2|。
本发明所述的横向相减差动共焦曲率半径测量方法，通过横向相减差动共焦探测系统得到焦前横向相减锐化共焦特性曲线和焦后横向相减锐化共焦特性曲线的过程如下：
a)在被测球面样品扫描过程中，通过焦前CCD探测器探测焦前测量艾里斑，以焦前测量艾里斑的重心为中心，在焦前CCD探测器每帧探测图像上选定特定大小的焦前大虚拟针孔探测域，将焦前大虚拟针孔探测域中每个像素上的强度进行积分，得出焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线；
b)同时以焦前CCD探测器探测的焦前测量艾里斑重心为中心，选择另一个焦前小虚拟针孔探测域，所述焦前小虚拟针孔探测域的尺寸小于所述焦前大虚拟针孔探测域，积分焦前小虚拟针孔探测域的强度得到焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线，焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线的半高宽和峰值强度均低于焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线；
c)将焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线乘以调节因子γ，使得焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线光强是焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线的1/2倍；
d)将焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线减去乘调节因子γ后的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线，得到焦前横向相减锐化共焦特性曲线。
e)重复步骤a)～d)，对焦后CCD探测器探测到的焦后测量艾里斑进行处理，同样得到焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线和焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线，焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线和焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线横向相减锐化处理后同样得到焦后横向相减锐化共焦特性曲线。
有益效果
1)提出利用大、小虚拟针孔探测横向相减锐化共焦特性曲线，利用焦前、焦后离焦探测对锐化焦前共焦特性曲线和焦后共焦特性曲线进行差动处理，进而显著提高了差动共焦定焦曲线的定焦灵敏度和信噪比，使曲率半径测量系统具有更高的测量精度。
2)相比于差动共焦测量装置，在未增加硬件成本的情况下提高了测量精度。
3)该测量方法通过大小虚拟光斑探测区横向相减和焦前焦后两路信号的差动探测，有效消除共模噪声，因而具有强抗环境干扰能力。
4)相比于经典的高精度干涉曲率测量方法，本方法由于采用非干涉的艾里斑中心强度“点探测”方式，克服了现有干涉定焦法对系统像差、环境振动、气流干扰和样品表面粗糙度极度灵敏的不足，大幅提高了抗系统像差、环境干扰和表面散射的能力，显著提高了球面曲率半径的测量精度。
附图说明
图1为本发明横向相减差动共焦曲率半径测量方法的示意图；
图2为本发明大小虚拟针孔共焦特性曲线横向相减锐化示意图；
图3为本发明横向相减差动共焦定焦曲线示意图；
图4为本发明的差动共焦定焦曲线线性拟合触发定焦示意图；
图5为本发明横向相减差动共焦曲率半径测量实施例的示意图。
其中：1-点光源、2-分束镜、3-准直透镜、4-被测透镜、5-被测球面样品、6-横向相减差动共焦探测系统、7-分束镜、8-焦前显微物镜、9-焦前CCD探测器、10-焦后显微物镜、11-焦后CCD探测器、12-焦前测量艾里斑、13-焦前大虚拟针孔探测域、14-焦前小虚拟针孔探测域、15-焦后测量艾里斑、16-焦后大虚拟针孔探测域、17-焦后小虚拟针孔探测域、18-焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线、19-焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线、20-焦前横向相减锐化共焦特性曲线、21-焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线、22-焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线、23-焦后横向相减锐化共焦特性曲线、24-横向相减差动共焦特性曲线、25-差动共焦线性拟合直线、26-拟合直线零点、27-图像采集系统、28-主控计算机、29-多路电机驱动系统、30-轴向测量运动系统、31-五维调整系统、32-激光器、33-显微物镜、34-针孔。
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。
本发明使用横向相减差动共焦曲率半径测量方法来实现球面曲率半径的高精度测量，核心思想：在差动共焦测量系统中，通过大、小虚拟针孔横向相减探测来锐化共焦特性曲线，通过锐化共焦特性曲线的差动相减探测实现球面曲率半径测量中球面“共焦”位置和“猫眼”位置的高精度定焦，进而达到提高球面曲率半径测量精度的目的。
实施例1：
如附图5所示，横向相减差动共焦曲率半径测量方法的测量步骤是：
1)启动主控计算机28的测量软件，打开激光器32，激光器32发出的光经过显微物镜33和针孔34后形成点光源1；点光源1发出的光经分束镜2、准直透镜3和测量物镜4后照射在被测球面样品5上；
2)调整被测球面样品5使其与准直透镜3和测量物镜4共光轴，由被测球面样品5反射回来的光通过测量物镜4和准直透镜3被分束镜2反射，反射的光束聚焦为测量光斑，并被横向相减差动共焦探测系统6探测；
3)主控计算机28中的测量软件，通过图像采集系统27获得由焦前CCD探测器9和焦后CCD探测器11采集到的焦前测量艾里斑12和焦后测量艾里斑15；
4)沿光轴方向移动被测球面样品5，使测量光束的焦点与被测球面样品5的球心重合，即被测球面样品5处于“共焦”位置；在该“共焦”位置附近扫描被测球面样品5，如图2所示，将横向相减差动共焦探测系统6中焦前大虚拟针孔探测域13探测的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线18IB1(z,-uM)和焦前小虚拟针孔探测域14探测到的焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线19IS1(z,-uM)进行相减处理，得到半高宽压缩的焦前横向相减锐化共焦特性曲线20I1(z,-uM)＝IS1(z,-uM)-γIB1(z,-uM)；将横向相减差动共焦探测系统6中焦后大虚拟针孔探测域16探测的焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线21IB2(z,+uM)和焦后小虚拟针孔探测域17探测到的焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线22IS2(z,+uM)进行相减处理，得到半高宽压缩的焦后横向相减锐化共焦特性曲线23I2(z,+uM)＝IS2(z,+uM)-γIB2(z,+uM)；
大/小虚拟针孔探测域探测共焦特性曲线的过程是在CCD探测器探测焦前测量艾里斑12和焦后测量艾里斑15的每帧图像上选取一个同心圆域，对大圆域内的每个像素光强进行积分得到一条共焦强度响应曲线IB(z,uM)，对小圆域内的每个像素光强积分得到一条共焦强度响应曲线IS(z,uM)，然后将IB(z,uM)和IS(z,uM)进行相减处理得到横向相减共焦响应曲线I(z,uM)＝IS(z,uM)-γIB(z,uM)，改变调节因子γ实现共焦特性曲线的优化。
5)如图3所示，本实施例中大圆域直径选取11个像素，小圆域直径选取5个像素，取γ＝0.5，主控计算机28的测量软件将相减处理得到的焦前横向相减锐化共焦特性曲线20和焦后横向相减锐化共焦特性曲线23依据式1进行差动相减处理得到离散横向相减差动共焦特性曲线24；
如图4所示，将离散横向相减差动共焦特性曲线24进行拟合处理，通过对离散横向相减差动共焦特性曲线24绝对零点附近的离散测量数据进行线性拟合，得到差动共焦线性拟合直线25，测量软件通过差动共焦线性拟合直线25的拟合直线零点26来确定被测球面样品5的“共焦”位置，进而被测球面样品5的位置Z1＝0.1725mm；
6)继续沿光轴向测量物镜4的方向移动被测球面样品5，使测量光束的焦点与被测球面样品5的顶点位置重合即“猫眼”位置，此时测量光束被被测球面样品5原路反射进入横向相减差动共焦探测系统6被探测。在该位置附近扫描被测球面样品5，由横向相减差动共焦探测系统6测得离散横向相减差动共焦特性曲线24，主控计算机28通过差动共焦线性拟合直线25的拟合直线零点26来精确确定测量物镜4的焦点位置Z2，记录此时被测球面样品5的“猫眼”位置Z2＝-24.8669mm；
计算被测球面样品5两位置之间的距离Z2-Z1＝-25.0394mm，则被测球面样品5的曲率半径r＝-25.0394mm。
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 (2)

1.横向相减差动共焦曲率半径测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
a)打开点光源(1)，调整被测球面样品(5)使其与准直透镜(3)和测量物镜(4)共光轴，其发出的光经分束镜(2)、准直透镜(3)后出射平行光束，测量物镜(4)后将准直透镜(3)出射的平行光束汇聚成测量光束照射在被测球面样品(5)上；
b)由被测球面样品(5)反射回来的光通过测量物镜(4)和准直透镜(3)被分束镜(2)反射，反射的光束聚焦为测量光斑，并被横向相减差动共焦探测系统(6)探测；
c)沿光轴方向移动被测球面样品(5)，使测量光束的焦点与被测球面样品(5)的球心重合，即被测球面样品(5)处于“共焦”位置；在该“共焦”位置附近扫描被测球面样品(5)，将横向相减差动共焦探测系统(6)中焦前大虚拟针孔探测域(13)探测的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线(18)IB1(z,-uM)，和焦前小虚拟针孔探测域(14)探测到的焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线(19)IS1(z,-uM)进行相减处理，得到半高宽压缩的焦前横向相减锐化共焦特性曲线(20)I1(z,-uM)＝IS1(z,-uM)-γIB1(z,-uM)；将横向相减差动共焦探测系统(6)中焦后大虚拟针孔探测域(16)探测的焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线(21)IB2(z,+uM)，和焦后小虚拟针孔探测域(17)探测到的焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线(22)IS2(z,+uM)进行相减处理，得到半高宽压缩的焦后横向相减锐化共焦特性曲线(23)I2(z,+uM)＝IS2(z,+uM)-γIB2(z,+uM)；其中z为轴向坐标，γ为调节因子，uM为焦前CCD探测器(9)偏离焦前显微物镜(8)焦平面距离M的归一化距离，也是焦后CCD探测器(11)偏离焦后显微物镜(10)焦平面距离M的归一化距离；将焦后横向相减锐化共焦特性曲线(23)I2(z,+uM)和焦前横向相减锐化共焦特性曲线(20)I1(z,-uM)进行差动相减，即得到轴向高灵敏的离散横向相减差动共焦特性曲线(24)ID(z)：
ID(z)＝I2(z,+uM)-I1(z,-uM) (1)
通过离散横向相减差动共焦特性曲线(24)ID(z)的拟合直线零点(26)来确定被测球面样品(5)的“共焦”位置，进而精确被测球面样品(5)的位置Z1；
d)继续沿光轴向测量物镜(4)的方向移动被测球面样品(5)，使测量光束的焦点与被测球面样品(5)的顶点位置重合即“猫眼”位置，然后测量光束被被测球面样品(5)反射，并原路返回进入横向相减差动共焦探测系统(6)被探测；在顶点位置附近扫描被测球面样品(5)，由横向相减差动共焦探测系统(6)测得离散横向相减差动共焦特性曲线(24)，主控计算机(28)通过差动共焦线性拟合直线(25)的拟合直线零点(26)来精确确定测量物镜(4)的焦点位置Z2，记录此时被测球面样品(5)的“猫眼”位置Z2；
e)计算被测球面样品(5)的曲率半径r＝|Z1-Z2|。
2.根据权利要求1所述的横向相减差动共焦曲率半径测量方法，其特征在于：通过横向相减差动共焦探测系统(6)得到焦前横向相减锐化共焦特性曲线(20)和焦后横向相减锐化共焦特性曲线(23)的过程如下：
a)在被测球面样品(5)扫描过程中，通过焦前CCD探测器(9)探测焦前测量艾里斑(12)，以焦前测量艾里斑(12)的重心为中心，在焦前CCD探测器(9)每帧探测图像上选定一定大小的焦前大虚拟针孔探测域(13)，将焦前大虚拟针孔探测域(13)中每个像素上的强度进行积分，得出焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线(18)；
b)同时以焦前CCD探测器(9)探测的焦前测量艾里斑(12)重心为中心，选择另一个焦前小虚拟针孔探测域(14)，所述焦前小虚拟针孔探测域(14)的尺寸小于所述焦前大虚拟针孔探测域(13)，积分焦前小虚拟针孔探测域(14)的强度得到另一条焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线(19)，焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线(19)的半高宽和峰值强度均低于焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线(18)；
c)将焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线(18)乘以调节因子γ，使得焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线(18)光强是焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线(19)的1/2倍；
d)将焦前小虚拟针孔探测共焦特性曲线(19)减去乘调节因子γ后的焦前大虚拟针孔探测共焦特性曲线(18)，得到焦前横向相减锐化共焦特性曲线(20)；
e)重复步骤a)～d)，对焦后CCD探测器(11)探测到的焦后测量艾里斑(15)进行处理，同样得到焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线(21)和焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线(22)，焦后大虚拟针孔探测共焦特性曲线(21)和焦后小虚拟针孔探测共焦特性曲线(22)横向相减锐化处理后同样得到焦后横向相减锐化共焦特性曲线(23)。
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