CN103471524A - 共焦抛物面顶点曲率半径测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种共焦抛物面顶点曲率半径测量方法。该方法利用抛物面可将聚焦于其焦点的光束无像差地准直成平行光束的特性，结合部分平面反射镜构建自反射光路，利用共焦响应曲线的最大值点精确定位抛物面的顶点及焦点位置，进而精确测得抛物面的焦距及顶点曲率半径值。本发明首次提出将差动共焦测量技术扩展到抛物面顶点曲率半径测量领域，具有测量精度高、抗环境干扰能力强的优点，可用于抛物面顶点曲率半径的高精度检测。
Description
技术领域
本发明属于光学精密测量技术领域，可用于抛物面焦距和顶点曲率半径的检测与光学系统装配过程中的高精度抛物面焦距和顶点曲率半径测量。
技术背景
抛物面由于能将平行光束无像差地聚焦于焦点，因而作为一种重要非球面广泛地运用在反射式天文望远镜、空间光通信、对地观测相机等光学系统中。抛物面的顶点曲率半径决定了光学系统的焦距及像质，因而有关抛物面顶点曲率半径的测量具有重要的意义。
目前，可用于测量抛物面顶点曲率半径的方法主要包括接触式测量法和非接触式测量法两大类。接触式测量法利用三坐标机、激光跟踪仪等测量仪器采样抛物面表面的坐标点信息，进而通过拟合的方法求得其表面的曲率半径值。这些方法的单点定位精度通常很高，但是受采集点数和拟合精度的限制，尤其对于大顶点曲率半径的抛物面来说测量精度很难达到理想。而且接触式测量法测量速度慢、容易划伤被测光学元件表面。为了解决接触式顶点曲率半径测量存在的问题，学者们做了很多有价值的研究，并提出了多种可以用于抛物面顶点曲率半径非接触测量的方法。1986年发表在Applied Optics上的《Conicconstant and paraxial radius of curvature measurements for conic surfaces》提出的轴向像差测量法使用光具座测得非球面的表面的轴向法线像差和其对应的法线夹角，进而通过二次曲面表达式求解出其顶点曲率半径。受轴向法线像差和夹角测量精度的影响，该方法的顶点曲率半径测量精度仅能达到3%。1994年发表在SPIE上的《Fabrication and testing of the3.5m,f/1.75WIYN primary mirror》提出的干涉测量法利用干涉图测量二次曲面各环带曲率中心间的相对偏离距离，进而采用最小二乘法测得顶点曲率半径。由于干涉测量法其定位精度高，因此该方法的顶点曲率半径测量精度可以达到0.02%。2004年发表在OpticsCommunication上的《A simple ray tracing method for measuring the vertex radius ofcurvature of an aspheric mirror》提出的光线追迹测量法通过测量入射光线方程和反射光线的方程获得非球面表面各点的法线方程，进而处理得到其顶点曲率半径值。该方法的顶点曲率半径测量精度可以达到0.5%。
为了进一步提高抛物面顶点曲率半径的测量精度，本发明利用共焦技术，提出了一种完全不同于上述方法的非接触高精度抛物面顶点曲率半径测量新方法。该方法利用被测抛物面顶点曲率半径是其焦距两倍的关系，借助部分平面反射镜构成自反射光路，利用共焦技术精确定位被测抛物面的焦点位置和顶点位置，进而高精度测得抛物面的焦距及顶点曲率半径值。
本发明首次将共焦技术利用到非球面光学元件的参数测量领域，该技术相比于以往测量方法具有测量精度高、测量光路简洁及智能化程度高等诸多优点，为抛物面顶点曲率半径高精度非接触测量提供了一条行之有效的途径。
发明内容
为了解决抛物面顶点曲率半径的高精度非接触测量难题，本发明提出一种共焦抛物面顶点曲率半径测量方法。该方法的核心思想是，利用抛物面可将聚焦于其焦点的光束无像差地准直成平行光束的特性，结合部分平面反射镜构建自反射光路，利用共焦响应曲线的最大值点精确定位抛物面的顶点及焦点位置，进而精确测得抛物面的焦距及顶点曲率半径值。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
本发明提出的共焦抛物面顶点曲率半径测量方法是基于共焦元件参数测量装置实现的，该装置包括点光源、分光镜、准直透镜、物镜、共焦测量系统；其中，分光镜、准直透镜、物镜放置在光的出射方向，共焦测量系统放置在分光镜的反射方向；准直透镜将点光源发出的光准直成平行光，平行光经物镜会聚后形成测量光束用于测量；在测量过程中，反射回来的光束由分光镜反射后进入共焦测量系统用于产生共焦响应曲线。
本发明的一种共焦抛物面顶点曲率半径测量方法，包括以下步骤：
(a)打开点光源，其发出的光经分光镜、准直透镜和物镜后透过部分平面反射镜照射在被测抛物面上，由被测抛物面的表面反射，反射回来的光由分光镜反射进入共焦测量系统；
(b)调整部分平面反射镜和被测抛物面，使其均与物镜共光轴，准直透镜将点光源产生的光准直成平行光，平行光经物镜会聚后形成测量光束透过部分平面反射镜照射在被测抛物面上；
(c)沿光轴方向移动被测抛物面，使测量光束的聚焦焦点与被测抛物面表面接近，由被测抛物面反射回来的光束经分光镜反射后进入共焦测量系统；在该位置附近扫描被测抛物面，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确定测量光束的焦点与被测抛物面的表面相重合，进而精确确定被测抛物面的顶点位置，记录此时被测抛物面的位置z1；
(d)继续将被测抛物面沿光轴方向移动，使测量光束的聚焦焦点与被测抛物面的焦点位置接近，此时测量光束经被测抛物面反射后形成平行光束照射在部分平面反射镜上，由部分平面反射镜反射后沿原光路返回，反射回来的光束经分光镜反射后进入共焦测量系统；在该位置附近扫描被测抛物面，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确定测量光束的焦点与被测抛物面的焦点相重合，进而精确确定被测抛物面的焦点位置，记录此时被测抛物面的位置z2；
(e)根据上述两次定焦得到的被测抛物面位置z1、z2之间的距离d，即可测得被测抛物面的焦距f′=d=z1-z2，被测抛物面的顶点曲率半径r=2f′=2(z1-z2)。
本发明所述的共焦抛物面顶点曲率半径测量方法，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。
本发明所述的共焦抛物面顶点曲率半径测量方法，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。
本发明所述的共焦抛物面顶点曲率半径测量方法，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.首次提出将共焦测量方法应用到抛物面焦距及顶点曲率半径的测量领域，利用抛物面可将聚焦于其焦点的光束无像差地准直成平行光束的特性，结合部分平面反射镜构建自反射光路，利用共焦响应曲线的最大值点精确定位抛物面的顶点及焦点位置，进而精确测得抛物面的焦距及顶点曲率半径值；
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．共焦技术以轴向的光强响应曲线作为评价尺度，由于光学系统的物距变化引起的轴向放大率变化是垂轴放大率变化的平方，所以本发明相比其它光学非接触测量方法定焦精度显著提高；
2.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；
3.该方法是非接触测量方法，在测量过程中不会接触被测抛物面表面，因此相比于接触式测量法，该方法具有测量过程中不会划伤被测抛物面表面的优势。
附图说明
图1为本发明共焦抛物面顶点曲率半径测量方法的示意图；
图2为本发明共焦抛物面顶点曲率半径测量实施例的示意图；
图3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-物镜、5-部分平面反射镜、6-被测抛物面、7-共焦测量系统、8-针孔、9-光强传感器、10-显微物镜、11-CCD探测器、12-图像采集卡、13-主控计算机、14-机电控制装置、15-直线平移导轨、16-四维调整架、17-激光器、18-光纤、19-点光源发生装置。
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抛物面焦距及顶点曲率半径测量方法，显著提高了对被测抛物面顶点及焦点的定位精度。其核心思想是，利用抛物面可将聚焦于其焦点的光束无像差地准直成平行光束的特性，结合部分平面反射镜构建自反射光路，利用共焦响应曲线的最大值点精确定位抛物面的顶点及焦点位置，进而精确测得抛物面的焦距及顶点曲率半径值。
实施例1
实施例中被测抛物面6口径为30mm，设计的顶点曲率半径为48mm，经中国计量科学研究院使用UA3P三坐标测量仪通过接触式测量法标定，其顶点曲率半径为47.976mm，对其顶点曲率半径的测量步骤是：
(a)启动主控计算机13中的测量软件，打开激光器17，激光器17所发出的光经光纤18传输后形成点光源1。点光源1发出的光经分光镜2、准直透镜3和物镜4后透过部分平面反射镜5形成测量光束，调整部分平面反射镜5使其与物镜4共光轴；
(b)将被测抛物面6放置于四维调整架16上，通过四维调整架16调整被测抛物面6，使其与物镜4共光轴；
(c)主控计算机13中的测量软件通过机电控制装置14控制直线平移导轨15轴向平移，进而带动被测抛物面6沿光轴方向移动。将被测抛物面6移动到其表面与测量光束的聚焦焦点相接近，然后在该位置附近扫描被测抛物面6，测量软件通过图像采集卡12采集得到焦点光斑数据并处理出如附图3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测量光束的聚焦焦点与被测抛物面6的表面相重合，进而精确确定被测抛物面6的顶点位置，此时被测抛物面6的位置z1=23.99474mm；
(d)将被测抛物面6沿光轴方向移动，使测量光束的聚焦焦点与被测抛物面6的焦点位置接近，此时测量光束经被测抛物面6反射后形成平行光束照射在部分平面反射镜5上，由部分平面反射镜5反射后沿原光路返回，反射回来的光束经分光镜2反射后进入共焦测量系统。在该位置附近扫描被测抛物面6，测量软件再次通过图像采集卡12采集得到焦点光斑数据并处理出如附图3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测量光束的聚焦焦点与被测抛物面6的焦点相重合，进而精确确定被测抛物面6的焦点位置，此时被测抛物面6的位置为z2=0.00686mm；
(e)根据上述两次定焦得到的被测抛物面6的位置z1、z2，可得到z1、z2之间的距离d=23.99474-0.00686mm=23.98788mm，进而可得到被测抛物面6的焦距f′=d=23.98788mm，顶点曲率半径r=2f′=47.9758mm。测量结果与UA3P标定结果一致。
(f)对被测抛物面6的顶点曲率半径进行10次重复测量，并对其进行不确定度分析，得到测量结果的扩展不确定度为0.63μm，测量精度优于0.003%。
相比于轴向像差测量法的测量精度3%、干涉测量法的测量精度0.02%、光线追迹测量法的测量精度0.5%，采用本发明提出的共焦抛物面顶点曲率半径测量方法测量抛物面顶点曲率半径测量精度显著提高。
如附图1所示，该共焦抛物面顶点曲率半径测量方法中的共焦测量系统7包括针孔8和光强传感器9。由分光镜2反射回来的光进入共焦测量系统7后通过针孔8照射在光强传感器9上。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7降低系统装调难度。该共焦测量系统7包括显微物镜10和CCD探测器11。其中显微物镜10的物平面位于反射光束的聚焦面，在其像平面放置CCD探测器11。由分光镜2反射回来的光进入共焦测量系统7后通过显微物镜10成像在CCD探测器11上。
此实施例通过一系列的措施实现了对被测抛物面6的焦距及顶点曲率半径的测量。在测量过程中，采用共焦测量方法对被测抛物面6的焦点及顶点进行精确定焦，测量精度高，抗环境干扰能力强。
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.共焦抛物面顶点曲率半径测量方法，其特征在于：
(a)打开点光源，其发出的光经分光镜、准直透镜和物镜后透过部分平面反射镜照射在被测抛物面上，由被测抛物面的表面反射，反射回来的光由分光镜反射进入共焦测量系统；
(b)调整部分平面反射镜和被测抛物面，使其均与物镜共光轴，准直透镜将点光源产生的光准直成平行光，平行光经物镜会聚后形成测量光束透过部分平面反射镜照射在被测抛物面上；
(c)沿光轴方向移动被测抛物面，使测量光束的聚焦焦点与被测抛物面表面接近，由被测抛物面反射回来的光束经分光镜反射后进入共焦测量系统；在该位置附近扫描被测抛物面，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确定测量光束的焦点与被测抛物面的表面相重合，进而精确确定被测抛物面的顶点位置，记录此时被测抛物面的位置z1；
(d)继续将被测抛物面沿光轴方向移动，使测量光束的聚焦焦点与被测抛物面的焦点位置接近，此时测量光束经被测抛物面反射后形成平行光束照射在部分平面反射镜上，由部分平面反射镜反射后沿原光路返回，反射回来的光束经分光镜反射后进入共焦测量系统；在该位置附近扫描被测抛物面，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确定测量光束的焦点与被测抛物面的焦点相重合，进而精确确定被测抛物面的焦点位置，记录此时被测抛物面的位置z2；
(e)根据上述两次定焦得到的被测抛物面位置z1、z2之间的距离d，即可测得被测抛物面的焦距f′=d=z1-z2，被测抛物面的顶点曲率半径r=2f′=2(z1-z2)。
2.根据权利要求1所述的共焦抛物面顶点曲率半径测量方法，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所述的共焦抛物面顶点曲率半径测量方法，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所述的共焦抛物面顶点曲率半径测量方法，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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