共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于光学精密加工检测技术领域，涉及一种共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法与装置。该方法利用共焦层析定焦方法对被测镜的球心和顶点进行定焦、借助位置探测系统测得定焦点的位置、计算得到被测镜的曲率半径，利用自准直方法探测被测镜旋转过程中反射光在探测面上的路径从而获得被测镜的偏心量，然后综合偏心量和曲率半径计算得出中心偏。本发明专利技术首次将共焦层析定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，并且发明专利技术了共焦自准直中心偏和曲率半径测量装置，测量结果表明，该方法具有测量精度高、量程大、效率高、无需重复装卡的优点，可用于光学元件中心偏和曲率半径的精密加工检测。

Method and device for measuring the center deviation and radius of curvature of confocal auto collimation Center

【技术实现步骤摘要】
共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法与装置
本专利技术属于光学精密加工检测
，将共焦层析定焦技术与自准直中心偏测量技术相结合，涉及共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法与装置，可用于球面透镜与球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。技术背景光学元件的中心偏是光学仪器制造误差中一项对整机光学装配质量影响较大,同时也较难控制的误差。中心偏的存在破坏了光学系统的共轴性,导致成像的像散性和畸变的不对称性。因此，对于中心偏的精确测量和校正具有重要意义。已有的中心偏测量法分为接触式方法和非接触式方法两大类。接触式方法只适用于透镜加工阶段，包括球面接触式定心法和非球面接触式定心法。球面接触式定心法利用同轴夹头借助弹簧力夹紧两个球面，再旋转球面透镜进行定心加工，这种方法可以实现自动定心，但定心精度低且不能测量偏心数据；非球面接触式定心法，引入点探测探针来测量透镜的轴向位置、压电位移传感器来测量透镜的横向位置，定心精度能达0.5′，但仍然无法得到准确的偏心数据。而非接触式方法可以测量加工完成的透镜，这种方法利用透镜的光学特性进行检测，包括激光定心测量、干涉偏心测量和自准直中心偏测量等方法。激光定心测量方法是一种把激光束打在透镜表面，借助透镜表面的反射，获得透镜表面形貌，从而测得偏心量的方法，包括点扫描定心测量法、线扫描定心测量法和结构光定心测量法等。点扫描定心测量法利用细光束对透镜表面逐点扫描，记录光束经透镜表面反射后每个扫描点的高度信息，然后综合所有扫描点的高度信息重建透镜表面形貌，从而测得透镜偏心量，这种方法可以测量球面和非球面透镜的偏心，但是扫描时间长，测量效率低，且只能测量单个表面的偏心；线扫描定心测量法利用线激光对透镜表面进行扫描，然后重建表面形貌，获得透镜偏心量，这种方法提高了扫描效率，但仍然只能测量单个表面的偏心；结构光定心测量法将结构光打在透镜表面，同时获得表面各点的高度信息，然后综合各点高度信息重建表面形貌，测得偏心，这种方法不需要扫描透镜表面，提高了测量效率，但也只能测量单个表面的偏心。干涉偏心测量方法包括等厚条纹偏心测量法、调谐光角动量偏心测量法和循环光路干涉中心偏测量法等。等厚条纹偏心测量法通过待测透镜与标准镜之间的等厚干涉获得干涉图，通过干涉图中条纹的变化得到被测透镜的偏心量，进而得到中心偏角，这种方法的测量精度可达0.12″，但这种方法对于测量环境的要求很高，当环境存在干扰时，条纹会产生明显的畸变，因而无法应用到复杂的加工、装配环境中；调谐光角动量偏心法运用线偏振激光经过螺旋相位板产生螺旋光束，透过被测透镜后产生衍射图，通过衍射图中的次级衍射条纹解算角动量，通过角动量的偏转获得透镜的中心偏，其测量精度能达0.1″，这种方法简化了测量光路，但仍然需要严格的实验室环境；循环光路干涉中心偏测量法利用循环光路，将被测透镜放置在干涉光路的测量臂中，借助分光镜使测量光能够正反两个方向入射被测镜分别发生干涉，通过两个干涉条纹中心的分离情况获得被测镜的中心偏，其测量精度可达0.1″，这种方法提高了干涉光路的光能利用率，但仍无法脱离严格的实验室环境。自准直中心偏测量方法是一种借助全口径光束焦点成像的变化来测量偏心的方法，包括反射式自准直中心偏测量法和准直偏振中心偏测量法等。反射式自准直中心偏测量法利用平行光束经物镜聚焦后，打在旋转的被测镜表面发生反射，反射光束在探测面上产生成像路径，通过探测面上的路径解算偏心，这种方法不仅可以测单片透镜的偏心，而且可以定位到透镜组内的其它透镜，测量透镜组的偏心，但需要透镜组中所有透镜的曲率半径、厚度、间隔等光学参数，才能计算中心偏，测量精度可达0.2″；准直偏振中心偏测量法将被测透镜放置在两个线偏器和一个λ/2波片间，白光经线偏器后透过被测透镜，经λ/2波片和另一个线偏器后进入探测面，探测面上获得偏振图，通过偏振图的条纹和颜色变化得到中心偏，这种方法的测量精度可达0.14″，而且不需要旋转被测镜，但这种方法只能测量单片透镜的中心偏，无法获得透镜组的中心偏。因为自准直中心偏测量法相比于其他测量方法，具有测量效率高，抗干扰能力强的优势，已成为主流的中心偏测量方法。但是，自准直中心偏测量法仍存在如下问题：1)测量中心偏前，需要借助其他方法测得透镜的曲率半径，重复装卡将引入测量误差；2)轴向定位精度差，无法精确地定位在透镜的球心位置，存在定心偏移将引入测量误差；3)不能层析定位，在测量透镜组的中心偏时，定位下一片透镜的球心位置，需要预先获得之前所有透镜的光学参数，计算复杂，且定位的位置为理论位置，定位不准确。针对自准直中心偏测量法存在的问题，我们提出了共焦自准直中心偏及曲率测量方法与装置，该方法利用共焦方法的层析定焦优势提高了轴向定位精度，尤其可以准确地定位多片透镜组成的透镜组和增透镜的球心；可以同时完成曲率半径测量和中心偏测量，避免了对被测镜的重复装卡，简化了测量过程，提高了测量精度。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决球面透镜和球面反射镜中心偏高精度加工检测的难题，提出了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，利用共焦层析定焦方法对被测镜的球心和顶点进行定焦、借助位置探测系统测得定焦点的位置、计算得到被测镜的曲率半径，利用自准直方法探测被测镜旋转过程中反射光在探测面上的路径从而获得被测镜的偏心量，然后综合偏心量和曲率半径计算得出中心偏。实现透镜和球面反射镜中心偏的高精度、高效率加工检测。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术提出的共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法，其高轴向定位能力的共焦探测系统的聚焦光斑定焦被测镜的轴向位置，高精度的气浮回转系统带动被测镜旋转，旋转一周后，自准直定心探测系统记录聚焦光斑经被测镜反射后的径向位置，获得偏心量；高精度的距离测量系统，记录聚焦光斑聚焦在被测镜的顶点与球心时的位置，获得曲率半径，然后综合曲率半径与偏心，计算得出中心偏，包括以下步骤：步骤一、点光源发生系统出射光束，光束透过第一分光镜，经第二分光镜反射后，透过准直物镜变为平行光，平行光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，使光锥聚焦在被测镜的球心，光锥在球心附近扫描，光束经被测镜反射后，进入共焦探测器，测得共焦强度响应曲线，借助共焦曲线的极值点精确对应聚焦点这一特性，进行定焦，将此时聚焦光斑的位置记为z1；步骤三、启动气浮转轴，带动被测镜旋转，光束经被测镜反射后聚焦在共焦探测器和第一探测器的探测面上，旋转一周后，反射光束在探测面上的路径近似为一个圆，取路径上的n点A1，A2…An进行圆拟合，记拟合圆的半径为a；步骤四、沿测量光轴移动测量光锥，使光锥聚焦在被测镜的顶点，光锥在顶点附近扫描，借助共焦曲线的极值点精确对应聚焦点这一特性，进行定焦，将此时聚焦光斑的位置记为z2，两次聚焦点z1和z2之间的距离r，则被测镜的曲率半径为，r＝z1-z2；步骤五、根据被测镜的曲率半径r、拟合圆的半径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，计算得出中心偏本专利技术提出的共焦自准直中心偏和曲率半径测量装置，其特征在于：包括点光源发生系统、沿光束出射方向放置的第一分光镜、沿第一分光镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法，其特征在于：高轴向定位能力的共焦探测系统的聚焦光斑定焦被测镜的轴向位置，高精度的气浮回转系统带动被测镜旋转，旋转一周后，自准直定心探测系统记录聚焦光斑经被测镜反射后的径向位置，获得偏心量；高精度的距离测量系统，记录聚焦光斑聚焦在被测镜的顶点与球心时的位置，获得曲率半径，然后综合曲率半径与偏心，计算得出中心偏，包括以下步骤：步骤一、点光源发生系统(17)出射光束，光束透过第一分光镜(5)，经第二分光镜(6)反射后，透过准直物镜(7)变为平行光，平行光经聚焦物镜(8)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(26)移动测量光锥，使光锥聚焦在被测镜(9)的球心，光锥在球心附近扫描，光束经被测镜(9)反射后，进入共焦探测器(11)，测得共焦强度响应曲线，借助共焦曲线的极值点精确对应聚焦点这一特性，进行定焦，将此时聚焦光斑的位置记为z1；步骤三、启动气浮转轴(10)，带动被测镜(9)旋转，光束经被测镜(9)反射后聚焦在共焦探测器(18)和第一探测器(13)的探测面上，旋转一周后，反射光束在探测面上的路径近似为一个圆，取路径上的n点A1，A2…An进行圆拟合，记拟合圆的半径为a；步骤四、沿测量光轴(26)移动测量光锥，使光锥聚焦在被测镜(9)的顶点，光锥在顶点附近扫描，借助共焦曲线的极值点精确对应聚焦点这一特性，进行定焦，将此时聚焦光斑的位置记为z2，两次聚焦点z1和z2之间的距离r，则被测镜(9)的曲率半径为，r＝z1‑z2；步骤五、根据被测镜(9)的曲率半径r、拟合圆的半径a和聚焦物镜(8)的放大倍率β1与第二显微物镜(11)的放大倍率β2的乘积β，计算得出中心偏...

【技术特征摘要】
1.共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法，其特征在于：高轴向定位能力的共焦探测系统的聚焦光斑定焦被测镜的轴向位置，高精度的气浮回转系统带动被测镜旋转，旋转一周后，自准直定心探测系统记录聚焦光斑经被测镜反射后的径向位置，获得偏心量；高精度的距离测量系统，记录聚焦光斑聚焦在被测镜的顶点与球心时的位置，获得曲率半径，然后综合曲率半径与偏心，计算得出中心偏，包括以下步骤：步骤一、点光源发生系统(17)出射光束，光束透过第一分光镜(5)，经第二分光镜(6)反射后，透过准直物镜(7)变为平行光，平行光经聚焦物镜(8)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(26)移动测量光锥，使光锥聚焦在被测镜(9)的球心，光锥在球心附近扫描，光束经被测镜(9)反射后，进入共焦探测器(11)，测得共焦强度响应曲线，借助共焦曲线的极值点精确对应聚焦点这一特性，进行定焦，将此时聚焦光斑的位置记为z1；步骤三、启动气浮转轴(10)，带动被测镜(9)旋转，光束经被测镜(9)反射后聚焦在共焦探测器(18)和第一探测器(13)的探测面上，旋转一周后，反射光束在探测面上的路径近似为一个圆，取路径上的n点A1，A2…An进行圆拟合，记拟合圆的半径为a；步骤四、沿测量光轴(26)移动测量光锥，使光锥聚焦在被测镜(9)的顶点，光锥在顶点附近扫描，借助共焦曲线的极值点精确对应聚焦点这一特性，进行定焦，将此时聚焦光斑的位置记为z2，两次聚焦点z1和z2之间的距离r，则被测镜(9)的曲率半径为，r＝z1-z2；步骤五、根据被测镜(9)的曲率半径r、拟合圆的半径a和聚焦物镜(8)的放大倍率β1与第二显微物镜(11)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所述的共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法，在对被测镜(9)的球心定焦的过程中，可以确定球心的位置，其特征在于：测量光锥聚焦在被测镜(9)的球心位置，反射光束经准直光路中的第一分光镜(5)和第二分光镜(6)反射后，进入共焦探测器(18)，经第二显微物镜(11)放大后聚焦在共焦探测器(18)中第二探测器(12)的探测面上，第二探测器(12)采集到的光强响应信号符合高斯分布，响应信号高斯曲线的极值点就精确对应于被测镜(9)的球心，记为z1，即球心的位置。3.根据权利要求1所述的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(9)的表面顶点位置，反射光束经准直光路中的第一分光镜(5)和第二分光镜(6)反射后，进入共焦探测器(18)，经第二显微物镜(11)放大后聚焦在共焦探测器(18)中第二探测器(12)的探测面上，第二探测器(12)采集到的光强响应信号符合高斯分布，响应信号高斯曲线的极值点就精确对...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵维谦，葛洪，邱丽荣，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11