反射式激光共焦曲率半徑測量方法與裝置制造方法及圖紙

本發明專利技術屬于光學精密測量技術領域，涉及一種反射式激光共焦曲率半徑測量方法與裝置。該方法利用激光共焦光強響應曲線峰值點與會聚點精確對應這一特性，移動被測鏡對物鏡焦點及其后表面頂點進行聚焦測量獲得被測鏡位置差值L1，再移動反射鏡對物鏡焦點及其后表面頂點進行聚焦測量獲得反射鏡位置差值L2，利用測得的被測鏡位置差值L1和反射鏡位置差值L2求得被測鏡曲率半徑值，實現曲率半徑高精度測量。與已有的測量方法相比，本方法不僅能實現凹面鏡曲率半徑測量，還能用于凸面鏡曲率半徑測量，具有測量精度高、測量光路短和抗環境干擾能力強等優點。

【技術實現步驟摘要】
反射式激光共焦曲率半徑測量方法與裝置
本專利技術涉及一種反射式激光共焦曲率半徑測量方法與裝置，屬于光學元件參數精密測量
技術背景球面光學元件被廣泛應用于天文望遠系統、高分辨對地觀測系統和激光聚變系統等光學系統研究領域中，曲率半徑是球面光學元件最基本和最重要的參數之一，直接影響這類光學系統使用性能和成像質量，必須對其進行精確檢測。目前，為了實現曲率半徑的高精度測量，研究者已經提出了很多不同的測量方法，其主要可分以下兩類：第一類是接觸式測量方法。這類測量方法通過測長儀測頭直接對被測鏡元件表面進行位置測量，然后進行擬合求得被測鏡曲率半徑，典型儀器有球徑儀，三坐標測量機等。這類測量方法不僅測量精度較低，而且會損壞被測元件表面，不能用于曲率半徑高精度測量。第二類是非接觸式測量方法。這類測量方法主要以干涉條紋為測試依據，如牛頓環干涉法、泰伯干涉法、斐索干涉法。比如，1980年在《SPIEVol.192-Intefferometrv》中發表的《Differentialtechniqueforaccuratelymeasuringtheradiusofcurvatureoflongradiusconcaveopticalsurfaces》一文中，作者提出一種多次反射式曲率半徑測量方法，其利用干涉條紋對不同反射次數的被測鏡位置進行精確定位，利用不同反射次數時被測鏡位置差值求得被測鏡曲率半徑。1992年在《OpticalEngineering》中發表的《Radiusmeasurementbyinterferometry》一文中，作者利用干涉條紋直接對被測鏡貓眼點和共焦點進行精確定焦，然后利用測長儀測得兩點之間位置差值，實現曲率半徑測量。相比第一類測量方法，這類測量方法測量精度較高，且不損壞被測鏡表面，但由于干涉條紋受氣流、溫度和抖動等環境因素影響嚴重，因而對環境條件提出了極為苛刻的要求。針對上述問題，本專利技術提出一種反射式激光共焦曲率半徑測量方法，該方法利用激光共焦光強響應曲線峰值點與會聚點精確對應這一特性來獲得被測鏡曲率半徑值，實現曲率半徑高精度測量。與已有測量方法相比，本方法具有不僅可用于可凹面鏡曲率半徑值高精度測量，同時還可用于凸面鏡曲率半徑高精度測量，具有測量光路短、測量精度高和抗環境干擾能力強等優點。
技術實現思路
本專利技術的目的是為了解決球面元件曲率半徑的高精度測量難題，提出了一種反射式激光共焦曲率半徑測量方法與裝置。該方法利用共焦光強響應曲線最大值與會聚點精確對應這一特性來獲得被測鏡曲率半徑值，實現曲率半徑高精度測量。本專利技術的目的是通過下述技術方案實現的。本專利技術的一種反射式激光共焦曲率半徑測量裝置，包括點光源、分光鏡、準直透鏡、環形光瞳、物鏡、物鏡后表面頂點、被測凹面鏡、被測凸面鏡、反射鏡前表面、反射鏡、共焦探測系統、光強探測器、針孔、分光棱鏡、其測量光路為：打開點光源，由點光源出射的光經分光鏡和準直透鏡后形成準直光束并照射在物鏡上；準直光束透過物鏡后形成會聚光束聚焦在被測表面；被測表面將光束反射，反射回來的光束再反向透過物鏡和準直透鏡后被分光鏡反射進入共焦探測系統，共焦探測系統將軸向光強信息經處理后得到共焦光強響應曲線，其峰值點位置精確對應物鏡焦點位置；移動被測鏡，將會聚光束反射在物鏡后表面頂點處，由物鏡后表面頂點將光束反射，反射回來的光束再透過物鏡和準直透鏡后被分光鏡反射進入共焦探測系統，共焦探測系統將軸向光強信息經處理后得到共焦光強響應曲線，其峰值點位置精確對應物鏡后表面頂點位置；將被測鏡換成反射鏡，會聚光束聚焦在反射鏡表面，反射鏡將光束反射，反射回來的光束反射回來的光束再反向透過物鏡和準直透鏡后被分光鏡反射進入共焦探測系統，共焦探測系統將軸向光強信息經處理后得到共焦光強響應曲線，其峰值點位置再次精確對應物鏡焦點位置；移動反射鏡，將會聚光束反射在物鏡后表面頂點處，由物鏡后表面頂點將光束反射，反射回來的光束再透過物鏡和準直透鏡后被分光鏡反射進入共焦探測系統，共焦探測系統將軸向光強信息經處理后得到共焦光強響應曲線，其峰值點位置再次精確對應物鏡后表面頂點位置；本專利技術所述的反射式激光共焦曲率半徑測量方法，可將其用于球面元件曲率半徑的高精度檢測，具體測量步驟如下：步驟一、將被測鏡置于物鏡后的測量光路中，調整被測鏡使其與測量光束同軸；步驟二、將沿光軸方向移動被測鏡，當被測鏡位于物鏡焦點附近時，移動被測鏡進行掃描，由共焦探測系統測得系統共焦光強響應曲線，利用共焦響應曲線峰值點精確確定物鏡焦點，記錄此時被測鏡位置為zA；步驟三、繼續沿光軸方向移動被測鏡，當測量光束經被測鏡反射后聚焦在物鏡后表面頂點位置時，移動被測鏡進行掃描，由共焦探測系統測得系統共焦光強響應曲線，利用共焦響應曲線峰值點精確確定物鏡后表面頂點，記錄此時被測鏡位置為zB；步驟四、卸除被測鏡，將反射鏡置于物鏡后的測量光路中，調整反射鏡使其與測量光束同軸；步驟五、沿光軸方向移動反射鏡，當反射鏡位于物鏡焦點附近時，移動反射鏡進行掃描，由共焦探測系統測得系統共焦光強響應曲線，利用共焦響應曲線峰值點精確確定物鏡焦點，記錄此時反射鏡位置為zC；步驟六、繼續沿光軸方向移動反射鏡，當測量光束經反射鏡反射后聚焦在物鏡后表面頂點位置時，移動反射鏡進行掃描，由共焦探測系統測得系統共焦光強響應曲線，利用共焦響應曲線峰值點精確確定物鏡物鏡后表面頂點，記錄此時反射鏡位置為zD；步驟七、將記錄的被測鏡位置zA和zB差值記為L1，反射鏡位置zC和zD差值記為L2；步驟八、利用被測鏡位置差值L1和反射鏡位置差值L2，結合幾何光學成像理論求得被測鏡表面曲率半徑R；本專利技術所述的反射式激光共焦曲率半徑測量方法與裝置，還可以在光路中增加環形光瞳對測量光束進行調制，形成環形光束，降低定焦時波相差對測量光束的影響，提高測量精度。本專利技術所述的反射式激光共焦曲率半徑測量方法與裝置，還可以對點光源發出的光進行光強調制，由共焦測量系統中的光強傳感器探測得到受調制的共焦響應信號，將該調制信號解調后得到共焦響應曲線，提高系統的定焦靈敏度。有益效果本專利技術對比已有技術具有以下創新點：提出了一種反射式激光共焦曲率半徑測量方法與裝置，該方法利用共焦光強響應曲線峰值點對分別對系統焦點和物鏡后表面頂點進行聚焦測量來獲得被測鏡曲率半徑值，實現曲率半徑高精度測量。本專利技術對比已有技術具有以下顯著優點：1)本專利技術對會聚測量光束進行反射，縮短了測量光路，減少了測長距離，從而縮短了導軌長度，減少了儀器體積，提高了系統測量速度和效率，更適合于實際工程中；2)本測量方法中，結合共焦精密定焦技術，以軸向的光強響應信號作為評價尺度，利用反射測量光路對被測鏡焦深進行壓縮，具有更高的定焦靈敏度和定焦精度；3)本專利技術采用反射式測量技術，還可以用于大曲率半徑值凸面鏡和凹面鏡曲率半徑高精度測量；4)采用了非干涉的共焦定焦技術，消減了空氣擾動等環境干擾對測量精度的影響，顯著提高了系統抗環境干擾能力和系統可靠性；附圖說明圖1為本專利技術反射式激光共焦曲率半徑測量系統的示意圖；圖2為本專利技術反射式激光共焦曲率半徑測量系統實施例的示意圖；圖3為本專利技術反射式激光共焦曲率半徑測量系統實施例的示意圖；圖4為本專利技術由共焦測量系統探測得到的共焦響應曲線；其中：1本文檔來自技高網...

【技術保護點】
反射式激光共焦曲率半徑測量裝置，其特征在于：包括點光源(1)、分光鏡(2)、準直透鏡(3)、環形光瞳(4)、物鏡(5)、物鏡后表面頂點(6)、測量光束(7)、被測凸面鏡(8)、被測凹面鏡(9)、反射鏡(10)、共焦探測系統(11)、針孔(12)、光強探測器(13)，其測量光路為：打開點光源(1)，由點光源(1)出射光經分光鏡(2)和準直透鏡(3)形成準直光束，物鏡(5)將準直光束會聚成測量光束(7)聚焦在被測凸面鏡(8)、被測凹面鏡(9)或反射鏡(10)附近；沿光軸移動被測凸面鏡(8)、被測凹面鏡(9)或反射鏡(10)將測量光束(7)反射，反射回來的光束反向透過物鏡(5)和準直透鏡(3)被分光鏡(2)反射進入共焦探測系統(11)，探測系統(11)將軸向光強信息經處理后得到共焦光強響應曲線，其峰值點位置精確對應物鏡(5)焦點；繼續移動被測凸面鏡(8)、被測凹面鏡(9)或反射鏡(10)，將測量光束(7)反射在物鏡(5)后表面頂點(6)處，由后表面頂點(6)將測量光束(7)反射進入共焦探測系統(11)，探測系統(11)將軸向光強信息經處理后得到共焦光強響應曲線，其峰值點位置精確對應物鏡(5)后表面頂點(6)位置。...

【技術特征摘要】
1.反射式激光共焦曲率半徑測量裝置，其特征在于：包括點光源(1)、分光鏡(2)、準直透鏡(3)、環形光瞳(4)、物鏡(5)、后表面頂點(6)、測量光束(7)、作為被測鏡的被測凸面鏡(8)或被測凹面鏡(9)、反射鏡(10)、共焦探測系統(11)、針孔(12)、光強探測器(13)，其測量光路為：打開點光源(1)，由點光源(1)出射光經分光鏡(2)和準直透鏡(3)形成準直光束，物鏡(5)將準直光束會聚成測量光束(7)聚焦在被測鏡附近；沿光軸移動被測鏡，將測量光束(7)反射，反射回來的光束反向透過物鏡(5)和準直透鏡(3)被分光鏡(2)反射進入共焦探測系統(11)，共焦探測系統(11)將軸向光強信息經處理后得到共焦光強響應曲線，其峰值點位置精確對應物鏡(5)焦點；繼續移動被測鏡，將測量光束(7)反射在物鏡(5)后表面頂點(6)處，由后表面頂點(6)將測量光束(7)反射進入共焦探測系統(11)，探測系統(11)將軸向光強信息經處理后得到共焦光強響應曲線，其峰值點位置精確對應物鏡(5)后表面頂點(6)位置；將被測鏡換成反射鏡(10)，測量光束(7)聚焦在將反射鏡(10)表面，反射鏡(10)將光束反射，反射回來的光束再反向透過物鏡(5)和準直透鏡(3)后被分光鏡(2)反射進入共焦探測系統(11)，共焦探測系統(11)將軸向光強信息經處理后得到共焦光強響應曲線，其峰值點位置精確對應物鏡(5)焦點；移動反射鏡(10)，將測量光束聚焦反射在物鏡后表面頂點(6)處，由物鏡后表面頂點(6)將光束反射，反射回來的光束再透過物鏡(5)和準直透鏡(3)后被分光鏡(2)反射進入共焦探測系統(11)，共焦探測系統(11)將軸向光強信息經處理后得到共焦光強響應曲線，其峰值點位置再次精確對應物鏡后表面頂點(6)位置；根據兩次測量得到的物鏡(5)焦點和后表面頂點(6)的兩個位置差和幾何光學成像理論，即可計算得到被測凹面鏡(8)或被測凹面鏡(9)的曲率半徑。2.根據權利要求1所述的反射式激光共焦曲率半徑測量裝置，其特征在于：還包括點光源發生裝置(14)、激光器(15)、光纖(16)、主控系統(17)、圖像采集卡(18)、機電控制裝置(19)、直線平移導軌(20)、調整架(21)；其關系為：點光源發生裝置(14)可以由激光器(15)發出的光束經光纖(16)輸出形成；圖像采集卡(18)用于將光強探測器(13)采集到的光強信息傳輸給主控系統(17)處理得到系統共焦光強響應曲線；調整架(21)位于直線平移導軌(20)上，用于調整被測凸面鏡(8)或被測凹面鏡(9)。3.根據權利要求1所述的反射式激光共焦曲率半徑測量裝置，其特征在于：可將其用于球面光學元件曲率半徑的高精度檢測，具體測量步驟如下：步驟一、將被測凸面鏡(8)或凹面鏡(9)置于物鏡(5)后的測量光束(7)中，調整被測凸面鏡(8)或凹面鏡(9)使其與測量光束(7)同軸；步驟二、將沿光軸方向移動被測凸面鏡(8)或被測凹面鏡(9)，當被測凸面鏡(8)或被測凹面鏡(9)位于物鏡(5)焦點附近時，移動被測凸面鏡(8)或凹面鏡(9)進行掃描，由圖像采集卡(18)采集探測器(13)軸向光強信息，經主控系統(17)處理后得到系統共焦光強響應曲線，利用共焦響應曲線峰值點精確確定物鏡(5)焦點，記錄此時被測凸面鏡(8)或凹面鏡(9)位置為zA；步驟三、繼續沿光軸方向移動被測凸面鏡(8)或被測凹面鏡(9)，當測量光束(7)經被測凸面鏡(8)或被測凹面鏡(9)反射后聚焦在物鏡(5)后表面頂點(6)位置時，移動被測凸面鏡(8)或凹面鏡(9)進行掃描，由圖像采集卡(18)采集探測器(13)軸向光強信息，經主控系統(17)處理后得到系統共焦光強響應曲線，利用共焦響應曲線峰值點精確確定物鏡(5)后表面頂點(6)...

【專利技術屬性】
技術研發人員：趙維謙，李志剛，王允，
申請(專利權)人：北京理工大學，
類型：發明
國別省市：北京;11