CN107843213B - 共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明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***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。

Description

共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法与装置
技术领域
本发明属于光学精密加工检测技术领域，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***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。
发明内容
本发明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***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***的聚焦光斑定焦被测镜的轴向位置，高精度的气浮回转***带动被测镜旋转，旋转一周后，自准直定心探测***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***，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***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，反射光束在第一探测器的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，计算得出偏心量为
Figure GDA0002416331190000051
中心偏
Figure GDA0002416331190000052
本发明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***、沿光束出射方向放置的第一分光镜、沿第一分光镜透射方向放置的第二分光镜、沿第二分光镜反射方向放置的准直物镜、位于准直物镜前的聚焦物镜、位于第二分光镜反射方向准直物镜后焦点处的第一探测器、位于第一分光镜反射方向的共焦探测器；包括用于带动测量主机沿测量光轴平移的一维平移***，用于记录测量主机位置的位置记录***，用于带动被测镜旋转的气浮转轴，用于放置气浮转轴与一维平移***的平台。
本发明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：共焦探测器由第二显微物镜和第二探测器组成，第二探测器位于第二显微物镜的焦点位置，取探测面上光斑中心的三个像素作为共焦探测器的探测区域。
本发明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：点光源发生***可由脉冲激光器、位于激光器出射方向的第一显微物镜、位于第一显微物镜焦点位置的针孔和位于针孔前的分划板构成。
本发明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：位置记录***可由测长干涉仪和安装在测量主机上的全反射棱镜构成。
本发明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：一维平移***可由气浮导轨、安装测量主机的滑块和驱动滑块在气浮导轨上平移的驱动丝杠构成。
本发明提出的共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法与装置，将曲率半径测量结合到中心偏测量过程中，可以同时测量被测镜的曲率半径和中心偏，提高了测量效率，避免了重复装卡引入的测量误差，提高了测量精度。
有益效果
本发明对比已有技术具有以下创新点：
1.首次提出将共焦层析定焦的方法运用到中心偏测量领域，利用共焦曲线的极值点精确对应聚焦点这一特性定焦，提高了定心精度，避免了离焦引入的测量误差；
2.将曲率半径测量过程集成到中心偏测量过程中，简化了测量过程，提高了测量效率，同时避免了重复装卡引入的测量误差；
3.***物镜和显微物镜两次放大了待测区域，降低了单个像素引入的读数误差，使用回转稳定的气浮转轴，降低了轴向晃动引入的测量误差，从而提高了测量精度。
本发明对比已有技术具有以下优点：
1.避免了离焦和重复装卡引入的测量误差，降低了像素读数和轴向晃动引入的测量误差，提高了中心偏的测量精度；
2.在中心偏测量方法中，集成了中心偏测量时必需的曲率半径测量过程，提高了测量效率；
3.测量主机安装在气浮导轨上，采用大回转半径的气浮转轴，扩大了测量范围，减小了测量主机的体积，外形尺寸只有100×200×500mm；
4.借助共焦曲线的极值点精确对应聚焦点这一特性，实现精确定位，在透镜组的中心偏测量中，层析定位优势明显，避免了复杂的理论计算同时提高了定心精度。
附图说明
图1为共焦自准直中心偏和曲率半径测量原理的示意图；
图2为共焦自准直曲率半径测量光锥定焦于凹透镜顶点时的示意图；
图3为共焦自准直中心偏和曲率半径测量装置的示意图；
图4为共焦自准直中心偏和曲率半径测量装置进行凸透镜测量的示意图；
图5为共焦自准直中心偏和曲率半径测量装置进行透镜组测量的示意图；
其中：1-脉冲激光器、2-第一显微物镜、3-针孔、4-分划板、5-第一分光镜、6-第二分光镜、7-准直物镜、8-聚焦物镜、9-被测镜、10-气浮转轴、11-第二显微物镜、12-第二探测器、13-第一探测器、14-测量主机、15-一维平移***、16-位置记录***、17-点光源发生***、18-共焦探测器、19-测长干涉仪、20-全反射棱镜、21-气浮导轨、22-气浮滑块、23-驱动丝杠、24-底座、25-主控计算机、26-测量光轴。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步说明。
本发明的基本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***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。
实施例1
如图1、图2和图3所示，共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法，其测量步骤是：
测量前，首先调整测量光轴26与气浮转轴10的轴线重合，测量光轴26与气浮导轨21平行，测长干涉仪19光轴与测量光轴26重合。检测时，将一块平面镜作为被测镜9放置在气浮转轴10的中心，启动驱动丝杠23带动滑块22使测量主机14发出的测量光锥聚焦在平面镜表面；启动气浮转轴10带动平面镜旋转，观察第一探测器13和共焦探测器18上光斑运行的路径，调整气浮转轴10的轴面，使得旋转过程中，光斑始终处于同一像素内。
测量时，启动主控计算机25中的测量软件，完成与脉冲激光器1、第一探测器13、第二探测器12、测长干涉仪19、气浮转轴10和驱动丝杠23的硬件通讯。533nm光源出射的平行光经过第一显微物镜2后，会聚到物镜前焦点的第一针孔3处形成点光源，经分划板4后变为十字光束，经过第一分光镜5透射和第二分光镜6反射后，经准直物镜7变为平行光，经聚焦物镜7形成测量光锥进行测量。
驱动丝杠23带动滑块22沿光轴26移动测量光锥，使光锥聚焦在被测镜9的球心位置，光锥在球心附近扫描，经被测镜9反射后，会聚在聚焦物镜8的前焦点处，再次进入测量主机14，一路光第二分光镜6透射进入第一探测器13，另一路经第二分光镜6反射、第一分光镜5反射后，进入共焦探测器18，第二探测器12与位置记录***16测得光强响应曲线，符合高斯分布，测长干涉仪19记录响应曲线的极值点z2，即被测镜9的球心位置；启动气浮转轴10，带动被测镜9旋转，旋转过程中，反射光束在共焦探测器18上的路径近似为圆，取路径上的点A1，A2…Ai采用最小二乘法进行圆拟合，拟合圆心为(xO,yO)，半径为a，聚焦物镜7的放大倍率β1与第二显微物镜11的放大倍率β2的乘积β，则偏心量χ为：
χ＝a/(2β)
驱动丝杠23推动滑块22沿导轨21上滑动，使光锥聚焦在被测镜9的顶点位置，光锥在顶点附近扫描，经被测镜9反射后，进入第一探测器13和共焦探测器18，第二探测器12与位置记录***16测得光强响应曲线，符合高斯分布，测长干涉仪19记录响应曲线的极值点z1，即被测镜9的顶点位置。主控计算机28综合顶点z1和球心z2，计算得曲率半径r为：
r＝|z1-z2|
综合曲率半径r和偏心量χ，计算得中心偏
Figure GDA0002416331190000081
为：
Figure GDA0002416331190000082
实施例2
如图4所示，共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法也可以测量凸透镜的曲率半径和中心偏，测量步骤与实施例1相同：
首先将气浮转轴10的轴线与测量主机14的光轴26调重合，被测镜9为凸透镜，安放在气浮转轴10的中心，沿测量光轴26方向移动测量主机14，使测量光锥分别聚焦在被测镜9的顶点和球心，测长干涉仪19记录顶点z1和球心z2，计算得曲率半径r＝z1-z2；在球心z2处，启动气浮转轴10，带动被测镜9旋转，共焦探测器18上拟合圆的半径为a，则被测凸透镜的中心偏为
Figure GDA0002416331190000083
实施例3
如图5所示，共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法也可以测量透镜组的曲率半径和中心偏，并得出最佳拟合光轴，其测量步骤是：
步骤一、将透镜组作为被测镜9，安放在气浮转轴10中心，底面与气浮转轴10的轴面重合，丝杠23带动滑块22沿导轨21移动，使测量光锥聚焦在第一片透镜的球心，检测第一片透镜存在的偏心χ1＝a1/(2β)；
步骤二、移动测量主机14，测量光锥聚焦到第二片透镜的球心处，检测第二片透镜与透镜组轴线之间的偏心，计算时考虑到第一片透镜的偏心和间隔引入的放大率，对测量偏心结果进行补偿
Figure GDA0002416331190000091
m21为第一片透镜对第二片透镜的放大率；
步骤三、以此类推，整理各片透镜的偏心残差，运用最小二乘法，在残差和最小时，拟合一条最佳光轴。
此实施例借助一系列的措施，实现了球面透镜和凹面反射镜中心偏和曲率半径的精密加工检测，完成了共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法与装置，具有测量精度高、测量范围大、无需重复装卡、测量效率高等优点。
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 (6)

1.共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法，其特征在于：具有高轴向定位能力的共焦探测***的聚焦光斑定焦被测镜(9)的轴向位置，高精度的气浮回转***带动被测镜(9)旋转一周后，自准直定心探测***记录聚焦光斑经被测镜(9)反射后的径向位置，获得偏心量；高精度的距离测量***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量，计算得出中心偏，包括以下步骤：
步骤一、点光源发生***(17)出射光束，光束透过沿光束出射方向放置的第一分光镜(5)，经沿第一分光镜(5)透射方向放置的第二分光镜(6)反射后，透过沿第二分光镜(6)反射方向放置的准直物镜(7)变为平行光，平行光经位于准直物镜(7)前的聚焦物镜(8)聚焦在聚焦物镜(8)的前焦点处，形成测量光锥；
其中，一维平移***(15)带动测量主机(14)沿测量光轴(26)平移，位置记录***(16)用于记录测量主机(14)的位置，气浮转轴(10)与一维平移***(15)放置在平台(24)上；
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(18)，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、将测量光锥聚焦在被测镜(9)的球心处，启动气浮转轴(10)，带动被测镜(9)匀速旋转，旋转过程聚焦光斑经被测镜(9)反射后发生偏转，在被测镜(9)的球心位置产生一个偏心圆，反射光束分别聚焦在共焦探测器(18)和第一探测器(13)的探测面上，反射光束在第一探测器(13)的探测面上的光斑路径近似为一个圆，取路径上的n点A1，A2…An进行圆拟合，记拟合圆的半径为a；
其中第一探测器(13)位于第二分光镜(6)反射方向准直物镜(7)的后焦点处；共焦探测器(18)位于第一分光镜(5)反射方向，由第二显微物镜(11)和第二探测器(12)组成，第二探测器(12)位于第二显微物镜(11)的焦点位置，取探测面上光斑中心的三个像素作为共焦探测器的探测区域；
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，计算得出偏心量为
Figure FDA0002461570260000021
中心偏
Figure FDA0002461570260000022
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应于被测镜(9)的表面顶点，记为z2，即表面顶点的位置。
4.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，其特征在于：点光源发生***(17)由脉冲激光器(1)、位于激光器出射方向的第一显微物镜(2)、位于第一显微物镜(2)焦点位置的针孔(3)和位于针孔(3)前的分划板(4)构成。
5.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，其特征在于：位置记录***(16)由测长干涉仪(19)和安装在测量主机(14)上的全反射棱镜(20)构成。
6.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，其特征在于：一维平移***(15)由气浮导轨(21)、安装测量主机(14)的滑块(22)和驱动滑块(22)在气浮导轨(21)上平移的驱动丝杠(23)构成。
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