CN111272103A - 一种大口径球面光学元件球心和曲率半径测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大口径球面光学元件球心和曲率半径测量方法，采用自动测量装置，所述的自动测量装置包括样品台、三维位移台、四台激光位移传感器、数据采集单元、数据分析处理单元以及控制单元。测量时，四台激光位移传感器同时提供球面光学元件上四个采样点的相对距离；数据采集单元与分析处理单元通过相对距离，自动计算出球面坐标方程，并输出球心位置和曲率半径。测量过程中，可通过三维位移台的移动更换采样位置，在多个采样位置进行测量，并将结果取平均，提高测量精度。本发明操作步骤简单，无需大口径球面光学元件进行任何移动，有效降低了机械结构的复杂程度和成本，实现大口径球面光学元件球心和曲率半径的非接触式、快速测量。

Description

一种大口径球面光学元件球心和曲率半径测量方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，尤其是涉及一种大口径球面光学元件球心和曲率半径测量方法。

背景技术

在大型激光驱动装置中，为了获得高能量的激光输出，需要制造大口径、高激光损伤阈值的光学元件。这些光学元件的加工质量对激光损伤阈值有着特别重要的影响，尤其是以麻点、划痕为代表的表面缺陷，是影响激光损伤阈值的关键因素。目前主要采用显微成像***对被检样品表面进行扫描成像，从而获得表面缺陷的形貌与分布。作为实现光束聚焦的重要的手段，大口径球面光学元件是激光驱动装置中不可缺少的部分。当今大口径球面光学元件通常设计为前表面为球面，后表面为矩形平面的半球面结构，其长宽尺寸已发展至数百至数千毫米，重量达数百千克。由于大口径球面光学元件的被检表面为球面，而显微成像***的成像面为尺寸较小的平面，因此在球面不同位置进行扫描成像时，球面在成像面上有着不同的投影比例。只有首先获得被检球面曲率中心位置(即球心)和曲率半径，才能建立被检球面和焦平面的映射关系，最终实现大口径球面光学元件表面缺陷高精度检测。因此在进行大口径球面光学元件检测时，中心和曲率半径测量是不可缺少的重要过程。

现有的球面光学元件曲率半径测量方法有很多，如公开号为CN105737763A中国专利文献公开了一种基于莫尔条纹的球面镜曲率半径测量方法，公开号为CN106908016A的中国专利文献公开了一种基于光场相机的凹面腔镜曲率半径测量方法，公开号为CN106595529A的中国专利文献公开了一种基于虚拟牛顿环的大曲率半径非零位干涉测量方法及装置。以上方法均采用非接触式手段测量球面曲率半径，可检测球面的口径较小，且无法同时获得球面中心的位置坐标。

现有也存在同时可以测量球面中心和曲率半径的方法，如公开号为CN105157617A的中国专利文献公开了应用于球面光学元件表面缺陷检测的球面自动定中方法，采用球面反射十字叉丝成像，利用自旋转台带动被测球面光学元件旋转，观察十字叉丝位置变化，拟合叉丝运动轨迹的圆心，从而实现球面光学元件定中和曲率半径测量。然而，这种方法对机械结构的要求高，需要设计自旋转台结构带动样品旋转，增加了设计、加工和装调的复杂性。对于长宽尺寸已发展至数百至数千毫米，重量达数百千克大口径球面光学元件，显然设计自旋转台的结构将大大增加***机械复杂度、增加测量所需时间。因此这种方法不适用于大口径球面光学元件的中心和曲率半径测量。

因此，需要设计结构简单、测量高效的装置与方法，实现大口径球面光学元件的球心和曲率半径测量。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种大口径球面光学元件球心和曲率半径测量方法，实现大口径球面光学元件球心和曲率半径的非接触式、快速测量。

本发明的技术方案如下：

一种大口径球面光学元件球心和曲率半径测量方法，采用自动测量装置，所述的自动测量装置包括样品台、三维位移台、安装在三维位移台上的四台激光位移传感器、与激光位移传感器电连接的数据采集单元、与数据采集单元电连接的数据分析处理单元，以及用于接收数据分析处理单元的计算结果并对三维位移台进行移动的控制单元；

具体包括以下步骤：

(1)对四台激光位移传感器的初始位置进行定标；；

(2)采用竖直放置姿态，将大口径球面光学元件通过夹持机构固定在样品台上；

(3)移动三维位移台的X、Y两轴，使四台激光位移传感器的四个采样点全部位于球面光学元件的表面；其中，所述三维位移台的X、Y轴与球面光学元件的光轴互相垂直；

(4)移动三维位移台的Z轴，使四台激光位移传感器全部位于工作距离之内，获得大口径球面光学元件上四个采样点距离激光位移传感器的相对距离；其中，三维位移台的Z轴与球面光学元件的光轴互相平行，原点0位于三维位移台XYZ轴的机械起始点；

(5)数据采集单元实时接收四个采样点与对应四台激光位移传感器的相对距离d₁、d₂、d₃、d₄，以及当前三维位移台的XY轴坐标(X₀，Y₀)，通过数据分析处理单元，计算出球心坐标(x_c，y_c，z_c)和曲率半径r；

(6)移动三维位移台的X、Y两轴至其他采样位置，重复步骤(5)并获得多组球心坐标和曲率半径解；对多组数据取平均值，完成大口径球面光学元件球心和曲率半径的测量。

本发明的自动测量装置中，四台激光位移传感器的测量方向均与Z轴平行，同时提供球面光学元件上四个采样点距离激光位移传感器的相对距离。数据采集单元与四台激光位移传感器连接，实时接收四个采样点的相对距离，并传输给数据分析处理单元，计算球面光学元件球心位置和曲率半径。测量过程中，可通过三维位移台的移动更换采样位置，在多个采样位置进行测量，并将结果取平均，提高测量精度。

四台激光位移传感器呈矩形安装在三维位移台上，矩形的边长与X、Y轴互相平行或垂直；且四台激光位移传感器的测量方向均与Z轴平行。

所述的激光位移传感器，是一种非接触式测量传感器，应用激光三角反射原理，获得待测物体与传感器之间的直线距离。

所述的激光位移传感器测量方向，是激光位移传感器的出射激光方向，即获得待测物体与传感器之间直线距离的方向。

所述的大口径球面光学元件通过夹持机构固定在样品台上。

步骤(1)的具体过程为：

(1-1)采用竖直放置姿态，将定标用的大口径球面光学元件通过夹持机构固定在样品台上。

(1-2)移动三维位移台的X、Y两轴，使第一激光位移传感器的采样点位于球面光学元件的表面。

(1-3)移动三维位移台的Z轴，使第一激光位移传感器位于工作距离之内，获得大口径球面光学元件上采样点距离激光位移传感器的相对距离。

(1-4)使用三维位移台承载第一激光位移传感器，扫描大口径球面光学元件沿X、Y方向的两条截线，实时记录三维位移台的坐标位置，以及第一激光位移传感器采集的相对距离d₁；在X方向上，d₁取得最小值时，对应的三维位移台X轴坐标记为X₁；在Y方向上，d₁取得最小值时，对应的三维位移台Y轴坐标记为Y₁；(X₁，Y₁)为第一激光位移传感器的定标位置。

(1-5)重复步骤(1-2)至步骤(1-4)所述方法，获得第二激光位移传感器的定标位置(X₂，Y₂)、第三激光位移传感器的定标位置(X₃，Y₃)、第四激光位移传感器的定标位置(X₄，Y₄)。

(1-6)将三维位移台移动至坐标位置((X₁+X₂)/2，(Y₁+Y₃)/2)，此时四台激光位移传感器的中心点与大口径球面光学元件的轴心线重合。

由于球面光学元件的表面为球面，球面的顶点距离激光位移传感器最近，因此当三维位移台XY轴依次移动到坐标位置(X₁，Y₁)、(X₂，Y₂)、(X₃，Y₃)、(X₄，Y₄)时，四个采样点依次与球面顶点重合，即四台激光位移传感器分别与球面光学元件的轴心线重合。因此当三维位移台移动至坐标位置((X₁+X₂)/2，(Y₁+Y₃)/2)时，四台激光位移传感器的中心点与大口径球面光学元件的轴心线重合。

(1-7)四个采样点构成的截面恰好为垂直于轴心线的矩形截面，矩形中心即大口径球面光学元件的轴心线位置。此时，将四台激光位移传感器采集的相对距离d₁、d₂、d₃、d₄置为0，完成四台激光位移传感器初始位置定标。

对四台激光位移传感器初始位置定标的目的是：由于***安装时，无法严格保证四台激光位移传感器位于同一平面内；因此在测量前需要对四台激光位移传感器的初始相对距离进行定标，获得四台激光位移传感器的相对位置信息。如果四台激光位移传感器相对位置没有发生变化，定标工作只需要在***首次使用时进行。

步骤(2)中，所述竖直放置姿态为球面光学元件的光轴平行于水平面放置。

步骤(5)中，球心坐标(x_c，y_c，z_c)和曲率半径r的计算方式如下：

以三维位移台的XYZ轴为基准坐标轴，原点0位于三维位移台XYZ轴的机械起始点；第一激光位移传感器对应的球面采样点记为M，位于右上方；第二激光位移传感器对应的球面采样点记为N，位于右下方；第三激光位移传感器对应的球面采样点记为P，位于左下方；第四激光位移传感器对应的球面采样点记为Q，位移左上方；坐标分别记为(x_M，y_M，z_M)、(x_N，y_N，z_N)、(x_P，y_P，z_P)、(x_Q，y_Q，z_Q)；球心坐标记为(x_c，y_c，z_c)，曲率半径记为r；

根据初始位置定标结果和当前三维位移台坐标(X₀，Y₀)，获得：

而z_M＝d₁、z_N＝d₂、z_P＝d₃、z_Q＝d₄，通过下式：

联立并解出x_c，y_c，z_c与r。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明为大口径球面光学元件球心和曲率半径测量提供了一种新的装置和方法，对于大口径球面光学元件，仅需要承载激光位移传感器进行三维移动，而不需要样品自旋台结构，大大降低了机械设计、装调难度；采用四台激光位移传感器实时在球面采样，可获取多组采样数据，大大提升了球心和曲率半径测量速度和精度。测量装置简单，操作方便，具有很高的应用价值，为快速、高精度、非接触式大口径球面光学元件表面缺陷检测奠定了基础。

附图说明

图1为本发明中自动测量装置示意图；

图2为本发明中激光位移传感器初始位置定标示意图；

图3为本发明中激光位移传感器初始位移定标曲线图；

图4为本发明中三维位移台坐标与球面光学元件的球心坐标关系图。

图5为本发明大口径球面光学元件球心和曲率半径测量方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本发明的方法采用自动测量装置，如图1所示，待测的大口径球面光学元件9采用竖直放置姿态固定在样品台上，四台激光位移传感器分别为：第一激光位移传感器1、第二激光位移传感器2、第三激光位移传感器3、第四激光位移传感器4。四台激光位移传感器固定在三维位移台，三维位移台的X、Y轴与球面光学元件9的光轴互相垂直，可承载激光位移传感器进行二维平移；Z轴与球面光学元件9的光轴互相平行，可承载激光位移传感器轴向平移。原点0位于三维位移台XYZ轴的机械起始点。

四台的激光位移传感器，放置在平面XY内，其放置位置的连线构成矩形，其中第一激光位移传感器1和第二激光位移传感器2放置位置的连线平行于Y轴，第二激光位移传感器2和第三激光位移传感器3放置位置的连线平行于X轴。通过对四个激光位移传感器初始位置定标，获得其精确位置坐标。激光位移传感器的测量方向均与Z轴平行，同时提供球面光学元件上四个采样点距离激光位移传感器的相对距离。其中，第一激光位移传感器1对应于采样点5，第二激光位移传感器2对应于采样点6，第三激光位移传感器3对应于采样点7，第四激光位移传感器4对应于采样点8。

数据采集单元与四个激光位移传感器连接，实时接收四个采样点的相对距离，并传输给数据分析处理单元，计算球面光学元件9的球心位置和曲率半径。测量过程中，可通过三维位移台的移动更换采样位置，在多个采样位置进行测量，并将结果取平均，提高测量精度。

如图2，四个激光位移传感器初始位置定标方法如下：

步骤1、采用竖直放置姿态，将大口径球面光学元件9通过夹持机构固定在样品台上；

步骤2、移动三维位移台的X、Y两轴，使第一激光位移传感器1的采样点5位于球面光学元件9的表面；

步骤3、移动三维位移台的Z轴，使第一激光位移传感器1位于工作距离之内，获得大口径球面光学元件9上个采样点5距离第一激光位移传感器1的相对距离；

步骤4、使用三维位移台承载第一激光位移传感器1，扫描大口径球面光学元件9沿X、Y方向的两条截线(虚线所示)，实时记录三维位移台的坐标位置，以及第一激光位移传感器1采集的相对距离d₁。如图3中(a)所示，以X轴为横坐标、d₁为纵坐标绘制曲线，d₁取得最小值时，对应的三维位移台X轴坐标记为X₁。如图3中(b)所示，以Y轴为横坐标，d₁为纵坐标绘制曲线，d₁取得最小值时，对应的三维位移台Y轴坐标记为Y₁。(X₁，Y₁)为第一激光位移传感器1的定标位置；

步骤5、重复步骤4所述方法，获得第二激光位移传感器2的定标位置(X₂，Y₂)、第三激光位移传感器3的定标位置(X₃，Y₃)、第四激光位移传感器4的定标位置(X₄，X₄)；

步骤6、将三维位移台移动至坐标位置((X₁+X₂)/2，(Y₁+Y₃)/2)，此时四台激光位移传感器的中心点与大口径球面光学元件的轴心线重合；

步骤7、将四台激光位移传感器采集的相对距离d₁、d₂、d₃、d₄置为0，完成四台激光位移传感器初始位置定标。

大口径球面光学元件9的球心和曲率半径测量方法如下：

S01、采用竖直放置姿态，将大口径球面光学元件9通过夹持机构固定在样品台上；

S02、移动三维位移台的X、Y两轴，使四个激光位移传感器的四个采样点全部位于球面光学元件9的表面；

S03、移动三维位移台的Z轴，使四个激光位移传感器全部位于工作距离之内，获得大口径球面光学元件9上四个采样点距离激光位移传感器的相对距离；

S04、如图4所示，数据采集单元实时接收四个采样点的相对距离d₁、d₂、d₃、d₄，以及当前三维位移台的XY轴坐标10为(X₀，Y₀)，通过数据分析处理单元，计算出球心11的坐标(x_c，y_c，z_c)和曲率半径r；具体处理方法如下：

以三维位移台的XYZ轴为基准坐标轴，原点0位于三维位移台XYZ轴的机械起始点。第一激光位移传感器1对应的球面采样点记为M，位于右上方；第二激光位移传感器2对应的球面采样点记为N，位于右下方；第三激光位移传感器3对应的球面采样点记为P，位于左下方；第四激光位移传感器4对应的球面采样点记为Q，位移左上方；坐标分别记为(x_M，y_M，z_M)、(x_N，y_N，z_N)、(x_P，y_P，z_P)、(x_Q，y_Q，z_Q)。球心坐标记为(x_c，y_c，z_c)，曲率半径记为r。

根据初始位置定标结果和当前三维位移台坐标(X₀，Y₀)，获得：

而z_M＝d₁、z_N＝d₂、z_P＝d₃、z_Q＝d₄，可以通过下式：

联立并解出x_c，y_c，z_c与r。

S05、移动三维位移台的XY两轴至其他采样位置，重复步骤4并获得多组球心坐标(x_c，y_c，z_c)和曲率半径r解；多组数据取平均，完成大口径球面光学元件9的球心和曲率半径测量。

为验证本发明方法的效果，本实施例使用大口径球面光学元件对该发明中所述的方法进行仿真测量。所使用大口径球面光学元件是一块长800mm、宽600mm、曲率半径2000mm的平凸光学元件。相对于XYZ坐标原点，实际球心坐标为(457，343，2082)；所使用激光位移传感器是四台同一型号的激光位移传感器，其工作距离90±20mm，线性精度±12μm；所使用三维位移台是大行程、高精度的三维位移台，其定位精度±10μm。四台激光位移传感器放置在三维位移台上，距离样品约80mm，其放置位置的连线构成正方形，边长300mm。

首先使用本发明所述的激光位移传感器定标方法，对四台激光位移传感器初始位置进行定标，获得结果如表1所示。

表1

使用本发明所述的大口径球面光学元件球心和曲率半径的测量装置和方法进行定中。在步骤S03中，获得球面光学元件上四个采样点距离激光位移传感器的相对距离如表2所示。

表2

使用步骤S04所述数据分析方法，根据四台激光位移传感器的相对距离，以及初始定标结果，可解出球心坐标(456.3633，342.5152，2059.67)，半径1977.79。使用三维位移台更换采样位置，获得多组球心坐标及半径如表3所示。

表3

采样次数	球心x坐标	球心y坐标	球心z坐标	半径
					1	456.36	342.52	2059.67	1977.79
2	454.55	341.09	1993.99	1912.48
					3	459.58	344.90	2170.74	2088.31
4	465.57	349.41	2380.96	2297.79
					平均值	459.02	344.48	2151.34	2069.09
相对误差	0.44％	0.43％	3.33％	3.45％

在本实施例中，通过本发明的自动测量装置与方法，获得球心XYZ坐标相对误差分别为0.44％、0.43％、3.33％，半径相对误差3.45％。相对误差主要来源于三维位移台定位误差和激光位移传感器测量误差，选用更高精度的三维位移台和激光位移传感器，可大大提升定中精度。因此，本发明所述的方法可实现高精度的大口径球面光学元件球心和曲率半径测量。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种大口径球面光学元件球心和曲率半径测量方法，其特征在于，采用自动测量装置，所述的自动测量装置包括样品台、三维位移台、安装在三维位移台上的四台激光位移传感器、与激光位移传感器电连接的数据采集单元、与数据采集单元电连接的数据分析处理单元，以及用于接收数据分析处理单元的计算结果并对三维位移台进行移动的控制单元；

具体包括以下步骤：

(1)对四台激光位移传感器的初始位置进行定标；

(2)采用竖直放置姿态，将大口径球面光学元件通过夹持机构固定在样品台上；

(3)移动三维位移台的X、Y两轴，使四台激光位移传感器的四个采样点全部位于球面光学元件的表面；其中，所述三维位移台的X、Y轴与球面光学元件的光轴互相垂直；

(4)移动三维位移台的Z轴，使四台激光位移传感器全部位于工作距离之内，获得大口径球面光学元件上四个采样点距离激光位移传感器的相对距离；其中，三维位移台的Z轴与球面光学元件的光轴互相平行；

(5)数据采集单元实时接收四个采样点与对应四台激光位移传感器的相对距离d₁、d₂、d₃、d₄，以及当前三维位移台的XY轴坐标(X₀，Y₀)，通过数据分析处理单元，计算出球心坐标(x_c，y_c，z_c)和曲率半径r；

(6)移动三维位移台的X、Y两轴至其他采样位置，重复步骤(5)并获得多组球心坐标和曲率半径解；对多组数据取平均值，完成大口径球面光学元件球心和曲率半径的测量。

2.根据权利要求1所述的大口径球面光学元件球心和曲率半径测量方法，其特征在于，四台激光位移传感器呈矩形安装在三维位移台上，矩形的边长与X、Y轴互相平行或垂直；且四台激光位移传感器的测量方向均与Z轴平行。

3.根据权利要求1所述的大口径球面光学元件球心和曲率半径测量方法，其特征在于，所述的大口径球面光学元件通过夹持机构固定在样品台上。

4.根据权利要求1所述的大口径球面光学元件球心和曲率半径测量方法，其特征在于，步骤(1)的具体过程为：

(1-1)采用竖直放置姿态，将定标用的大口径球面光学元件通过夹持机构固定在样品台上；

(1-2)移动三维位移台的X、Y两轴，使第一激光位移传感器的采样点位于球面光学元件的表面；

(1-3)移动三维位移台的Z轴，使第一激光位移传感器位于工作距离之内，获得大口径球面光学元件上采样点距离激光位移传感器的相对距离；

(1-4)使用三维位移台承载第一激光位移传感器，扫描大口径球面光学元件沿X、Y方向的两条截线，实时记录三维位移台的坐标位置，以及第一激光位移传感器采集的相对距离d₁；在X方向上，d₁取得最小值时，对应的三维位移台X轴坐标记为X₁；在Y方向上，d₁取得最小值时，对应的三维位移台Y轴坐标记为Y₁；(X₁，Y₁)为第一激光位移传感器的定标位置；

(1-5)重复步骤(1-2)至步骤(1-4)所述方法，获得第二激光位移传感器的定标位置(X₂，Y₂)、第三激光位移传感器的定标位置(X₃，Y₃)、第四激光位移传感器的定标位置(X₄，Y₄)；

(1-6)将三维位移台移动至坐标位置((X₁+X₂)/2，(Y₁+Y₃)/2)，此时四台激光位移传感器的中心点与大口径球面光学元件的轴心线重合；

(1-7)将四台激光位移传感器采集的相对距离d₁、d₂、d₃、d₄置为0，完成四台激光位移传感器初始位置定标。

5.根据权利要求1所述的大口径球面光学元件球心和曲率半径测量方法，其特征在于，步骤(2)中，所述竖直放置姿态为球面光学元件的光轴平行于水平面放置。

6.根据权利要求1所述的大口径球面光学元件球心和曲率半径测量方法，其特征在于，步骤(5)中，球心坐标(x_c，y_c，z_c)和曲率半径r的计算方式如下：

以三维位移台的XYZ轴为基准坐标轴，原点0位于三维位移台XYZ轴的机械起始点；第一激光位移传感器对应的球面采样点记为M，位于右上方；第二激光位移传感器对应的球面采样点记为N，位于右下方；第三激光位移传感器对应的球面采样点记为P，位于左下方；第四激光位移传感器对应的球面采样点记为Q，位移左上方；坐标分别记为(x_M，y_M，z_M)、(x_N，y_N，z_N)、(x_P，y_P，z_P)、(x_Q，y_Q，z_Q)；球心坐标记为(x_c，y_c，z_c)，曲率半径记为r；

根据初始位置定标结果和当前三维位移台坐标(X₀，Y₀)，获得：

而z_M＝d₁、z_N＝d₂、z_P＝d₃、z_Q＝d₄，通过下式：

联立并解出x_c，y_c，z_c与r。

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