[发明专利]共焦抛物面顶点曲率半径测量方法

说明书

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《Conic constant 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Optics Communication上的《A simple ray tracing method for measuring the vertex radius of curvature 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；