[发明专利]共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法与装置

说明书

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。

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。