本发明专利技术属于光学精密测量技术领域，涉及一种差动共焦透镜曲率半径测量方法与装置，该方法首先通过差动共焦定焦原理分别确定被测透镜顶点和球心位置，然后测量两焦点间的距离，同时测量过程中还可以通过光瞳滤波技术提高曲率半径测量灵敏度。本发明专利技术首次提出利用差动共焦响应曲线过零点时对应被测透镜顶点和球心的特性实现精确定焦，将差动共焦显微原理扩展到曲率半径测量领域，形成差动共焦定焦原理。本发明专利技术运用差动共焦定焦原理，具有测量精度高、抗环境干扰能力强的优点，可用于透镜曲率半径的检测与光学系统装配过程中的高精度曲率半径测量。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光学精密测量
，可用于透镜曲率半径检测与 光学系统装配过程中高精度曲率半径测量等。
技术介绍
在光学领域中，透镜曲率半径的测量具有重要的作用。对高质量 球面样板进行光学球面曲率半径的精密测量具有很高的难度。光学球 面曲率半径精确测量是光学测量和光学冷加工过程中的重要环节。作 为光学透镜的重要参数，其曲率半径的高精度测量一直是光学测量领 域的一个难点，主要因素在于接触测量法要求被测表面进行抛光处 理，会带来光学球面磨损或挤压造成的测量误差；非接触测量法，虽 避免了对待测光学球面的磨损，但光路调焦对准都需要非常准确，从 而使调校光路困难，光路调校过程容易引出系统误差；球面样板法、 球径仪法、自准直显微镜法等传统的测量方法中大部分采用目视读数 方法，自动化程度不高，也加大了测量的随机误差，均难以实现曲率 半径的高精度测量。针对曲率半径测量，国内学者提出了新的测量方法，包括2007年 在应用光学中发表的《基于白光干涉的光学球面半径测量研究》，此类 技术主要采用了莫尔光栅位移测量系统、迈克尔逊白光干涉系统，实 现精确测量，该系统采用了光学无损测量方法，避免了接触性测量对 光学表面的损害；利用数字图像处理技术可直接对图像进行处理并根 据图像测量数据计算得到测量结果，减少了目视光学测量系统调焦对 准误差，与传统方法相比灵敏度有所提高，能够达到上百微米的测量 精度，但此光学球面自动系统对小曲率半径光学球面的测量精度低， 需测量的参数多。相比较国外的曲率半径测量技术，在SPIE中2005年发表的 《Radius case study: Optical bench measurement and uncertainty including stage error motions》中，采用了建立新的坐标模型技术进行 曲率半径测量，并达到接近微米级的测量精度。但由于采用干涉仪，测量过程中易受温度、气流、振动等环境状态因素的干扰，对测量环 境提出了苛刻的要求。以上几种非接触测量方法的共性还在于其评价尺度都是基于垂 轴方向的图像信息。由于光学系统的物距变化引起的轴向放大率变化 是垂轴放大率变化的平方，如果能够选取一种轴向信息作为评价尺度， 则可以进一步提高曲率半径测量的灵敏度。近年来，国内外显微成像领域的差动共焦(共焦)技术快速发展，该技术以轴向的光强响应曲线作为评价尺度，灵敏度高于垂轴方向的评 价方法，并且由于采用光强作为数据信息，相比图像处理方法具有更 高的抗环境干扰能力。例如中国专利"具有高空间分辨率的差动共焦扫描检测方法"(专利号200410006359.6)，其提出了超分辨差动共焦检 测方法，使系统轴向分辨力达到纳米级，并显著提高了环境抗扰动能 力，但差动共焦技术主要适用于微观显微测量领域，而将该项技术直 接应用于定焦，继而实现曲率半径测量的报道，迄今为止尚未见到。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决透镜曲率半径的高精度测量问题，提出 一种差动共焦曲率半径测量方法与装置，利用差动共焦响应曲线过零 点时焦点对应被测透镜顶点和球心的特性实现精确定焦。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术的差动共焦曲率半径测量方法，包括(a) 测量前调整光学系统，将平行光透过分光系统(2)，经透镜(3) 会聚在焦点(4)，将被测凹透镜(7)放置在焦点(4)附近，光线再由被测凹 透镜(7)反射后，通过分光系统(2)反射进入差动共焦系统(8);(b) 测量时，将被测凹透镜(7)在光轴方向扫描移动，差动共焦系 统(8)通过探测差动响应信号的绝对零点值来确定被测凹透镜(7)的顶 点与焦点(4)相重合，此时被测凹透镜(7)的位置为第一焦点位置(5);(c) 将被测凹透镜(7)沿着光轴方向扫描移动，再次利用差动共焦 系统(8)，当焦点(4)和被测凹透镜(7)的球心相重合时，探测到的差动响 应信号为绝对零点值，此时被测凹透镜(7)的位置为第二焦点位置(6);(d) 测量第一焦点位置(5)与第二焦点位置(6)之间的距离，即是被5测透镜的曲率半径n根据差动共焦曲率半径测量方法，可将凹透镜替换为凸透镜，构 成差动共焦凸透镜曲率半径测量方法。根据差动共焦曲率半径测量方法，可将差动共焦系统(8)替换为共 焦系统(9)，构成共焦透镜曲率半径测量方法。共焦透镜曲率半径测量方法为(a) 测量前调整光学系统，将平行光透过分光系统(2)，经透镜(3) 会聚在焦点(4)，将被测透镜放置在焦点(4)附近，光线再由被测透镜(7) 反射后，通过分光系统(2)反射进入共焦系统(9);(b) 测量时，将被测透镜(7)在光轴方向扫描移动，共焦系统(9)通 过探测响应信号的极大值点来确定被测透镜顶点与焦点(4)相重合，此 时被测透镜(7)的位置为第一焦点位置(5);(c) 将被测透镜(7)沿着光轴方向扫描移动，再次利用共焦系统(9)， 当焦点(4)和被测透镜的球心相重合时，探测到的响应信号为极大值点， 此时被测透镜(7)的位置为第二焦点位置(6);(d) 测量第一焦点位置(5)与第二焦点位置(6)之间的距离，即是被 测透镜的曲率半径n差动共焦(共焦)透镜曲率半径测量方法，还可以通过焦深压縮光学 系统(1)与差动共焦系统(8)(共焦系统(9))配合工作，使用光瞳滤波技术 压縮被测透镜(7)的焦深，提高定焦灵敏度。差动共焦透镜曲率半径测量装置，包括光源(ll)，还包括分光系统 (2)、会聚透镜(3)、差动共焦系统(8);其中分光系统(2)、会聚透镜(3) 和被测透镜(7)依次放在光源(11)出射光线方向，差动共焦系统(8)放置 在分光系统(2)反射方向，被测透镜(7)、会聚透镜(3)与分光系统(2)将光 束反射至差动共焦系统(8)，并配合差动共焦系统(8)实现第一焦点位置 (5)与第二焦点位置(6)的定焦。根据差动共焦曲率半径测量装置，可将差动共焦系统(8)替换为共 焦系统(9)。差动共焦(共焦)曲率半径测量装置，还可以包括焦深压縮光学系统 (1)，用于减小被测透镜(7)的焦深。差动共焦(共焦)曲率半径测量装置，还可以包括调制控制系统(10)，用于控制光源(11)与差动共焦系统(8)(共焦系统(9))进行调制与滤 波，抑制环境干扰对测量精度的影响。本专利技术对比已有技术具有以下显著优点1. 首次提出利用差动共焦响应曲线的过零点确定目标位置，实现 两次精确定焦，提出将差动共焦显微原理扩展到曲率半径测量领域。2. 首次提出利用共焦响应曲线的极大值点确定目标位置，实现两 次精确定焦，提出将共焦显微原理扩展到曲率半径测量领域。3. 本测量方法中，差动共焦(共焦)原理以光强响应曲线作为定焦 判据，并配合差动共焦(共焦)系统进行光强调制与滤波，削减空气扰动 等环境干扰对测量精度的影响，相比以图像、干涉条纹作为定焦判据 的曲率半径测量方法具有更高的稳定性。4. 采用光瞳滤波技术与差动共焦(共焦)技术相配合，在曲率半径 测量中减小透镜焦深，增强定焦灵敏度。附图说明图1为本专利技术差动共焦凹透镜曲率半径测量方法的示意图； 图2为本专利技术差动共焦凸透镜曲率半径测量方法的示意图； 图3为本专利技术共焦曲率半径测量方法的示意图； 图4为本专利技术差动共焦曲率半径测量装置的示意图； 图5为本专利技术共焦本文档来自技高网...
【技术保护点】
差动共焦曲率半径测量方法，其特征在于： （ａ）测量前调整光学系统，将平行光透过分光系统（２），经透镜（３）会聚在焦点（４），将被测凹透镜（７）放置在焦点（４）附近，光线再由被测凹透镜（７）反射后，通过分光系统（２）反射进入差动共焦系统 （８）； （ｂ）测量时，将被测凹透镜（７）在光轴方向扫描移动，差动共焦系统（８）通过探测差动响应信号的绝对零点值来确定被测透镜顶点与焦点（４）相重合，此时被测凹透镜（７）的位置为第一焦点位置（５）； （ｃ）将被测凹透镜（７）沿着 光轴方向扫描移动，再次利用差动共焦系统（８），当焦点（４）和被测凹透镜（７）的球心相重合时，探测到的差动响应信号为绝对零点值，此时被测凹透镜（７）的位置为第二焦点位置（６）； （ｄ）测量第一焦点位置（５）与第二焦点位置（６）之间的距离 ，即是被测凹透镜的曲率半径ｒ。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：赵维谦，贾馨，邱丽荣，孙若端，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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