一种精确测量超大曲率半径的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种精确测量超大曲率半径的装置及方法，该装置包括：被测元件、光源；分光镜，倾斜置于被测元件与光源之间，用于将光源发出的光照射到被测元件表面，将被测元件反射的反射光反射到第一光栅和第二光栅上；第一光栅与第二光栅；用于在反射平行光的照射下，第一光栅在第二光栅处产生的泰伯像与第二光栅形成莫尔条纹；成像系统；用于采集莫尔条纹图像，并将其传输至计算机；计算机；用于处理莫尔条纹图像确定莫尔条纹的角度，进而计算得到被测元件的曲率半径。该装置结构简单，且能实现对光学元件超大曲率半径的精确测量。

Method and device for accurately measuring super large curvature radius

The invention discloses a device and a method for accurate measurement of large radius of curvature, the device includes a light source and the measured element; a spectroscope, obliquely placed in the element to be measured and the light source, for the light emitted by a light source to irradiate to the surface, the measured reflection element of the reflected light is reflected to the first grating and second on the first and the second grating; grating reflection grating; used in parallel light irradiation, resulting in second of the first grating grating Talbot image and second grating moire fringe; imaging system; used to collect moire fringe image, and transmits it to a computer for processing; computer; determine the angle of Moire fringe moire fringe image then, calculate the radius of curvature of the measured element. The device has simple structure and can realize accurate measurement of ultra large curvature radius of optical elements.

【技术实现步骤摘要】
一种精确测量超大曲率半径的方法及装置
本专利技术属于光学元件曲率半径测量领域，尤其涉及一种精确测量超大曲率半径的方法及装置。
技术介绍
大口径光学元件系统是大型高功率激光系统，如国内ICF激光驱动器，美国国家点火装置(NIF)及法国兆焦耳激光工程(Mega-JouleProject)中必须使用的上千件各类光学元件。仅400×500以上的各类口径光学元件就有8000件，其中用于空间滤波和聚焦的长焦距透镜系统就有1000件左右，因此对于这些大口径长焦距光学系统必须进行有效的参数检测。在美国LIGO(laserinterferometerGravitationalWaveObservatory)系统中也大量用到大口径的光学元件。大口径光学元件由于口径大(250mm以上)、曲率半径大(大于10米)、空气扰动等干扰因素严重影响测试的精度。现有的曲率半径测量方法如接触式的球径仪，自成像曲率半径测量仪及采用干涉原理曲率半径测量仪对小的曲率半径(小于10米)能够实现高精度的测量。但是对于超大曲率半径(大于5000米)，采用传统的半径测量手段很难获得高精度的测量，如何实现对这类大量使用元件的高精度的测量对这些重大项目具有重要的意义。因此，需要开发一种能够精密超大曲率半径的检测仪器，提供给激光核聚变、引力波测量等国家重大工程项目中的光学元件的精确测量仪器，作为透镜从加工各工序到最终合格验收的检测依据和标准，以满足对这些光学元件质量的要求。
技术实现思路
为了解决现有技术中难以实现测量光学元件超大曲率半径的问题，本专利技术提出了一种精确测量超大曲率半径的方法及装置。该装置结构简单，且能实现对光学元件超大曲率半径的精确测量。本专利技术第一方面提出了一种精确测量超大曲率半径的装置，包括；被测元件、光源；分光镜，倾斜置于被测元件与光源之间，用于将光源发出的光照射到被测元件表面，将被测元件反射的反射光反射到第一光栅和第二光栅上；第一光栅与第二光栅；用于在反射平行光的照射下，第一光栅在第二光栅处产生的泰伯像与第二光栅形成莫尔条纹；成像系统；用于采集莫尔条纹图像，并将其传输至计算机；计算机；用于处理莫尔条纹图像确定莫尔条纹的角度，进而计算得到被测元件的曲率半径。作为优选，本专利技术第一方面提供的装置还包括：设于分光镜与光源之间、且用于将光源发出的发射光变成平行光的准直透镜。当光源离被测元件较近时，将准直透镜设置于光源与分光镜之间，可以将发散光变成平行光。作为优选，本专利技术第一方面提供的装置还包括：用于调节光源传播方向的针孔、用于固定激光器与针孔的第一高精度位移平台、用于固定第二光栅与成像系统的第二高精度位移平台以及用于驱动第一高精度位移平台和第二高精度位移平台移动的高精度位移驱动器。固定于第一高精度位移平台上的激光器与针孔，在高精度位移驱动器的驱动下，可以精确地被移动到不同的位置，经过多次测量不同光源位置下的组合光焦度值，进而解算出被测元件的曲率半径，这样可以有效地消除照明光束的准直性的影响。为防止空气气流对测量的影响，作为优选，将整个装置用罩子密封起来。本专利技术第二方面提供了一种应用第一方面提供系统的精确测量超大曲率半径的方法，具体包括：(1)对精确测量超大曲率半径系统进行标定由于被测的焦距值为从第一块光栅到焦点的距离，通过精确沿光轴移动被测透镜，可以获得多组焦距精确的标准镜，实现多系统的精确标定；(2)利用高精度位移驱动器驱动第一高精度位移平台移动到相应的位置，避免照明光束的准直性的影响；(3)利用高精度位移驱动器驱动第二高精度位移平台移动到相应的位置，记录第一光栅与第二光栅之间的距离z、第一光栅与第二光栅的栅线夹角θ；(4)利用成像系统采集莫尔条纹图像，并将莫尔条纹图像传输至计算机；(5)计算机对接收到莫尔条纹图像进行处理，确定莫尔条纹的角度α，并计算得到被测元件的曲率半径Δr；其中，s为第一光栅与被测元件光轴之间的距离，r为被测元件的半径，其值为：为第一光栅的周期P1与第二光栅的周期P2的比值；莫尔条纹的角度α的计算公式为：P′1为泰伯像的周期，根据泰伯像的放大倍率关系获得；Δz为z的不确定度，Δs为s的不确定度，Δθ为θ的不确定度，Δα为α的不确定度，Δβ为β的不确定度。作为优选，不确定度Δz与不确定度Δs由高精度光栅尺测量得到，其值分别达到0.1mm和0.01mm。作为优选，不确定度Δα的获取方法为：由于α为计算机计算出的莫尔条纹的角度，利用一个精确打印的具有精确的确定的角度的黑白条纹图样，通过多次测量系统的图像采集系统获得图样的图像并用莫尔条纹角度计算的方法进行计算，获得α的不确定度Δα，其值达到0.003°。不确定度Δθ的获取方法为：当被测反射面为平面时，同时两块光栅的栅线夹角为0度时，理论上摩尔条纹的周期为无穷大(采集到的图像为均匀的灰度图)，以此为起点，通过精密的旋转台控制两块光栅之间栅线的夹角，栅线夹角的不确定度由精密旋转台决定，由此可以获得θ的不确定度Δθ，其值达到0.003°。作为优选，不确定度Δβ的获取方法为：由于β为两个光栅的周期的比值，通过扫描电镜的精确测量，可以精确获得β的不确定度Δβ，其值为0.00001。本专利技术精确测量超大曲率半径的装置，组合了最基本的光学测量仪器，结构简单，成本低，且在测量的过程中操作简单，能够实现对光学元件超大曲率半径的精确测量。附图说明图1是实施例1中应用的精确测量超大曲率半径的装置的第一个结构示意图；图2是实施例1中应用的精确测量超大曲率半径的装置的第二个结构示意图；图3是实施例2中应用图1所示的装置进通过精密移动光源多次测量解算被测半径的原理图；图4是实施例2中应用图2所示的装置进通过精密移动光源多次测量解算被测半径的原理图。具体实施方式为了更为具体地描述本专利技术，下面结合附图及具体实施方式对本专利技术的技术方案进行详细说明。实施例1如图1所示，本实施例应用的精确测量超大曲率半径的装置包括：半径为5000米的被测元件、红外激光器、起准直作用的显微物镜、起分光作用的成像透镜、针孔、周期比为1.004018的光栅1与光栅2、CCD、支撑光栅2的毛玻璃片、计算机以及高精度位移驱动器，红外激光器与针孔固定于高精度位移平台一上，光栅2、毛玻璃片以及CCD固定于高精度位移平台二上。在对精确测量超大曲率半径系统标定结束后；首先，利用高精度位移驱动器驱动第一高精度位移平台移动到相应的位置，避免照明光束的准直性的影响；然后，利用高精度位移驱动器驱动第二高精度位移平台移动到相应的位置，记录第一光栅与第二光栅之间的距离z为10m、第一光栅与第二光栅的栅线夹角θ为0.3°；接下来，利用成像系统采集莫尔条纹图像，并将莫尔条纹图像传输至计算机；最后，计算机对接收到莫尔条纹图像进行处理，确定莫尔条纹的角度α为37.4813°，并计算得到被测元件的曲率半径为：Δr＝2*0.1mm(Δz)+2*0.01mm(Δs)+24.89m(Δz)+3.11m(Δβ)+20.67m(Δθ)+0.135m(Δα)＝48.80522m相对测量误差为：从上述的分析可以看出Δz、Δθ、Δβ对测量精度影响很大。如果能够减小Δz(使10米的测量距离不确定度小于0.1mm，严格控制环境因素如温度湿度，采用Reneshaw光栅尺可以进一步提高精度)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种精确测量超大曲率半径的装置，其特征在于，包括；被测元件、光源；分光镜，倾斜置于被测元件与光源之间，用于将光源发出的光照射到被测元件表面，将被测元件反射的反射光反射到第一光栅和第二光栅上；第一光栅与第二光栅；用于在反射平行光的照射下，第一光栅在第二光栅处产生的泰伯像与第二光栅形成莫尔条纹；成像系统；用于采集莫尔条纹图像，并将其传输至计算机；计算机；用于处理莫尔条纹图像确定莫尔条纹的角度，进而计算得到被测元件的曲率半径。

【技术特征摘要】
1.一种精确测量超大曲率半径的装置，其特征在于，包括；被测元件、光源；分光镜，倾斜置于被测元件与光源之间，用于将光源发出的光照射到被测元件表面，将被测元件反射的反射光反射到第一光栅和第二光栅上；第一光栅与第二光栅；用于在反射平行光的照射下，第一光栅在第二光栅处产生的泰伯像与第二光栅形成莫尔条纹；成像系统；用于采集莫尔条纹图像，并将其传输至计算机；计算机；用于处理莫尔条纹图像确定莫尔条纹的角度，进而计算得到被测元件的曲率半径。2.如权利要求1所述的精确测量超大曲率半径的装置，其特征在于，所述的装置还包括：设于分光镜与光源之间、且用于将光源发出的发射光变成平行光的准直透镜。3.如权利要求1所述的精确测量超大曲率半径的装置，其特征在于，所述的装置还包括：用于调节光源传播方向的针孔、用于固定激光器与针孔的第一高精度位移平台、用于固定第二光栅与成像系统的第二高精度位移平台以及用于驱动第一高精度位移平台和第二高精度位移平台移动的高精度位移驱动器。4.一种应用权利要求1或3所述系统的精确测量超大曲率半径的方法，具体包括：(1)对精确测量超大曲率半径系统进行标定，由于被测的焦距值为从第一块光栅到焦点的距离，通过精确沿光轴移动被测透镜，可以获得多组焦距精确的标准镜，实现多系统的精确标定；(2)利用高精度位移驱动器驱动第一高精度位移平台移动到相应的位置，避免照明光束的准直性的影响；(3)利用高精度位移驱动器驱动第二高精度位移平台移动到相应的位置，记录第一光栅与第...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯昌伦，辛青，藏月，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33