双边错位差动共焦超大曲率半径测量方法技术

本发明专利技术公开的双边错位差动共焦超大曲率半径测量方法，属于光学精密测量技术领域。本发明专利技术在共焦测量系统中，首先在CCD探测的艾丽斑图像上通过软件设置大、小虚拟针孔探测区域并将其探测的两条共焦特性曲线通过相减处理来锐化共焦特性曲线，然后将锐化共焦特性曲线进行双边错位差动相减处理来得到轴向高灵敏的差动共焦特性曲线，其次利用该双边错位差动共焦特性曲线零点与共焦测量系统焦点精确对应所述特性对超大曲率半径测量中各特征位置点进行高精度定焦寻位，进而实现超长焦距的高精度测量。与已有的大曲率半径测量方法相比，本发明专利技术具有测量精度高、抗环境干扰能力强和结构简单等优势，在光学精密测量技术领域具有广泛的应用前景。

Measuring Method of Ultra-Large Curvature Radius with Bilateral Dislocation Differential Confocal

【技术实现步骤摘要】
双边错位差动共焦超大曲率半径测量方法
本专利技术涉及一种双边错位差动共焦超大曲率半径测量方法，属于光学元件参数精密测量

技术介绍
在光学系统、惯性导航系统、飞机发动机传动系统中，球面元件都是最重要的元件之一。而球面元件的曲率半径是决定元件整体性能最为关键的参数，因此对球面元件的曲率半径进行高精度测量具有重要意义。针对球面的曲率半径测量，目前已有的测量方法有：球面样板法、球径仪法、自准直法、干涉仪法、刀口仪法、牛顿环法、激光剪切干涉仪法以及莫尔偏析法等。球面样板法和球径仪法属接触测量，测量方法简单，零件不需抛光，但球面样板法只适用于小曲率半径测量，测量精度受样板面形影响较大，并且在接触测量过程中，会因球面磨损和挤压带来测量误差；自准直法属于非接触测量，但零件需要抛光处理，光路调整较复杂，调焦和对准难度较大，会带来测量过程中的系统误差；干涉仪法、刀口仪法、牛顿环法、激光剪切干涉仪法以及莫尔偏析法一般用于大曲率半径的测量。干涉仪法在测量过程中易受温度、气流、振动、噪声等因素的干扰，对测量精度影响较大。2002年浙江大学提出了一种利用激光偏振干涉体系产生非接触的牛顿环并与CCD图像处理技术相结合的测量方法。该方法通过移动五角棱镜或被测元件并用CCD列阵测得两组干涉牛顿条纹后，通过计算机对两组图像的处理计算得到被测元件表面的曲率半径。该方法可测量的曲率半径为1～25m，具有很宽的测量范围；并且该方法为非接触测量，不会损坏高精度被测元件表面。2004年美国计量院的WangQuandou及其工作小组构建了一台超高精度的移相干涉仪XCALIBIR，该干涉仪可以用于测量球面的曲率半径。该方法通过参考球面与被测元件球面产生的移相干涉图像来计算得到被测元件球面的曲率半径。该方法通过对于环境的苛刻控制，补偿十余项误差后，其曲率半径测量精度达到了0.003％。2006年南京理工大学研究了一种由单幅静态干涉图测量球面曲率半径的方法。该方法针对小曲率半径的球面用林尼克干涉显微镜得到被测球面的静态干涉图，基于阻尼最小二乘法拟合干涉条纹的光强曲线，得到被测小球面面形的多项式表达式，并由此计算出被测件的曲率半径。该方法通过对已知曲率半径的标准微小凸球面样板的测量，得到相对误差为0.093％的测量结果。同年，XianyangCai等人提出了大曲率半径测量的一种新方法，该方法将斐索干涉仪与变焦镜头相结合构成了一套紧凑的测量仪器，同时可以测量具有大曲率半径的凹球面曲率半径和凸球面曲率半径。对于曲率半径为10m的球面，其测量精度为0.04％。2008年，WangQuandou在移相干涉仪测量曲率半径的基础上，引入全息技术，用于大曲率半径球面的曲率半径测量。该方法通过在检测光路中引入菲涅尔全息板，压缩光路整体长度，可实现曲率半径大于10m的镜面的高精度检测。本专利技术人于2009年提出了一种利用差动共焦原理来对曲率半径进行高精度测量的方法，并申请国家专利技术专利“差动共焦曲率半径测量方法与装置”。该方法将差动共焦显微原理扩展到曲率半径测量领域，具有测量精度高、抗环境干扰能力强的优点。但是需要同时使用两路探测器，需精确调整两探测器的离焦量，并且会聚透镜数值孔径改变后，原有离焦量可能不再适合，造成定焦精度降低。本专利技术人还于2011年提出了一种利用共焦干涉定焦原理来对曲率半径进行高精度测量的方法，并申请国家专利“共焦干涉定焦及曲率半径测量方法”(专利号201110038297.7)。该方法在共焦光路的基础上引入了干涉参考光，由共焦干涉响应曲线的最大值来精确定焦。该方法利用干涉条纹锐化了共焦响应曲线的主瓣，从而提高定焦和测量精度。但是需要保证参考光与测量光之间的光程差是光源半波长的整数倍，并且参考光与测量光之间的环境扰动会对测量精度产生较大干扰。超大曲率半径测量面临的主要难点在于：1)焦深长，受衍射效应的影响，“猫眼”和“共焦位置定焦精度低；2)半径大，测量光路长，受测量环境干扰和系统漂移的影响，难以精密测长；3)测量光路长，给测量系统构建和测量环境提出了苛刻的要求，亟待攻克通过小尺寸测量来实现长焦距高精确测量难题，来减少仪器体积，提高抗环境干扰能力。针对超大曲率半径高精度测量的难题，本专利技术提出一种双边错位差动共焦超大曲率半径测量方法，该方法在共焦测量系统中，首先在CCD探测的艾丽斑图像上通过软件设置大、小虚拟针孔探测区域(图像区)并将其探测的两条共焦特性曲线通过相减处理来锐化共焦特性曲线，然后将锐化共焦特性曲线进行双边错位差动相减处理来得到轴向高灵敏的差动共焦特性曲线，最后再利用该双边错位差动共焦特性曲线零点与焦点精确对应这一特性对超大曲率半径测量中各特征点实现高精度定焦，进而实现超大曲率半径的高精度测量。该超大曲率半径测量方法为超大曲率半径的高精度测量提供了一个全新的技术途径。
技术实现思路
为了解决超大曲率半径高精度测量难题，本专利技术公开的双边错位差动共焦超大曲率半径测量方法的目的是提高超大曲率半径测量中各位置的定焦精度，以期实现超大曲率半径的高精度测量。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术公开的双边错位差动共焦超大曲率半径测量方法，在共焦测量光路系统中，通过大、小虚拟针孔共焦特性曲线的横向相减处理来锐化共焦响应特性曲线，通过锐化共焦响应特性曲线的双边错位差动相减处理来实现被测表面的差动共焦双极性定焦测量，通过差动共焦定焦曲线的线性拟合来提升焦点位置捕获精度，进而提高超大曲率半径测量中各位置的定焦精度，以期实现超大曲率半径的高精度测量。本专利技术公开的双边错位差动共焦超大曲率半径测量方法，包括以下步骤：a)打开点光源，点光源发出的光透过分束镜、准直透镜和平行平晶后照射在被测球面元件。b)调整被测球面元件使其与平行平晶和准直透镜共光轴，使准直透镜出射的平行光束经平行平晶和被测球面元件后汇聚成测量光束射向平行平晶A面，平行平晶A面又将汇聚测量光束反射至被测球面元件，从而使平行平晶A面与被测球面元件测量面间形成反射腔，经被测球面元件反射的平行光束又透过平行平晶和准直透镜后被分束镜反射进入到横向相减共焦探测系统。c)沿光轴方向移动被测球面元件使测量光束在反射腔内经过n次反射后聚焦到平行平晶C面的A点位置，在所述A点位置附近轴向扫描被测球面元件，将横向相减共焦探测系统中大虚拟针孔探测域和小虚拟针孔探测域分别探测的大虚拟针孔探测共焦特性曲线IB(z)和小虚拟针孔探测共焦特性曲线IS(z)进行相减处理得到半高宽压缩的锐化共焦特性曲线I(z)＝IS(z)-γIB(z)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子；大虚拟针孔探测域、小虚拟针孔探测域探测共焦特性曲线的的获取和优化方法为：在CCD探测器探测焦前测量艾里斑的每帧图像上选取一个特定大小的同心圆域，对大圆域内的每个像素光强进行积分得到一条共焦强度响应曲线IB(z)，对小圆域内的每个像素光强积分得到一条共焦强度响应曲线IS(z)，然后将IB(z)和IS(z)进行相减处理得到横向相减共焦响应曲线I(z)＝IS(z)-γIB(z)，改变调节因子γ实现共焦特性曲线的优化。d)将锐化共焦特性曲线沿横向坐标平移S得到平移锐化共焦特性曲线，并使锐化共焦特性曲线和平移锐化共焦特性曲线的侧边交汇，对锐化共焦特性曲线和平移锐化共焦本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.双边错位差动共焦超大曲率半径测量方法，其特征在于：包括以下步骤，a)打开点光源(1)，点光源(1)发出的光透过分束镜(2)、准直透镜(3)和平行平晶(4)后照射在被测球面元件(6)；b)调整被测球面元件(6)使其与平行平晶(4)和准直透镜(3)共光轴，使准直透镜(3)出射的平行光束经平行平晶(4)和被测球面元件(6)后汇聚成测量光束(5)射向平行平晶(4)A面，平行平晶(4)A面又将汇聚测量光束(5)反射至被测球面元件(6)，从而使平行平晶(4)A面与被测球面元件(6)测量面间形成反射腔，经被测球面元件(6)反射的平行光束又透过平行平晶(4)和准直透镜(3)后被分束镜(2)反射进入到横向相减共焦探测系统；c)沿光轴方向移动被测球面元件(6)使测量光束(5)在反射腔内经过n次反射后聚焦到平行平晶(4)C面的A点位置，在所述A点位置附近轴向扫描被测球面元件(6)，将横向相减共焦探测系统(7)中大虚拟针孔探测域(11)和小虚拟针孔探测域(12)分别探测的大虚拟针孔探测共焦特性曲线(13)IB(z)和小虚拟针孔探测共焦特性曲线(14)IS(z)进行相减处理得到半高宽压缩的锐化共焦特性曲线(15)I(z)＝IS(z)‑γIB(z)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子；大虚拟针孔探测域(11)、小虚拟针孔探测域(12)探测共焦特性曲线的获取和优化方法为：在CCD探测器(9)探测焦前测量艾里斑(10)的每帧图像上选取一个特定大小的同心圆域，对大圆域内的每个像素光强进行积分得到一条共焦强度响应曲线IB(z)，对小圆域内的每个像素光强积分得到一条共焦强度响应曲线IS(z)，然后将IB(z)和IS(z)进行相减处理得到横向相减共焦响应曲线I(z)＝IS(z)‑γIB(z)，改变调节因子γ实现共焦特性曲线的优化；d)将锐化共焦特性曲线(15)沿横向坐标平移S得到平移锐化共焦特性曲线(16)，并使锐化共焦特性曲线(15)和平移锐化共焦特性曲线(16)的侧边交汇，对锐化共焦特性曲线(15)和平移锐化共焦特性曲线(16)分别进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到错位相减差动共焦特性曲线(17)ID(z)＝I(z)‑I(z,‑S)，利用差动共焦线性拟合直线(18)对错位相减差动共焦特性曲线(17)的线性段数据进行直线拟合，通过反向回移差动共焦点性拟合直线(18)S/2位置的差动共焦拟合直线(20)的移位拟合直线零点(21)来精确确定汇聚测量光束(5)聚焦的焦点位置A，进而得到被测球面元件(6)的位置zn；e)沿光轴方向移动被测球面元件(6)，使测量光束(5)在反射腔内经过m(m≠n)次反射，聚焦到反射腔的一表面附近；在所述位置附近沿轴向扫描被测球面元件(6)，横向相减共焦探测系统(7)通过处理测得的测量艾里斑(10)后得到锐化共焦特性曲线(15)，再对锐化共焦特性曲线(15)进行双边错位相减处理得到与被测球面元件(6)的透镜表面B点对应的错位相减差动共焦特性曲线(17)，主控计算机(23)按着d)的步骤通过对错位相减差动共焦特性曲线(17)再进行线性拟合、拟合直线回移及确定回移拟合直线零点来精确确定被测球面元件(6)的位置zm。f)根据记录的被测球面元件(6)位置zn及zm之间的距离dm‑n，以及由几何光学计算得到的曲率半径r与焦点位置距离dm‑n之间的比例系数...

【技术特征摘要】
1.双边错位差动共焦超大曲率半径测量方法，其特征在于：包括以下步骤，a)打开点光源(1)，点光源(1)发出的光透过分束镜(2)、准直透镜(3)和平行平晶(4)后照射在被测球面元件(6)；b)调整被测球面元件(6)使其与平行平晶(4)和准直透镜(3)共光轴，使准直透镜(3)出射的平行光束经平行平晶(4)和被测球面元件(6)后汇聚成测量光束(5)射向平行平晶(4)A面，平行平晶(4)A面又将汇聚测量光束(5)反射至被测球面元件(6)，从而使平行平晶(4)A面与被测球面元件(6)测量面间形成反射腔，经被测球面元件(6)反射的平行光束又透过平行平晶(4)和准直透镜(3)后被分束镜(2)反射进入到横向相减共焦探测系统；c)沿光轴方向移动被测球面元件(6)使测量光束(5)在反射腔内经过n次反射后聚焦到平行平晶(4)C面的A点位置，在所述A点位置附近轴向扫描被测球面元件(6)，将横向相减共焦探测系统(7)中大虚拟针孔探测域(11)和小虚拟针孔探测域(12)分别探测的大虚拟针孔探测共焦特性曲线(13)IB(z)和小虚拟针孔探测共焦特性曲线(14)IS(z)进行相减处理得到半高宽压缩的锐化共焦特性曲线(15)I(z)＝IS(z)-γIB(z)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子；大虚拟针孔探测域(11)、小虚拟针孔探测域(12)探测共焦特性曲线的获取和优化方法为：在CCD探测器(9)探测焦前测量艾里斑(10)的每帧图像上选取一个特定大小的同心圆域，对大圆域内的每个像素光强进行积分得到一条共焦强度响应曲线IB(z)，对小圆域内的每个像素光强积分得到一条共焦强度响应曲线IS(z)，然后将IB(z)和IS(z)进行相减处理得到横向相减共焦响应曲线I(z)＝IS(z)-γIB(z)，改变调节因子γ实现共焦特性曲线的优化；d)将锐化共焦特性曲线(15)沿横向坐标平移S得到平移锐化共焦特性曲线(16)，并使锐化共焦特性曲线(15)和平移锐化共焦特性曲线(16)的侧边交汇，对锐化共焦特性曲线(15)和平移锐化共焦特性曲线(16)分别进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到错位相减差动共焦特性曲线(17)ID(z)＝I(z)-I(z,-S)，利用差动共焦线性拟合直线(18)对错位相减差动共焦特性曲线(...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵维谦，邱丽荣，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11