双差动共焦球面曲率半径快速相对测量方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开的双差动共焦球面曲率半径快速相对测量方法与装置，属于光学精密测量技术领域。本发明专利技术在同一批被测元件中挑选一个已知曲率半径R0的元件作为样板S0，并在其共焦位置处进行扫描以获得双差动共焦光强响应曲线及其线性段拟合方程；依次装卡被测件S

【技术实现步骤摘要】
双差动共焦球面曲率半径快速相对测量方法与装置


[0001]本专利技术涉及双差动共焦球面曲率半径快速相对测量方法与装置，属于光学精密测量


技术介绍

[0002]球面光学元件被大量应用于医学检测、数码相机等光学系统中，因此球面光学元件具有极大的需求量和生产量。球面光学元件曲率半径的精度直接决定了光学系统的性能，因此，其检测精度在光学测量领域具有重大意义。
[0003]目前，曲率半径的测量方法可以分为接触式与非接触式两种：
[0004]常见的接触式测量方法包括样板法、球径仪法、三坐标法，激光跟踪法等。样板法与球径仪法操作简便，测量速度快。然而样板法受样板自身精度和被测镜之间应力变化影响，其测量精度不高且受测量人员主观因素影响；而球径仪法测量精度仅为30ppm，且该方法测量精度随曲率半径值增大而降低。三坐标法是通过对被测球面进行扫描，得到最佳拟合球作为曲率半径的测量结果，其测量精度为20ppm。然而该方法不适用小曲率半径测量，且测量效率低。激光跟踪法通过测量一个激光跟踪球的半径，计算得到待测球的曲率半径，其相对测量精度为18ppm，该方法仅适用于大口径的球面元件测量，且测量流程较为繁琐。上述接触式测量方法都具有易划伤被测样品表面的固有缺陷。
[0005]非接触式测量方法主要包括几何光学法和干涉测量法。几何光学法包括刀口阴影法、自准直法等。其中，刀口阴影法测曲率半径值，操作简便，但是测量精度不高，仅50ppm。自准直法仅适用于大口径元件曲率半径测量，其测量5m以上曲率半径时精度为500ppm。对于干涉测量法，是目前广为应用的高精度测量方法。经典的干涉法利用相位测量干涉仪分别对被测球面的猫眼位置和共焦位置进行定焦，进而得到待测曲率半径，测量精度可达10ppm。在此基础上，Jan.K等人提出了基于波长调谐移相的绝对干涉测量快速检测方法，其测量精度为10ppm。然而干涉法存在姿态调整过程较为繁琐，装卡后需较长时间稳定干涉条纹等问题，此外干涉条纹极易受到气流、温度、震动等环境因素环境干扰，因而该方法的效率不高。
[0006]本专利技术人课题组于2010年提出了激光差动共焦曲率半径测量方法，该方法利用利用差动共焦光强响应曲线的绝对零点精确对应测量光束焦点这一特性来对被测表面的猫眼位置和共焦位置分别定焦，进而得到待测曲率半径。该方法精度可达5ppm，但是仍需要对猫眼位置与共焦位置两点进行扫描定焦，还需要进行较为繁琐的姿态调整过程。因此该方法效率有待进一步提高。

技术实现思路

[0007]为了解决批量球面元件曲率半径高精度测试效率低的问题，本专利技术的主要目的是提供一种双差动共焦球面曲率半径快速相对测量方法与装置，利用双差动精准定焦，将曲率半径的绝对测量过程，转变为基于样板的相对测量，既能够保留差动共焦高精度测量的
优势，又能够显著提高测量效率，进而实现高效、快速、便捷地检测球面元件的曲率半径，实现大批量球面元件的高效率、高精度加工检测。
[0008]本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。
[0009]本专利技术公开的双差动共焦球面曲率半径快速相对测量方法，包括步骤如下：
[0010]步骤一：在批量元件中选定与被测镜同批次的样板S0，样板的元件参数的名义值和N个同批次被测镜S1‑
S
N
相同。
[0011]所述元件参数包括曲率半径、口径、表面反射率。
[0012]步骤二：利用双差动共焦定焦系统在S0共焦位置附近进行扫描，对采集到的光强信号进行双差动处理得到双差动共焦曲线，对该曲线的线性段进行线性拟合得到拟合直线l
DDC
(z)，根据l
DDC
(z)零点的轴向位置坐标将S0精确位于共焦位置，实现被测元件的精准定焦。
[0013]步骤三：从立式卡具上取下S0并依次装卡被测镜S
n
，n＝1～N，该过程通过被测镜自身重力保证S
n
的重复空间定位。利用双差动共焦定焦系统采集装卡S
n
后的双差动光强值，并将其映射到l
DDC
(z)进而得到离焦量Δz
n
，保证批量元件的快速测量。
[0014]步骤四：利用换算关系，由标定样板曲率半径R0和离焦量Δz
n
计算被测曲率半径R
n
，既能够保留差动共焦高精度测量的优势，又能够显著提高测量效率，进而实现高效、快速、便捷地检测球面元件的曲率半径。
[0015]作为优选，步骤四实现方法为：
[0016]利用如下公式所示的换算关系，由标定样板曲率半径R0和离焦量Δz
n
计算被测曲率半径R
n
，，既能够保留差动共焦高精度测量的优势，又能够显著提高测量效率，进而实现高效、快速、便捷地检测球面元件的曲率半径。
[0017][0018]其中，R0为标定样板S0的曲率半径，R
n
为被测样品的曲率半径，Δz
n
代表标定样板球心O0和被测样品球心On之间的轴向偏移量，D
F
为支撑夹具的装卡直径。
[0019]作为优选，步骤四实现方法为：
[0020]利用如下公式所示的换算关系，由标定样板曲率半径R0和离焦量Δz
n
计算被测曲率半径R
n
，既能够保留差动共焦高精度测量的优势，又能够显著提高测量效率，进而实现高效、快速、便捷地检测球面元件的曲率半径。
[0021][0022]其中，R0为标定样板S0的曲率半径，R
n
为被测样品的曲率半径，Δz
n
代表标定样板球心O0和被测样品球心O
n
之间的轴向偏移量，D
F
为支撑夹具的装卡直径。
[0023]本专利技术公开的双差动共焦球面曲率半径快速相对测量方法，采用双差动共焦探测技术得到双差动共焦曲线，通过被测元件反射的测量光经过显微物镜，成像在CCD探测面。根据探测得到的光强响应并作双差动处理，得到双差动共焦响应曲线，被测件双差动光强值I
DDC
(Δz
n
)表示为：
[0024][0025]其中，I
A
(Δz
n
)表示为焦前处的光强值、I
B
(Δz
n
)为焦后处的光强值、I
C
(Δz
n
)为共焦处的光强值。通过线性拟合获得高斜率、长线性范围的拟合直线，以此保证曲率半径测量精度和测量范围。
[0026]本专利技术公开的双差动共焦球面曲率半径快速相对测量方法，通过阈值设定I
ts
，判断离焦量是否处于线性响应区间内。将样板S0扫描处理得到的光强响应I
A
、I
B
、I
C
进行求和，得到光强响应和I
sum
：
[0027]I
sum
＝I...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.双差动共焦球面曲率半径快速相对测量方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：在批量元件中选定与被测镜同批次的样板S0，样板的元件参数的名义值和N个同批次被测镜S1‑
S
N
相同；所述元件参数包括曲率半径、口径、表面反射率；步骤二：利用双差动共焦定焦系统在S0共焦位置附近进行扫描，对采集到的光强信号进行双差动处理得到双差动共焦曲线，对该曲线的线性段进行线性拟合得到拟合直线l
DDC
(z)，根据l
DDC
(z)零点的轴向位置坐标将S0精确位于共焦位置，实现被测元件的精准定焦；步骤三：从立式卡具上取下S0并依次装卡被测镜S
n
，n＝1～N，该过程通过被测镜自身重力保证S
n
的重复空间定位；利用双差动共焦定焦系统采集装卡S
n
后的双差动光强值，并将其映射到l
DDC
(z)进而得到离焦量Δz
n
，保证批量元件的快速测量；步骤四：利用换算关系，由标定样板曲率半径R0和离焦量Δz
n
计算被测曲率半径R
n
，既能够保留差动共焦高精度测量的优势，又能够显著提高测量效率，进而实现高效、快速、便捷地检测球面元件的曲率半径。2.根据权利要求1所述的双差动共焦球面曲率半径快速相对测量方法，其特征在于：采用双差动共焦探测技术得到双差动共焦曲线，通过被测元件反射的测量光经过显微物镜，成像在CCD探测面；根据探测得到的光强响应并作双差动处理，得到双差动共焦响应曲线，被测件双差动光强值I
DDC
(Δz
n
)表示为：其中，I
A
(Δz
n
)表示为焦前处的光强值、I
B
(Δz
n
)为焦后处的光强值、I
C
(Δz
n
)为共焦处的光强值；通过线性拟合获得高斜率、长线性范围的拟合直线，以此保证曲率半径测量精度和测量范围。3.根据权利要求1所述的双差动共焦球面曲率半径快速相对测量方法，其特征在于：通过阈值设定I
ts
，判断离焦量是否处于线性响应区间内；将样板S0扫描处理得到的光强响应I
A
、I
B
、I
C
进行求和，得到光强响应和I
sum
：I
sum
＝I
A
+I
B
+I
C
其中，I
A
表示为焦前处的光强值、I
B
为焦后处的光强值、I
C
为共焦处的光强值；当被测件S
n
采集的单点光强响应和I
sumn
>I
ts
时，判定该双差...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨帅，汤亮，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：