差动共焦抛物面顶点曲率半径测量方法技术

本发明专利技术属于光学精密测量技术领域，涉及一种差动共焦抛物面顶点曲率半径测量方法。该方法利用抛物面可将聚焦于其焦点的光束无像差地准直成平行光束的特性，结合部分平面反射镜构建自反射光路，利用差动共焦响应曲线的过零点位置精确定位抛物面的顶点及焦点位置，进而精确测得抛物面的焦距及顶点曲率半径值。本发明专利技术首次提出将差动共焦测量技术扩展到抛物面顶点曲率半径测量领域，具有测量精度高、抗环境干扰能力强的优点，可用于抛物面顶点曲率半径的高精度检测。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术属于光学精密测量
，涉及一种。该方法利用抛物面可将聚焦于其焦点的光束无像差地准直成平行光束的特性，结合部分平面反射镜构建自反射光路，利用差动共焦响应曲线的过零点位置精确定位抛物面的顶点及焦点位置，进而精确测得抛物面的焦距及顶点曲率半径值。本专利技术首次提出将差动共焦测量技术扩展到抛物面顶点曲率半径测量领域，具有测量精度高、抗环境干扰能力强的优点，可用于抛物面顶点曲率半径的高精度检测。【专利说明】
本专利技术属于光学精密测量
，可用于抛物面焦距和顶点曲率半径的检测与光学系统装配过程中的高精度抛物面焦距和顶点曲率半径测量。技术背景抛物面由于能将平行光束无像差地聚焦于焦点，因而作为一种重要非球面广泛地运用在反射式天文望远镜、空间光通信、对地观测相机等光学系统中。抛物面的顶点曲率半径决定了光学系统的焦距及像质，因而有关抛物面顶点曲率半径的测量具有重要的意义。目前，可用于测量抛物面顶点曲率半径的方法主要包括接触式测量法和非接触式测量法两大类。接触式测量法利用三坐标机、激光跟踪仪等测量仪器采样抛物面表面的坐标点信息，进而通过拟合的方法求得其表面的曲率半径值。这些方法的单点定位精度通常很高，但是受采集点数和拟合精度的限制，尤其对于大顶点曲率半径的抛物面来说测量精度很难达到理想。而且接触式测量法测量速度慢、容易划伤被测光学元件表面。为了解决接触式顶点曲率半径测量存在的问题，学者们做了很多有价值的研究，并提出了多种可以用于抛物面顶点曲率半径非接触测量的方法。1986年发表在Applied Optics上的《Conicconstant and paraxial radius of curvature measurements for conic surfaces〉〉提出的轴向像差测量法使用光具座测得非球面的表面的轴向法线像差和其对应的法线夹角，进而通过二次曲面表达式求解出其顶点曲率半径。受轴向法线像差和夹角测量精度的影响，该方法的顶点曲率半径测量精度仅能达到3%。1994年发表在SPIE上的《Fabrication andtesting of the3.5m, f/1.75WIYN primary mirror》提出的干涉测量法利用干涉图测量二次曲面各环带曲率中心间的相对偏离距离，进而采用最小二乘法测得顶点曲率半径。由于干涉测量法其定位精度高，因此该方法的顶点曲率半径测量精度可以达到0.02%。2004年发表在 Optics Communication 上的〈〈A simple ray tracing method for measuring thevertex radius of curvature of an aspheric mirror》提出的光线追迹测量法通过测量入射光线方程和反射光线的方程获得非球面表面各点的法线方程，进而处理得到其顶点曲率半径值。该方法的顶点曲率半径测量精度可以达到0.5%。为了进一步提高抛物面顶点曲率半径的测量精度，本专利技术利用差动共焦技术，提出了一种完全不同于上述方法的非接触高精度抛物面顶点曲率半径测量新方法。该方法利用被测抛物面顶点曲率半径是其焦距两倍的关系，借助部分平面反射镜构成自反射光路，利用差动共焦技术精确定位被测抛物面的焦点位置和顶点位置，进而高精度测得抛物面的焦距及顶点曲率半径值。本专利技术首次将差动共焦技术利用到非球面光学元件的参数测量领域，该技术相比于以往测量方法具有测量精度高、抗干扰能力强及智能化程度高等诸多优点，为抛物面顶点曲率半径高精度非接触测量提供了一条行之有效的途径。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决抛物面顶点曲率半径的高精度非接触测量难题，提出一种。该方法的核心思想是，利用抛物面可将聚焦于其焦点的光束无像差地准直成平行光束的特性，结合部分平面反射镜构建自反射光路，利用差动共焦响应曲线的过零点位置精确定位抛物面的顶点及焦点位置，进而精确测得抛物面的焦距及顶点曲率半径值。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的。本专利技术提出的是基于差动共焦元件参数测量装置实现的，该装置包括点光源、分光镜、准直透镜、物镜、差动共焦测量系统；其中，分光镜、准直透镜、物镜放置在光的出射方向，差动共焦测量系统放置在分光镜的反射方向；准直透镜将点光源发出的光准直成平行光，平行光经物镜会聚后形成测量光束用于测量；在测量过程中，反射回来的光束由分光镜反射后进入差动共焦测量系统用于产生差动共焦响应曲线。本专利技术的一种，包括以下步骤:(a)打开点光源，其发出的光经分光镜、准直透镜和物镜后透过部分平面反射镜照射在被测抛物面上，由被测抛物面的表面反射，反射回来的光由分光镜反射进入差动共焦测量系统；(b)调整部分平面反射镜和被测抛物面，使其均与物镜共光轴，准直透镜将点光源产生的光准直成平行光，平行光经物镜会聚后形成测量光束透过部分平面反射镜照射在被测抛物面上；(C)沿光轴方向移动被测抛物面，使测量光束的聚焦焦点与被测抛物面表面接近，由被测抛物面反射回来的光束经分光镜反射后进入差动共焦测量系统；在该位置附近扫描被测抛物面，由差动共焦测量系统测得差动共焦响应曲线，通过差动共焦响应曲线的零点来确定测量光束的焦点与被测抛物面的表面相重合，进而精确确定被测抛物面的顶点位置，记录此时被测抛物面的位置Z1 ;(d)继续将被测抛物面沿光轴方向移动，使测量光束的聚焦焦点与被测抛物面的焦点位置接近，此时测量光束经被测抛物面反射后形成平行光束照射在部分平面反射镜上，由部分平面反射镜反射后沿原光路返回，反射回来的光束经分光镜反射后进入差动共焦测量系统；在该位置附近扫描被测抛物面，由差动共焦测量系统测得差动共焦响应曲线，通过差动共焦响应曲线的零点来确定测量光束的焦点与被测抛物面的焦点相重合，进而精确确定被测抛物面的焦点位置，记录此时被测抛物面的位置Z2 ;(e)根据上述两次定焦得到的被测抛物面位置Zl、Z2之间的距离d，即可测得被测抛物面的焦距f'=Cl=Z1-Z2，被测抛物面的顶点曲率半径r=2f' =2d=2 (Z1-Z2)0本专利技术所述的，还可以在光路中增加环形光瞳对测量光束进行调制，形成环形光束，降低定焦时波相差对测量光束的影响，提高定焦精度。本专利技术所述的，还可以在测量光束中增加焦深压缩光学系统，使其与差动共焦测量系统配合工作，提高定焦灵敏度。本专利技术所述的，还可以对点光源发出的光进行光强调制，由差动共焦测量系统中的光强传感器探测得到受调制的差动共焦响应信号，将该调制信号解调后得到差动共焦响应曲线，提高系统的定焦灵敏度。有益效果:本专利技术对比已有技术具有以下创新点:1.首次提出将差动共焦测量方法应用到抛物面焦距及顶点曲率半径的测量领域，利用抛物面可将聚焦于其焦点的光束无像差地准直成平行光束的特性，结合部分平面反射镜构建自反射光路，利用差动共焦响应曲线的过零点位置精确定位抛物面的顶点及焦点位置，进而精确测得抛物面的焦距及顶点曲率半径值；2.本测量方法中，差动共焦原理以光强响应曲线作为定焦判据，并配合差动共焦系统进行光强调制与滤波，能有效削减空气扰动等环境干扰对测量精度的影响；3.在光路中引入环形光瞳，遮挡近轴光线，形成空心的测量光锥，削减了像差的对测量结果的影响。本专利技术对比已有技术具有以本文档来自技高网...

【技术保护点】
差动共焦抛物面顶点曲率半径测量方法，其特征在于：(a)打开点光源，其发出的光经分光镜、准直透镜和物镜后透过部分平面反射镜照射在被测抛物面上，由被测抛物面的表面反射，反射回来的光由分光镜反射进入差动共焦测量系统；(b)调整部分平面反射镜和被测抛物面，使其均与物镜共光轴，准直透镜将点光源产生的光准直成平行光，平行光经物镜会聚后形成测量光束透过部分平面反射镜照射在被测抛物面上；(c)沿光轴方向移动被测抛物面，使测量光束的聚焦焦点与被测抛物面表面接近，由被测抛物面反射回来的光束经分光镜反射后进入差动共焦测量系统；在该位置附近扫描被测抛物面，由差动共焦测量系统测得差动共焦响应曲线，通过差动共焦响应曲线的零点来确定测量光束的焦点与被测抛物面的表面相重合，进而精确确定被测抛物面的顶点位置，记录此时被测抛物面的位置z1；(d)继续将被测抛物面沿光轴方向移动，使测量光束的聚焦焦点与被测抛物面的焦点位置接近，此时测量光束经被测抛物面反射后形成平行光束照射在部分平面反射镜上，由部分平面反射镜反射后沿原光路返回，反射回来的光束经分光镜反射后进入差动共焦测量系统；在该位置附近扫描被测抛物面，由差动共焦测量系统测得差动共焦响应曲线，通过差动共焦响应曲线的零点来确定测量光束的焦点与被测抛物面的焦点相重合，进而精确确定被测抛物面的焦点位置，记录此时被测抛物面的位置z2；(e)根据上述两次定焦得到的被测抛物面位置z1、z2之间的距离d，即可测得被测抛物面的焦距f′=d=z1?z2，被测抛物面的顶点曲率半径r=2f′=2(z1?z2)。...

【技术特征摘要】

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