[發(fā)明專利]共焦拋物面頂點(diǎn)曲率半徑測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310449577.6
• 申請(qǐng)日: 2013-09-27
• 公開（公告）號(hào): CN103471524A
• 公開（公告）日: 2013-12-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 邱麗榮;楊佳苗;趙維謙;沈陽(yáng);蔣宏偉;徐鵬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B11/255
• 分類號(hào): G01B11/255
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，可用于拋物面焦距和頂點(diǎn)曲率半徑的檢測(cè)與光學(xué)系統(tǒng)裝配過程中的高精度拋物面焦距和頂點(diǎn)曲率半徑測(cè)量。

技術(shù)背景

拋物面由于能將平行光束無像差地聚焦于焦點(diǎn)，因而作為一種重要非球面廣泛地運(yùn)用在反射式天文望遠(yuǎn)鏡、空間光通信、對(duì)地觀測(cè)相機(jī)等光學(xué)系統(tǒng)中。拋物面的頂點(diǎn)曲率半徑?jīng)Q定了光學(xué)系統(tǒng)的焦距及像質(zhì)，因而有關(guān)拋物面頂點(diǎn)曲率半徑的測(cè)量具有重要的意義。

目前，可用于測(cè)量拋物面頂點(diǎn)曲率半徑的方法主要包括接觸式測(cè)量法和非接觸式測(cè)量法兩大類。接觸式測(cè)量法利用三坐標(biāo)機(jī)、激光跟蹤儀等測(cè)量?jī)x器采樣拋物面表面的坐標(biāo)點(diǎn)信息，進(jìn)而通過擬合的方法求得其表面的曲率半徑值。這些方法的單點(diǎn)定位精度通常很高，但是受采集點(diǎn)數(shù)和擬合精度的限制，尤其對(duì)于大頂點(diǎn)曲率半徑的拋物面來說測(cè)量精度很難達(dá)到理想。而且接觸式測(cè)量法測(cè)量速度慢、容易劃傷被測(cè)光學(xué)元件表面。為了解決接觸式頂點(diǎn)曲率半徑測(cè)量存在的問題，學(xué)者們做了很多有價(jià)值的研究，并提出了多種可以用于拋物面頂點(diǎn)曲率半徑非接觸測(cè)量的方法。1986年發(fā)表在Applied?Optics上的《Conic?constant?and?paraxial?radius?of?curvature?measurements?for?conic?surfaces》提出的軸向像差測(cè)量法使用光具座測(cè)得非球面的表面的軸向法線像差和其對(duì)應(yīng)的法線夾角，進(jìn)而通過二次曲面表達(dá)式求解出其頂點(diǎn)曲率半徑。受軸向法線像差和夾角測(cè)量精度的影響，該方法的頂點(diǎn)曲率半徑測(cè)量精度僅能達(dá)到3%。1994年發(fā)表在SPIE上的《Fabrication?and?testing?of?the3.5m,f/1.75WIYN?primary?mirror》提出的干涉測(cè)量法利用干涉圖測(cè)量二次曲面各環(huán)帶曲率中心間的相對(duì)偏離距離，進(jìn)而采用最小二乘法測(cè)得頂點(diǎn)曲率半徑。由于干涉測(cè)量法其定位精度高，因此該方法的頂點(diǎn)曲率半徑測(cè)量精度可以達(dá)到0.02%。2004年發(fā)表在Optics?Communication上的《A?simple?ray?tracing?method?for?measuring?the?vertex?radius?of?curvature?of?an?aspheric?mirror》提出的光線追跡測(cè)量法通過測(cè)量入射光線方程和反射光線的方程獲得非球面表面各點(diǎn)的法線方程，進(jìn)而處理得到其頂點(diǎn)曲率半徑值。該方法的頂點(diǎn)曲率半徑測(cè)量精度可以達(dá)到0.5%。

為了進(jìn)一步提高拋物面頂點(diǎn)曲率半徑的測(cè)量精度，本發(fā)明利用共焦技術(shù)，提出了一種完全不同于上述方法的非接觸高精度拋物面頂點(diǎn)曲率半徑測(cè)量新方法。該方法利用被測(cè)拋物面頂點(diǎn)曲率半徑是其焦距兩倍的關(guān)系，借助部分平面反射鏡構(gòu)成自反射光路，利用共焦技術(shù)精確定位被測(cè)拋物面的焦點(diǎn)位置和頂點(diǎn)位置，進(jìn)而高精度測(cè)得拋物面的焦距及頂點(diǎn)曲率半徑值。

本發(fā)明首次將共焦技術(shù)利用到非球面光學(xué)元件的參數(shù)測(cè)量領(lǐng)域，該技術(shù)相比于以往測(cè)量方法具有測(cè)量精度高、測(cè)量光路簡(jiǎn)潔及智能化程度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，為拋物面頂點(diǎn)曲率半徑高精度非接觸測(cè)量提供了一條行之有效的途徑。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決拋物面頂點(diǎn)曲率半徑的高精度非接觸測(cè)量難題，本發(fā)明提出一種共焦拋物面頂點(diǎn)曲率半徑測(cè)量方法。該方法的核心思想是，利用拋物面可將聚焦于其焦點(diǎn)的光束無像差地準(zhǔn)直成平行光束的特性，結(jié)合部分平面反射鏡構(gòu)建自反射光路，利用共焦響應(yīng)曲線的最大值點(diǎn)精確定位拋物面的頂點(diǎn)及焦點(diǎn)位置，進(jìn)而精確測(cè)得拋物面的焦距及頂點(diǎn)曲率半徑值。

本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

本發(fā)明提出的共焦拋物面頂點(diǎn)曲率半徑測(cè)量方法是基于共焦元件參數(shù)測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)的，該裝置包括點(diǎn)光源、分光鏡、準(zhǔn)直透鏡、物鏡、共焦測(cè)量系統(tǒng)；其中，分光鏡、準(zhǔn)直透鏡、物鏡放置在光的出射方向，共焦測(cè)量系統(tǒng)放置在分光鏡的反射方向；準(zhǔn)直透鏡將點(diǎn)光源發(fā)出的光準(zhǔn)直成平行光，平行光經(jīng)物鏡會(huì)聚后形成測(cè)量光束用于測(cè)量；在測(cè)量過程中，反射回來的光束由分光鏡反射后進(jìn)入共焦測(cè)量系統(tǒng)用于產(chǎn)生共焦響應(yīng)曲線。

本發(fā)明的一種共焦拋物面頂點(diǎn)曲率半徑測(cè)量方法，包括以下步驟：

(a)打開點(diǎn)光源，其發(fā)出的光經(jīng)分光鏡、準(zhǔn)直透鏡和物鏡后透過部分平面反射鏡照射在被測(cè)拋物面上，由被測(cè)拋物面的表面反射，反射回來的光由分光鏡反射進(jìn)入共焦測(cè)量系統(tǒng)；

(b)調(diào)整部分平面反射鏡和被測(cè)拋物面，使其均與物鏡共光軸，準(zhǔn)直透鏡將點(diǎn)光源產(chǎn)生的光準(zhǔn)直成平行光，平行光經(jīng)物鏡會(huì)聚后形成測(cè)量光束透過部分平面反射鏡照射在被測(cè)拋物面上；