[發明專利]共焦自準直中心偏和曲率半徑測量方法與裝置

有效

• 申請號: 201710991322.0
• 申請日: 2017-10-23
• 公開（公告）號: CN107843213B
• 公開（公告）日: 2020-06-16
• 發明（設計）人: 趙維謙;葛洪;邱麗榮
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01B11/27
• 分類號: G01B11/27;G01B11/255;G01M11/02
• 代理公司: 北京理工正陽知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 唐華

本發明屬于光學精密加工檢測技術領域，涉及一種共焦自準直中心偏和曲率半徑測量方法與裝置。該方法利用共焦層析定焦方法對被測鏡的球心和頂點進行定焦、借助位置探測系統測得定焦點的位置、計算得到被測鏡的曲率半徑，利用自準直方法探測被測鏡旋轉過程中反射光在探測面上的路徑從而獲得被測鏡的偏心量，然后綜合偏心量和曲率半徑計算得出中心偏。本發明首次將共焦層析定焦原理應用到中心偏測量領域中，改進了傳統的自準直中心偏測量方法，并且發明了共焦自準直中心偏和曲率半徑測量裝置，測量結果表明，該方法具有測量精度高、量程大、效率高、無需重復裝卡的優點，可用于光學元件中心偏和曲率半徑的精密加工檢測。

技術領域

本發明屬于光學精密加工檢測技術領域，將共焦層析定焦技術與自準直中心偏測量技術相結合，涉及共焦自準直中心偏和曲率半徑測量方法與裝置，可用于球面透鏡與球面反射鏡中心偏及曲率半徑的測量和透鏡組的中心偏檢測與最佳光軸擬合。

技術背景

光學元件的中心偏是光學儀器制造誤差中一項對整機光學裝配質量影響較大,同時也較難控制的誤差。中心偏的存在破壞了光學系統的共軸性,導致成像的像散性和畸變的不對稱性。因此，對于中心偏的精確測量和校正具有重要意義。已有的中心偏測量法分為接觸式方法和非接觸式方法兩大類。接觸式方法只適用于透鏡加工階段，包括球面接觸式定心法和非球面接觸式定心法。球面接觸式定心法利用同軸夾頭借助彈簧力夾緊兩個球面，再旋轉球面透鏡進行定心加工，這種方法可以實現自動定心，但定心精度低且不能測量偏心數據；非球面接觸式定心法，引入點探測探針來測量透鏡的軸向位置、壓電位移傳感器來測量透鏡的橫向位置，定心精度能達0.5′，但仍然無法得到準確的偏心數據。而非接觸式方法可以測量加工完成的透鏡，這種方法利用透鏡的光學特性進行檢測，包括激光定心測量、干涉偏心測量和自準直中心偏測量等方法。

激光定心測量方法是一種把激光束打在透鏡表面，借助透鏡表面的反射，獲得透鏡表面形貌，從而測得偏心量的方法，包括點掃描定心測量法、線掃描定心測量法和結構光定心測量法等。點掃描定心測量法利用細光束對透鏡表面逐點掃描，記錄光束經透鏡表面反射后每個掃描點的高度信息，然后綜合所有掃描點的高度信息重建透鏡表面形貌，從而測得透鏡偏心量，這種方法可以測量球面和非球面透鏡的偏心，但是掃描時間長，測量效率低，且只能測量單個表面的偏心；線掃描定心測量法利用線激光對透鏡表面進行掃描，然后重建表面形貌，獲得透鏡偏心量，這種方法提高了掃描效率，但仍然只能測量單個表面的偏心；結構光定心測量法將結構光打在透鏡表面，同時獲得表面各點的高度信息，然后綜合各點高度信息重建表面形貌，測得偏心，這種方法不需要掃描透鏡表面，提高了測量效率，但也只能測量單個表面的偏心。

干涉偏心測量方法包括等厚條紋偏心測量法、調諧光角動量偏心測量法和循環光路干涉中心偏測量法等。等厚條紋偏心測量法通過待測透鏡與標準鏡之間的等厚干涉獲得干涉圖，通過干涉圖中條紋的變化得到被測透鏡的偏心量，進而得到中心偏角，這種方法的測量精度可達0.12″，但這種方法對于測量環境的要求很高，當環境存在干擾時，條紋會產生明顯的畸變，因而無法應用到復雜的加工、裝配環境中；調諧光角動量偏心法運用線偏振激光經過螺旋相位板產生螺旋光束，透過被測透鏡后產生衍射圖，通過衍射圖中的次級衍射條紋解算角動量，通過角動量的偏轉獲得透鏡的中心偏，其測量精度能達0.1″，這種方法簡化了測量光路，但仍然需要嚴格的實驗室環境；循環光路干涉中心偏測量法利用循環光路，將被測透鏡放置在干涉光路的測量臂中，借助分光鏡使測量光能夠正反兩個方向入射被測鏡分別發生干涉，通過兩個干涉條紋中心的分離情況獲得被測鏡的中心偏，其測量精度可達0.1″，這種方法提高了干涉光路的光能利用率，但仍無法脫離嚴格的實驗室環境。