[發明專利]一種激光差動共焦曲率半徑測量方法與裝置

有效

• 申請號: 201811342350.0
• 申請日: 2018-11-13
• 公開（公告）號: CN109269443B
• 公開（公告）日: 2019-09-24
• 發明（設計）人: 趙維謙;邱麗榮;楊帥
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01B11/255
• 分類號: G01B11/255
• 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: 鄔曉楠

本發明涉及一種激光差動共焦曲率半徑測量方法與裝置，屬于光學精密測量技術領域。本方法利用后置光瞳遮擋一半測量光束，使用分光瞳差動共焦探測系統對測量光束進行探測，得到差動共焦響應曲線，利用差動共焦響應曲線的絕對零點分別對球面元件的表面頂點位置和球心位置進行精確定焦，進而得到元件的曲率半徑。本發明首次將后置分光瞳激光差動共焦技術用于球面元件曲率半徑的高精度檢測，僅用一路探測器實現差動共焦定焦及曲率半徑測量，系統結構簡單，裝調難度降低，避免了更換被測鏡可能導致的定焦精度下降，進而提高了測量精度；對差動共焦響應曲線零點附近的數據進行線性擬合，實現快速觸發定焦及測量，使測量速度、精度及抗散射能力大大提升。

技術領域

本發明涉及一種激光差動共焦曲率半徑測量方法與裝置，可用于球面元件曲率半徑的非接觸式高精度測量，屬于光學精密測量技術領域。

背景技術

在光學系統、慣性導航系統、飛機發動機傳動系統中，球面元件都是最重要的元件之一。而球面元件的曲率半徑是決定元件整體性能最為關鍵的參數，因此對球面元件的曲率半徑進行高精度測量具有重要意義。

針對球面的曲率半徑測量，目前已有的測量方法有：球面樣板法、球徑儀法、自準直法、干涉儀法、刀口儀法、牛頓環法、激光剪切干涉儀法以及莫爾偏析法等。球面樣板法和球徑儀法屬接觸測量，測量方法簡單，零件不需拋光，但球面樣板法只適用于小曲率半徑測量，測量精度受樣板面形影響較大，并且在接觸測量過程中，會因球面磨損和擠壓帶來測量誤差；自準直法屬于非接觸測量，但零件需要拋光處理，光路調整較復雜，調焦和對準難度較大，會帶來測量過程中的系統誤差；干涉儀法、刀口儀法、牛頓環法、激光剪切干涉儀法以及莫爾偏析法一般用于大曲率半徑的測量。干涉儀法在測量過程中易受溫度、氣流、振動、噪聲等因素的干擾，對測量精度影響較大。

2002年浙江大學提出了一種利用激光偏振干涉體系產生非接觸的牛頓環并與CCD圖像處理技術相結合的測量方法。該方法通過移動五角棱鏡或被測元件并用CCD列陣測得兩組干涉牛頓條紋后，通過計算機對兩組圖像的處理計算得到被測元件表面的曲率半徑。該方法可測量的曲率半徑為1～25m，具有很寬的測量范圍；并且該方法為非接觸測量，不會損壞高精度被測元件表面。

2004年美國計量院的Wang Quandou及其工作小組構建了一臺超高精度的移相干涉儀XCALIBIR，該干涉儀可以用于測量球面的曲率半徑。該方法通過參考球面與被測元件球面產生的移相干涉圖像來計算得到被測元件球面的曲率半徑。該方法通過對于環境的苛刻控制，補償十余項誤差后，其曲率半徑測量精度達到了0.003％。

2006年南京理工大學研究了一種由單幅靜態干涉圖測量球面曲率半徑的方法。該方法針對小曲率半徑的球面用林尼克干涉顯微鏡得到被測球面的靜態干涉圖，基于阻尼最小二乘法擬合干涉條紋的光強曲線，得到被測小球面面形的多項式表達式，并由此計算出被測件的曲率半徑。該方法通過對已知曲率半徑的標準微小凸球面樣板的測量，得到相對誤差為0.093％的測量結果。

同年，Xianyang Cai等人提出了大曲率半徑測量的一種新方法，該方法將斐索干涉儀與變焦鏡頭相結合構成了一套緊湊的測量儀器，同時可以測量具有大曲率半徑的凹球面曲率半徑和凸球面曲率半徑。對于曲率半徑為10m的球面，其測量精度為0.04％。

2008年，Wang Quandou在移相干涉儀測量曲率半徑的基礎上，引入全息技術，用于大曲率半徑球面的曲率半徑測量。該方法通過在檢測光路中引入菲涅爾全息板，壓縮光路整體長度，可實現曲率半徑大于10m的鏡面的高精度檢測。

本發明人于2009年提出了一種利用差動共焦原理來對曲率半徑進行高精度測量的方法，并申請國家發明專利“差動共焦曲率半徑測量方法與裝置”。該方法將差動共焦顯微原理擴展到曲率半徑測量領域，具有測量精度高、抗環境干擾能力強的優點。但是需要同時使用兩路探測器，需精確調整兩探測器的離焦量，并且會聚透鏡數值孔徑改變后，原有離焦量可能不再適合，造成定焦精度降低。