反射腔式共焦超大曲率半徑測量方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光學(xué)精密測量【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種反射腔式共焦超大曲率半徑測量方法。該方法通過共焦定焦原理配合平行平晶精確定位被測表面的焦點(diǎn)位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超大曲率半徑的高精度測量。本發(fā)明提出共焦定焦原理與反射腔式折疊光路原理相結(jié)合的方法，具有被測件移動(dòng)距離小、光路簡單、測量精度高、測量速度快、抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)、對被測表面無損傷等優(yōu)點(diǎn)，可用于超大曲率半徑的高精度非接觸測量。
【專利說明】反射腔式共焦超大曲率半徑測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)精密測量【技術(shù)領(lǐng)域】，可用于超大曲率半徑的檢測與光學(xué)系統(tǒng)裝配過程中的高精度超大曲率半徑測量。
技術(shù)背景
[0002]高精度的球面元件廣泛應(yīng)用于光刻機(jī)、天文望遠(yuǎn)鏡、激光核聚變等大型光學(xué)系統(tǒng)中，隨著這些系統(tǒng)工程的推進(jìn)，對球面光學(xué)元件曲率半徑特別是大曲率半徑參數(shù)的測量提出了更高的要求。而大型光學(xué)元件曲率半徑的測量，因其存在定焦瞄準(zhǔn)精度低、測量路徑長且易受環(huán)境狀態(tài)因素干擾等，其一直是光學(xué)領(lǐng)域測量的難題之一，也是空間光學(xué)系統(tǒng)、高能激光器、激光核聚變等大型光學(xué)系統(tǒng)研制中亟待解決的技術(shù)瓶頸。這一技術(shù)特征在空間光學(xué)儀器、高能激光器、激光核聚變工程等國家重大專項(xiàng)和國家重大工程中將體現(xiàn)的尤為迫切。
[0003]針對曲率半徑測量，國內(nèi)學(xué)者提出了一些測量方法，包括2007年王中林及其工作組在應(yīng)用光學(xué)中發(fā)表的《基于白光干涉的光學(xué)球面半徑測量研究》，此類技術(shù)主要采用了莫爾光柵位移測量系統(tǒng)、邁克爾遜白光干涉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)精確測量，該系統(tǒng)采用了光學(xué)無損測量方法，避免了接觸性測量對光學(xué)表面的損害；利用數(shù)字圖像處理技術(shù)可直接對圖像進(jìn)行處理并根據(jù)圖像測量數(shù)據(jù)計(jì)算得到測量結(jié)果，減少了目視光學(xué)測量系統(tǒng)調(diào)焦對準(zhǔn)誤差，與傳統(tǒng)方法相比靈敏度有所提高，但此系統(tǒng)需要測量的參數(shù)較多，仍無法滿足大曲率半徑高精度測量的需求。
[0004]相比較國外的曲率半徑測量技術(shù)，2006年Xianyang Cai等人在OpticalEngineering 中發(fā)表的《Compact system for measurement of optical surfaces havinga large radius of curvature》一文中，提出一種將斐索干涉儀與變焦鏡頭相結(jié)合的方法與裝置，用于測量大曲率半徑，對于曲率為IOm的半徑，其測量精度為0.04%。2008年，WangQuandou將移相干涉與全息技術(shù)相結(jié)合，通過在大曲率半徑檢測光路中引入菲涅爾全息板，壓縮光路整體長度，可實(shí)現(xiàn)曲率半徑大于IOm的鏡面的高精度檢測。但由于采用干涉儀，測量過程中易受溫度、氣流、振動(dòng)等環(huán)境狀態(tài)因素的干擾，對測量環(huán)境提出了苛刻的要求。
[0005]近年來，國內(nèi)外顯微成像領(lǐng)域的共焦技術(shù)迅速發(fā)展，與傳統(tǒng)測量方法相比具有良好的層析能力，較高的軸向定位瞄準(zhǔn)精度，較高的環(huán)境抗干擾能力；與差動(dòng)共焦技術(shù)相比，共焦技術(shù)光路簡單，易于實(shí)現(xiàn)。
[0006]本發(fā)明提出一種反射腔式共焦超大曲率半徑測量方法，相比于傳統(tǒng)測量方法具有測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)及智能化程度高等諸多優(yōu)點(diǎn)，并且該技術(shù)易與環(huán)形光瞳濾波器等技術(shù)融合，能更進(jìn)一步提聞測量精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是為了解決超大曲率半徑的高精度測量問題，提出一種反射腔式共焦超大曲率半徑測量方法。該反射腔式共焦超大曲率半徑測量方法的核心思想是，利用共焦測量技術(shù)并借助平行平晶，對被測表面的焦點(diǎn)位置進(jìn)行精確定位，繼而由幾何光學(xué)原理得到被測透鏡的曲率半徑。
[0008]本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0009]本發(fā)明的一種反射腔式共焦超大曲率半徑測量方法，包括以下步驟:
[0010](a)打開點(diǎn)光源，其發(fā)出的光經(jīng)分光鏡、準(zhǔn)直透鏡和平行平晶后進(jìn)入由平行平晶后表面與被測表面組成的反射腔內(nèi)，在被測表面上反射形成會(huì)聚光束，經(jīng)平行平晶后表面和被測表面n次反射，在反射腔表面聚焦，然后沿原光路返回，反射回來的光由分光鏡反射進(jìn)入共焦測量系統(tǒng)；
[0011](b)調(diào)整平行平晶和被測件，使平行平晶和被測件被測表面與準(zhǔn)直透鏡共光軸；
[0012](c)沿光軸方向移動(dòng)被測件，使會(huì)聚光束在反射腔內(nèi)經(jīng)過n次反射，聚焦到反射腔的一表面附近。在該位置附近掃描被測件，由共焦測量系統(tǒng)測得共焦響應(yīng)曲線，通過共焦響應(yīng)曲線的最大值點(diǎn)來精確確定會(huì)聚光束的焦點(diǎn)與該反射腔表面相重合，記錄此時(shí)被測件的位置Zn ；
[0013](d)將被測件沿光軸移動(dòng)，使會(huì)聚光束在反射腔內(nèi)經(jīng)過m(m古n)次反射，聚焦到反射腔的一表面附近。在該位置附近掃描被測件，由共焦測量系統(tǒng)測得共焦響應(yīng)曲線，通過共焦響應(yīng)曲線的最大值點(diǎn)來精確確定會(huì)聚光束的焦點(diǎn)與該反射腔表面相重合，記錄此時(shí)被測件的位置Zm ;
[0014](e)根據(jù)記錄的被測表面焦點(diǎn)位置2?及Zm之間的距離dm_n，以及由幾何光學(xué)計(jì)算得到的曲率半徑r與焦點(diǎn)位置距離dm_n之間的比例系數(shù)灸^，可得被測表面的曲率半徑:
【權(quán)利要求】
1.反射腔式共焦超大曲率半徑測量方法，其特征在于: (a)打開點(diǎn)光源，其發(fā)出的光經(jīng)分光鏡、準(zhǔn)直透鏡和平行平晶后進(jìn)入由平行平晶后表面與被測表面組成的反射腔內(nèi)，在被測表面上反射形成會(huì)聚光束，經(jīng)平行平晶后表面和被測表面n次反射，在反射腔表面聚焦，然后沿原光路返回，反射回來的光由分光鏡反射進(jìn)入共焦測量系統(tǒng)； (b)調(diào)整平行平晶和被測件，使平行平晶和被測件被測表面與準(zhǔn)直透鏡共光軸； (c)沿光軸方向移動(dòng)被測件，使會(huì)聚光束在反射腔內(nèi)經(jīng)過n次反射，聚焦到反射腔的一表面附近；在該位置附近掃描被測件，由共焦測量系統(tǒng)測得共焦響應(yīng)曲線，通過共焦響應(yīng)曲線的最大值點(diǎn)來精確確定會(huì)聚光束的焦點(diǎn)與該反射腔表面相重合，記錄此時(shí)被測件的位置 (d)將被測件沿光軸移動(dòng)，使會(huì)聚光束在反射腔內(nèi)經(jīng)過m(m#n)次反射，聚焦到反射腔的一表面附近；在該位置附近掃描被測件，由共焦測量系統(tǒng)測得共焦響應(yīng)曲線，通過共焦響應(yīng)曲線的最大值點(diǎn)來精確確定會(huì)聚光束的焦點(diǎn)與該反射腔表面相重合，記錄此時(shí)被測件的位置Zni ； (e)根據(jù)記錄的被測表面焦點(diǎn)位置2?及Zm之間的距離dm_n，以及由幾何光學(xué)計(jì)算得到的曲率半徑r與焦點(diǎn)位置距離dm_n之間的比例系數(shù)^:^，可得被測表面的曲率半徑:r = h_n,(n*m)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射腔式共焦超大曲率半徑測量方法，其特征在于:在光路中增加環(huán)形光瞳對測量光束進(jìn)行調(diào)制，形成環(huán)形光束，降低定焦時(shí)波相差對測量光束的影響，提聞定焦精度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射腔式共焦超大曲率半徑測量方法，其特征在于:在測量光束中增加焦深壓縮光學(xué)系統(tǒng)，`使其與共焦測量系統(tǒng)配合工作，提高定焦靈敏度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反射腔式共焦超大曲率半徑測量方法，其特征在于:對點(diǎn)光源發(fā)出的光進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，由共焦測量系統(tǒng)中的光強(qiáng)傳感器探測得到受調(diào)制的共焦響應(yīng)信號，將該調(diào)制信號解調(diào)后得到共焦響應(yīng)曲線，從而提高系統(tǒng)的定焦靈敏度。
【文檔編號】G01B11/255GK103673926SQ201310556602
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月11日
【發(fā)明者】趙維謙, 張鑫, 王允, 田繼偉 申請人:北京理工大學(xué)