[发明专利]差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法与装置

说明书

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法与装置。该方法利用高轴向定位能力的差动共焦探测系统的聚焦光斑对被测镜进行轴向定焦，利用精密的气浮回转系统带动被测镜旋转，利用自准直偏心探测系统记录被测镜旋转一周时，聚焦光斑经被测镜反射后的径向位置，从而获得偏心量；利用高精度的位置记录系统，记录聚焦光斑聚焦在被测镜的球心与顶点时聚焦光斑的位置，从而获得曲率半径，然后综合测得的曲率半径与偏心数据，即可实现中心偏与曲率半径的高精度、实时测量。本发明首次将差动共焦原理应用到中心偏测量领域中，改进了传统的自准直中心偏测量方法，具有测量精度高、范围大、避免重复装调的优点，可用于光学元件中心偏和曲率半径的高精度测量。

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，将差动共焦技术与自准直中心偏测量技术相结合，涉及差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法与装置，可用于透镜与凹面反射镜中心偏及曲率半径的测量和透镜组的中心偏检测与最佳光轴拟合。

技术背景

对于光学元件而言，中心偏是一项影响很大的误差。随着光学系统在航天、航空及精密测量领域中的应用越来越多，光学元件作为主要部件对其精度的要求也越来越高。而透镜中心偏的存在会对整个系统的成像质量带来巨大的影响，如引起显著的球差、慧差和畸变以及不可预计的高级像差等。因此，对于中心偏的测量和校正就显得尤为重要。

传统的中心偏测量法包括接触式测量和非接触式测量两大类。其中接触式测量是利用一对同轴夹头，借助弹簧力夹紧透镜，实现自动定心，这种方法对透镜的曲率和加工形貌都有要求,且只能实现透镜的定心，而并未给出定量分析。这种方法只适用于透镜加工阶段而不适用于检测和装调阶段，因此在实际检测中，非接触式测量的应用更加广泛。非接触式测量就是利用透镜的光学特性进行测量，又可以按照其光路的不同，分为激光定心测量、准直成像测量和干涉测量等。激光定心测量是由英国科学仪器研究协会(SIRA)最早提出的，这种方法的精度最高可达1″，测量范围可以从两毫米一直延伸至几米，可以在不同半径间连续测量而不需要更换物镜或其它部件。但这种测量方法需要激光束对整个镜面进行扫描，测量时间很长，按照测量范围的不同最长可以达到几个小时，而且使用透镜表面反射光定心，不适用于装配完的系统的中心偏测量。干涉测量是一种基于干涉原理的测量法，它利用待测镜与标准件之间的等厚干涉，完成中心偏测量，它可以在半径1.5m的范围内，达到0.5″的测量精度。但这种测量方法受环境的干扰很大，而且对干涉条纹的处理也比较复杂。自准直法是BausehLomb公司在激光定心法的基础上，改进提出的。利用平行光经过透镜后焦点位置的变化来进行偏移误差的测量。这种方法不仅可以测单片透镜的中心偏，而且在已知待测系统物镜焦距的条件下，可以定位到系统内的其它透镜表面完成对整个系统的中心偏测量，测量精度可达0.2″。

以上几种测量方法中，接触式测量因为对于镜子表面有损害，所以只能用于透镜抛光前的加工阶段，而且测量精度比较低；非接触式测量中激光定心的消耗时间很长，最高可达几个小时；干涉法测量利用等厚干涉条纹，对于环境的要求很高，当环境存在干扰时，条纹会产生明显的畸变；自准直法测量是在激光定心的基础上改进来的，相比定心法减少了测量时间，提高了测量精度，相比干涉法简化了测量过程，提高了抗干扰能力，因此成为目前主流的中心偏测量方法；但自准直法仍存在测量参数单一，定位精度差等中心偏测量中常见的问题，因此本发明对传统的自准直法进行了改进。

本发明首次将差动共焦技术运用到球面光学元件的中心偏测量领域中，对自准直测量方法进行了改进，加入曲率半径测量，降低了半径误差和定心误差，提高了测量精度和效率，扩大了测量范围，为透镜和凹面镜的中心偏测量提供了一个行之有效的方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决透镜和凹面反射镜中心偏高精度测量的难题，提出了差动共焦自准直中心偏和曲率半径测量方法与装置。