[发明专利]多焦全息差动共焦超大曲率半径测量方法与装置

说明书

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，可用于超大曲率半径的高精度测量。

背景技术

大型光学元件被广泛应用于空间光学系统、高能激光器、激光核聚变等大型光学系统中。但大型光学元件曲率半径的测量，因其存在定焦瞄准精度低、测量路径长且易受环境状态因素干扰等，其一直是光学领域测量的难题之一，也是空间光学系统、高能激光器、激光核聚变等大型光学系统研制中亟待解决的技术瓶颈。这一技术特征在空间光学仪器、高能激光武器、激光核聚变工程等国家重大专项和国家重大工程中将体现的尤为迫切。

针对曲率半径测量，国内学者提出了一些测量方法，包括2007年在应用光学中发表的《基于白光干涉的光学球面半径测量研究》，此类技术主要采用了莫尔光栅位移测量系统、迈克尔逊白光干涉系统，实现精确测量，该系统采用了光学无损测量方法，避免了接触性测量对光学表面的损害；利用数字图像处理技术可直接对图像进行处理并根据图像测量数据计算得到测量结果，减少了目视光学测量系统调焦对准误差，与传统方法相比灵敏度有所提高，但此系统需要测量的参数较多，测量精度低。

中国专利“差动共焦曲率半径测量方法与装置”(专利号：CN200910082249.0)，利用差动共焦定焦原理，对被测件被测表面顶点和球心实现高精度定位，通过被测件两次定位移动的距离即可得到被测表面的曲率半径。这种方法的测量精度较高，但当被测表面的曲率半径较大时，必须在大范围内移动被测件，所以此方法不适用于超大曲率半径的测量。

相比较国外的曲率半径测量技术，2004年，美国计量院的Wang Quandou及其工作小组构建了一台超高精度的移相干涉仪XCALIBIR，通过对于环境的苛刻控制，补偿十余项误差后，其曲率半径测量精度达到了0.003％。2005年，在SPIE中发表的《Radius case study：Optical bench measurement and uncertaintyincluding stage error motions》中，采用了建立新的坐标模型技术进行曲率半径测量，并达到接近微米级的测量精度。2006年在Optical Engineering中发表的《Compact system for measurement of optical surfaces having a large radius ofcurvature》一文中，提出一种将斐索干涉仪与变焦镜头相结合的方法与装置，用于测量大曲率半径，对于曲率为10m的半径，其测量精度为0.04％。2008年，Wang Quandou将移相干涉与全息技术相结合，通过在大曲率半径检测光路中引入菲涅尔全息板，压缩光路整体长度，可实现曲率半径大于10m的镜面的高精度检测。但由于采用干涉仪，测量过程中易受温度、气流、振动等环境状态因素的干扰，对测量环境提出了苛刻的要求。

近年来，国内外显微成像领域的差动共焦技术快速发展，例如中国专利“具有高空间分辨率的差动共焦扫描检测方法”(专利号：200410006359.6)，其提出了超分辨差动共焦检测方法，使系统轴向分辨力达到纳米级，而将该技术与多焦全息透镜技术相融合，继而实现超大曲率半径测量的报道，迄今为止尚未见到。

发明内容

本发明的目的是为了解决超大曲率半径的高精度测量问题，提出一种多焦全息差动共焦超大曲率半径测量方法与装置。本发明首先利用差动共焦系统对多焦全息透镜的长焦距值进行校准，然后利用差动共焦定焦原理对被测件的猫眼位置和共焦位置实现非接触高精度定位，继而利用几何光学原理可以实现超大曲率半径的高精度测量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

多焦全息差动共焦超大曲率半径测量方法其特征在于：

(a)首先，调整被测件和多焦全息透镜，使被测件被测表面和多焦全息透镜均与准直透镜共光轴；

(b)然后，打开点光源，其发出的光经第一分光镜、准直透镜和多焦全息透镜后，照射在被测件被测表面，经被测表面反射，再次通过多焦全息透镜和准直透镜，由第一分光镜反射进入差动共焦系统；