[发明专利]反射腔式共焦超大曲率半径测量方法

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检测与光学系统装配过程中的高精度超大曲率半径测量。

技术背景

高精度的球面元件广泛应用于光刻机、天文望远镜、激光核聚变等大型光学系统中，随着这些系统工程的推进，对球面光学元件曲率半径特别是大曲率半径参数的测量提出了更高的要求。而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年王中林及其工作组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，仍无法满足大曲率半径高精度测量的需求。

相比较国外的曲率半径测量技术，2006年Xianyang Cai等人在Optical Engineering中发表的《Compact system for measurement of optical surfaces having a large radius of curvature》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共焦技术迅速发展，与传统测量方法相比具有良好的层析能力，较高的轴向定位瞄准精度，较高的环境抗干扰能力；与差动共焦技术相比，共焦技术光路简单，易于实现。

本发明提出一种反射腔式共焦超大曲率半径测量方法，相比于传统测量方法具有测量精度高、抗干扰能力强及智能化程度高等诸多优点，并且该技术易与环形光瞳滤波器等技术融合，能更进一步提高测量精度。

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，提出一种反射腔式共焦超大曲率半径测量方法。该反射腔式共焦超大曲率半径测量方法的核心思想是，利用共焦测量技术并借助平行平晶，对被测表面的焦点位置进行精确定位，继而由几何光学原理得到被测透镜的曲率半径。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种反射腔式共焦超大曲率半径测量方法，包括以下步骤：

(a)打开点光源，其发出的光经分光镜、准直透镜和平行平晶后进入由平行平晶后表面与被测表面组成的反射腔内，在被测表面上反射形成会聚光束，经平行平晶后表面和被测表面n次反射，在反射腔表面聚焦，然后沿原光路返回，反射回来的光由分光镜反射进入共焦测量系统；

(b)调整平行平晶和被测件，使平行平晶和被测件被测表面与准直透镜共光轴；

(c)沿光轴方向移动被测件，使会聚光束在反射腔内经过n次反射，聚焦到反射腔的一表面附近。在该位置附近扫描被测件，由共焦测量系统测得共焦响应曲线，通过共焦响应曲线的最大值点来精确确定会聚光束的焦点与该反射腔表面相重合，记录此时被测件的位置z_n；

(d)将被测件沿光轴移动，使会聚光束在反射腔内经过m(m≠n)次反射，聚焦到反射腔的一表面附近。在该位置附近扫描被测件，由共焦测量系统测得共焦响应曲线，通过共焦响应曲线的最大值点来精确确定会聚光束的焦点与该反射腔表面相重合，记录此时被测件的位置z_m；