[发明专利]反射式激光共焦曲率半径测量方法与装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种反射式激光共焦曲率半径测量方法与装置，属于光学元件参数精密测量技术领域。

技术背景

球面光学元件被广泛应用于天文望远系统、高分辨对地观测系统和激光聚变系统等光学系统研究领域中，曲率半径是球面光学元件最基本和最重要的参数之一，直接影响这类光学系统使用性能和成像质量，必须对其进行精确检测。

目前，为了实现曲率半径的高精度测量，研究者已经提出了很多不同的测量方法，其主要可分以下两类：

第一类是接触式测量方法。这类测量方法通过测长仪测头直接对被测镜元件表面进行位置测量，然后进行拟合求得被测镜曲率半径，典型仪器有球径仪，三坐标测量机等。这类测量方法不仅测量精度较低，而且会损坏被测元件表面，不能用于曲率半径高精度测量。

第二类是非接触式测量方法。这类测量方法主要以干涉条纹为测试依据，如牛顿环干涉法、泰伯干涉法、斐索干涉法。比如，1980年在《SPIE Vol.192-Intefferometrv》中发表的《Differential technique for accurately measuring the radius ofcurvature oflong radius concave optical surfaces》一文中，作者提出一种多次反射式曲率半径测量方法，其利用干涉条纹对不同反射次数的被测镜位置进行精确定位，利用不同反射次数时被测镜位置差值求得被测镜曲率半径。1992年在《Optical Engineering》中发表的《Radius measurementby interferometry》一文中，作者利用干涉条纹直接对被测镜猫眼点和共焦点进行精确定焦，然后利用测长仪测得两点之间位置差值，实现曲率半径测量。相比第一类测量方法，这类测量方法测量精度较高，且不损坏被测镜表面，但由于干涉条纹受气流、温度和抖动等环境因素影响严重，因而对环境条件提出了极为苛刻的要求。

针对上述问题，本发明提出一种反射式激光共焦曲率半径测量方法，该方法利用激光共焦光强响应曲线峰值点与会聚点精确对应这一特性来获得被测镜曲率半径值，实现曲率半径高精度测量。与已有测量方法相比，本方法具有不仅可用于可凹面镜曲率半径值高精度测量，同时还可用于凸面镜曲率半径高精度测量，具有测量光路短、测量精度高和抗环境干扰能力强等优点。

发明内容

本发明的目的是为了解决球面元件曲率半径的高精度测量难题，提出了一种反射式激光共焦曲率半径测量方法与装置。该方法利用共焦光强响应曲线最大值与会聚点精确对应这一特性来获得被测镜曲率半径值，实现曲率半径高精度测量。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的一种反射式激光共焦曲率半径测量装置，包括点光源、分光镜、准直透镜、环形光瞳、物镜、物镜后表面顶点、被测凹面镜、被测凸面镜、反射镜前表面、反射镜、共焦探测系统、光强探测器、针孔、分光棱镜、其测量光路为：打开点光源，由点光源出射的光经分光镜和准直透镜后形成准直光束并照射在物镜上；准直光束透过物镜后形成会聚光束聚焦在被测表面；被测表面将光束反射，反射回来的光束再反向透过物镜和准直透镜后被分光镜反射进入共焦探测系统，共焦探测系统将轴向光强信息经处理后得到共焦光强响应曲线，其峰值点位置精确对应物镜焦点位置；移动被测镜，将会聚光束反射在物镜后表面顶点处，由物镜后表面顶点将光束反射，反射回来的光束再透过物镜和准直透镜后被分光镜反射进入共焦探测系统，共焦探测系统将轴向光强信息经处理后得到共焦光强响应曲线，其峰值点位置精确对应物镜后表面顶点位置；将被测镜换成反射镜，会聚光束聚焦在反射镜表面，反射镜将光束反射，反射回来的光束反射回来的光束再反向透过物镜和准直透镜后被分光镜反射进入共焦探测系统，共焦探测系统将轴向光强信息经处理后得到共焦光强响应曲线，其峰值点位置再次精确对应物镜焦点位置；移动反射镜，将会聚光束反射在物镜后表面顶点处，由物镜后表面顶点将光束反射，反射回来的光束再透过物镜和准直透镜后被分光镜反射进入共焦探测系统，共焦探测系统将轴向光强信息经处理后得到共焦光强响应曲线，其峰值点位置再次精确对应物镜后表面顶点位置；

本发明所述的反射式激光共焦曲率半径测量方法，可将其用于球面元件曲率半径的高精度检测，具体测量步骤如下：

步骤一、将被测镜置于物镜后的测量光路中，调整被测镜使其与测量光束同轴；