[发明专利]一种大口径球面光学元件球心和曲率半径测量方法

说明书

本发明公开了一种大口径球面光学元件球心和曲率半径测量方法，采用自动测量装置，所述的自动测量装置包括样品台、三维位移台、四台激光位移传感器、数据采集单元、数据分析处理单元以及控制单元。测量时，四台激光位移传感器同时提供球面光学元件上四个采样点的相对距离；数据采集单元与分析处理单元通过相对距离，自动计算出球面坐标方程，并输出球心位置和曲率半径。测量过程中，可通过三维位移台的移动更换采样位置，在多个采样位置进行测量，并将结果取平均，提高测量精度。本发明操作步骤简单，无需大口径球面光学元件进行任何移动，有效降低了机械结构的复杂程度和成本，实现大口径球面光学元件球心和曲率半径的非接触式、快速测量。

技术领域

本发明属于光学技术领域，尤其是涉及一种大口径球面光学元件球心和曲率半径测量方法。

背景技术

在大型激光驱动装置中，为了获得高能量的激光输出，需要制造大口径、高激光损伤阈值的光学元件。这些光学元件的加工质量对激光损伤阈值有着特别重要的影响，尤其是以麻点、划痕为代表的表面缺陷，是影响激光损伤阈值的关键因素。目前主要采用显微成像系统对被检样品表面进行扫描成像，从而获得表面缺陷的形貌与分布。作为实现光束聚焦的重要的手段，大口径球面光学元件是激光驱动装置中不可缺少的部分。当今大口径球面光学元件通常设计为前表面为球面，后表面为矩形平面的半球面结构，其长宽尺寸已发展至数百至数千毫米，重量达数百千克。由于大口径球面光学元件的被检表面为球面，而显微成像系统的成像面为尺寸较小的平面，因此在球面不同位置进行扫描成像时，球面在成像面上有着不同的投影比例。只有首先获得被检球面曲率中心位置(即球心)和曲率半径，才能建立被检球面和焦平面的映射关系，最终实现大口径球面光学元件表面缺陷高精度检测。因此在进行大口径球面光学元件检测时，中心和曲率半径测量是不可缺少的重要过程。

现有的球面光学元件曲率半径测量方法有很多，如公开号为CN105737763A中国专利文献公开了一种基于莫尔条纹的球面镜曲率半径测量方法，公开号为CN106908016A的中国专利文献公开了一种基于光场相机的凹面腔镜曲率半径测量方法，公开号为CN106595529A的中国专利文献公开了一种基于虚拟牛顿环的大曲率半径非零位干涉测量方法及装置。以上方法均采用非接触式手段测量球面曲率半径，可检测球面的口径较小，且无法同时获得球面中心的位置坐标。

现有也存在同时可以测量球面中心和曲率半径的方法，如公开号为CN105157617A的中国专利文献公开了应用于球面光学元件表面缺陷检测的球面自动定中方法，采用球面反射十字叉丝成像，利用自旋转台带动被测球面光学元件旋转，观察十字叉丝位置变化，拟合叉丝运动轨迹的圆心，从而实现球面光学元件定中和曲率半径测量。然而，这种方法对机械结构的要求高，需要设计自旋转台结构带动样品旋转，增加了设计、加工和装调的复杂性。对于长宽尺寸已发展至数百至数千毫米，重量达数百千克大口径球面光学元件，显然设计自旋转台的结构将大大增加系统机械复杂度、增加测量所需时间。因此这种方法不适用于大口径球面光学元件的中心和曲率半径测量。

因此，需要设计结构简单、测量高效的装置与方法，实现大口径球面光学元件的球心和曲率半径测量。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种大口径球面光学元件球心和曲率半径测量方法，实现大口径球面光学元件球心和曲率半径的非接触式、快速测量。

本发明的技术方案如下：

一种大口径球面光学元件球心和曲率半径测量方法，采用自动测量装置，所述的自动测量装置包括样品台、三维位移台、安装在三维位移台上的四台激光位移传感器、与激光位移传感器电连接的数据采集单元、与数据采集单元电连接的数据分析处理单元，以及用于接收数据分析处理单元的计算结果并对三维位移台进行移动的控制单元；

具体包括以下步骤：

(1)对四台激光位移传感器的初始位置进行定标；；