[发明专利]双边错位差动共焦超大曲率半径测量方法

摘要

本发明公开的双边错位差动共焦超大曲率半径测量方法，属于光学精密测量技术领域。本发明在共焦测量系统中，首先在CCD探测的艾丽斑图像上通过软件设置大、小虚拟针孔探测区域并将其探测的两条共焦特性曲线通过相减处理来锐化共焦特性曲线，然后将锐化共焦特性曲线进行双边错位差动相减处理来得到轴向高灵敏的差动共焦特性曲线，其次利用该双边错位差动共焦特性曲线零点与共焦测量系统焦点精确对应所述特性对超大曲率半径测量中各特征位置点进行高精度定焦寻位，进而实现超长焦距的高精度测量。与已有的大曲率半径测量方法相比，本发明具有测量精度高、抗环境干扰能力强和结构简单等优势，在光学精密测量技术领域具有广泛的应用前景。

主权项

1.双边错位差动共焦超大曲率半径测量方法，其特征在于：包括以下步骤，a)打开点光源(1)，点光源(1)发出的光透过分束镜(2)、准直透镜(3)和平行平晶(4)后照射在被测球面元件(6)；b)调整被测球面元件(6)使其与平行平晶(4)和准直透镜(3)共光轴，使准直透镜(3)出射的平行光束经平行平晶(4)和被测球面元件(6)后汇聚成测量光束(5)射向平行平晶(4)A面，平行平晶(4)A面又将汇聚测量光束(5)反射至被测球面元件(6)，从而使平行平晶(4)A面与被测球面元件(6)测量面间形成反射腔，经被测球面元件(6)反射的平行光束又透过平行平晶(4)和准直透镜(3)后被分束镜(2)反射进入到横向相减共焦探测系统；c)沿光轴方向移动被测球面元件(6)使测量光束(5)在反射腔内经过n次反射后聚焦到平行平晶(4)C面的A点位置，在所述A点位置附近轴向扫描被测球面元件(6)，将横向相减共焦探测系统(7)中大虚拟针孔探测域(11)和小虚拟针孔探测域(12)分别探测的大虚拟针孔探测共焦特性曲线(13)I_B(z)和小虚拟针孔探测共焦特性曲线(14)I_S(z)进行相减处理得到半高宽压缩的锐化共焦特性曲线(15)I(z)＝I_S(z)‑γI_B(z)，其中z为轴向坐标，γ为调节因子；大虚拟针孔探测域(11)、小虚拟针孔探测域(12)探测共焦特性曲线的获取和优化方法为：在CCD探测器(9)探测焦前测量艾里斑(10)的每帧图像上选取一个特定大小的同心圆域，对大圆域内的每个像素光强进行积分得到一条共焦强度响应曲线I_B(z)，对小圆域内的每个像素光强积分得到一条共焦强度响应曲线I_S(z)，然后将I_B(z)和I_S(z)进行相减处理得到横向相减共焦响应曲线I(z)＝I_S(z)‑γI_B(z)，改变调节因子γ实现共焦特性曲线的优化；d)将锐化共焦特性曲线(15)沿横向坐标平移S得到平移锐化共焦特性曲线(16)，并使锐化共焦特性曲线(15)和平移锐化共焦特性曲线(16)的侧边交汇，对锐化共焦特性曲线(15)和平移锐化共焦特性曲线(16)分别进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到错位相减差动共焦特性曲线(17)I_D(z)＝I(z)‑I(z,‑S)，利用差动共焦线性拟合直线(18)对错位相减差动共焦特性曲线(17)的线性段数据进行直线拟合，通过反向回移差动共焦点性拟合直线(18)S/2位置的差动共焦拟合直线(20)的移位拟合直线零点(21)来精确确定汇聚测量光束(5)聚焦的焦点位置A，进而得到被测球面元件(6)的位置z_n；e)沿光轴方向移动被测球面元件(6)，使测量光束(5)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；在所述位置附近沿轴向扫描被测球面元件(6)，横向相减共焦探测系统(7)通过处理测得的测量艾里斑(10)后得到锐化共焦特性曲线(15)，再对锐化共焦特性曲线(15)进行双边错位相减处理得到与被测球面元件(6)的透镜表面B点对应的错位相减差动共焦特性曲线(17)，主控计算机(23)按着d)的步骤通过对错位相减差动共焦特性曲线(17)再进行线性拟合、拟合直线回移及确定回移拟合直线零点来精确确定被测球面元件(6)的位置z_m。f)根据记录的被测球面元件(6)位置z_n及z_m之间的距离d_m‑n，以及由几何光学计算得到的曲率半径r与焦点位置距离d_m‑n之间的比例系数得被测表面的曲率半径：