一种精确测量超大曲率半径的方法及装置与流程

本发明属于光学元件曲率半径测量领域，尤其涉及一种精确测量超大曲率半径的方法及装置。

背景技术：

大口径光学元件系统是大型高功率激光系统，如国内icf激光驱动器，美国国家点火装置(nif)及法国兆焦耳激光工程(mega-jouleproject)中必须使用的上千件各类光学元件。仅400×500以上的各类口径光学元件就有8000件，其中用于空间滤波和聚焦的长焦距透镜系统就有1000件左右，因此对于这些大口径长焦距光学系统必须进行有效的参数检测。在美国ligo(laserinterferometergravitationalwaveobservatory)系统中也大量用到大口径的光学元件。

大口径光学元件由于口径大(250mm以上)、曲率半径大(大于10米)、空气扰动等干扰因素严重影响测试的精度。现有的曲率半径测量方法如接触式的球径仪，自成像曲率半径测量仪及采用干涉原理曲率半径测量仪对小的曲率半径(小于10米)能够实现高精度的测量。但是对于超大曲率半径(大于5000米)，采用传统的半径测量手段很难获得高精度的测量，如何实现对这类大量使用元件的高精度的测量对这些重大项目具有重要的意义。

因此，需要开发一种能够精密超大曲率半径的检测仪器，提供给激光核聚变、引力波测量等国家重大工程项目中的光学元件的精确测量仪器，作为透镜从加工各工序到最终合格验收的检测依据和标准，以满足对这些光学元件质量的要求。

技术实现要素：

为了解决现有技术中难以实现测量光学元件超大曲率半径的问题，本发明提出了一种精确测量超大曲率半径的方法及装置。该装置结构简单，且能实现对光学元件超大曲率半径的精确测量。

本发明第一方面提出了一种精确测量超大曲率半径的装置，包括；

被测元件、光源；

分光镜，倾斜置于被测元件与光源之间，用于将光源发出的光照射到被测元件表面，将被测元件反射的反射光反射到第一光栅和第二光栅上；

第一光栅与第二光栅；用于在反射平行光的照射下，第一光栅在第二光栅处产生的泰伯像与第二光栅形成莫尔条纹；

成像系统；用于采集莫尔条纹图像，并将其传输至计算机；

计算机；用于处理莫尔条纹图像确定莫尔条纹的角度，进而计算得到被测元件的曲率半径。

作为优选，本发明第一方面提供的装置还包括：设于分光镜与光源之间、且用于将光源发出的发射光变成平行光的准直透镜。当光源离被测元件较近时，将准直透镜设置于光源与分光镜之间，可以将发散光变成平行光。

作为优选，本发明第一方面提供的装置还包括：用于调节光源传播方向的针孔、用于固定激光器与针孔的第一高精度位移平台、用于固定第二光栅与成像系统的第二高精度位移平台以及用于驱动第一高精度位移平台和第二高精度位移平台移动的高精度位移驱动器。

固定于第一高精度位移平台上的激光器与针孔，在高精度位移驱动器的驱动下，可以精确地被移动到不同的位置，经过多次测量不同光源位置下的组合光焦度值，进而解算出被测元件的曲率半径，这样可以有效地消除照明光束的准直性的影响。

为防止空气气流对测量的影响，作为优选，将整个装置用罩子密封起来。

本发明第二方面提供了一种应用第一方面提供系统的精确测量超大曲率半径的方法，具体包括：

(1)对精确测量超大曲率半径系统进行标定由于被测的焦距值为从第一块光栅到焦点的距离，通过精确沿光轴移动被测透镜，可以获得多组焦距精确的标准镜，实现多系统的精确标定；

(2)利用高精度位移驱动器驱动第一高精度位移平台移动到相应的位置，避免照明光束的准直性的影响；

(3)利用高精度位移驱动器驱动第二高精度位移平台移动到相应的位置，记录第一光栅与第二光栅之间的距离z、第一光栅与第二光栅的栅线夹角θ；

(4)利用成像系统采集莫尔条纹图像，并将莫尔条纹图像传输至计算机；

(5)计算机对接收到莫尔条纹图像进行处理，确定莫尔条纹的角度α，并计算得到被测元件的曲率半径δr；

其中，s为第一光栅与被测元件光轴之间的距离，r为被测元件的半径，其值为：

为第一光栅的周期p1与第二光栅的周期p2的比值；

莫尔条纹的角度α的计算公式为：

p′1为泰伯像的周期，根据泰伯像的放大倍率关系获得；

δz为z的不确定度，δs为s的不确定度，δθ为θ的不确定度，δα为α的不确定度，δβ为β的不确定度。

作为优选，不确定度δz与不确定度δs由高精度光栅尺测量得到，其值分别达到0.1mm和0.01mm。

作为优选，不确定度δα的获取方法为：由于α为计算机计算出的莫尔条纹的角度，利用一个精确打印的具有精确的确定的角度的黑白条纹图样，通过多次测量系统的图像采集系统获得图样的图像并用莫尔条纹角度计算的方法进行计算，获得α的不确定度δα，其值达到0.003°。

不确定度δθ的获取方法为：当被测反射面为平面时，同时两块光栅的栅线夹角为0度时，理论上摩尔条纹的周期为无穷大(采集到的图像为均匀的灰度图)，以此为起点，通过精密的旋转台控制两块光栅之间栅线的夹角，栅线夹角的不确定度由精密旋转台决定，由此可以获得θ的不确定度δθ，其值达到0.003°。

作为优选，不确定度δβ的获取方法为：由于β为两个光栅的周期的比值，通过扫描电镜的精确测量，可以精确获得β的不确定度δβ，其值为0.00001。

本发明精确测量超大曲率半径的装置，组合了最基本的光学测量仪器，结构简单，成本低，且在测量的过程中操作简单，能够实现对光学元件超大曲率半径的精确测量。

附图说明

图1是实施例1中应用的精确测量超大曲率半径的装置的第一个结构示意图；

图2是实施例1中应用的精确测量超大曲率半径的装置的第二个结构示意图；

图3是实施例2中应用图1所示的装置进通过精密移动光源多次测量解算被测半径的原理图；

图4是实施例2中应用图2所示的装置进通过精密移动光源多次测量解算被测半径的原理图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

如图1所示，本实施例应用的精确测量超大曲率半径的装置包括：半径为5000米的被测元件、红外激光器、起准直作用的显微物镜、起分光作用的成像透镜、针孔、周期比为1.004018的光栅1与光栅2、ccd、支撑光栅2的毛玻璃片、计算机以及高精度位移驱动器，红外激光器与针孔固定于高精度位移平台一上，光栅2、毛玻璃片以及ccd固定于高精度位移平台二上。

在对精确测量超大曲率半径系统标定结束后；

首先，利用高精度位移驱动器驱动第一高精度位移平台移动到相应的位置，避免照明光束的准直性的影响；

然后，利用高精度位移驱动器驱动第二高精度位移平台移动到相应的位置，记录第一光栅与第二光栅之间的距离z为10m、第一光栅与第二光栅的栅线夹角θ为0.3°；

接下来，利用成像系统采集莫尔条纹图像，并将莫尔条纹图像传输至计算机；

最后，计算机对接收到莫尔条纹图像进行处理，确定莫尔条纹的角度α为37.4813°，并计算得到被测元件的曲率半径为：

δr＝2*0.1mm(δz)+2*0.01mm(δs)+24.89m(δz)+3.11m(δβ)+20.67m(δθ)+0.135m(δα)＝48.80522m

相对测量误差为：

从上述的分析可以看出δz、δθ、δβ对测量精度影响很大。如果能够减小δz(使10米的测量距离不确定度小于0.1mm，严格控制环境因素如温度湿度，采用reneshaw光栅尺可以进一步提高精度)。根据具体测量元件的半径，进一步优化初始参数设置，如光栅栅线夹角，光栅周期比等参数，还可以进一步提高测量精度。

本实施例还可以应用图2所示的结构进行被测元件半径的测量，图2中，没有准直透镜，且起分光作用的为分光镜。

实施例2

利用图1所述的系统，通过精确移动光源的位置，进行多次测量不同点光源位置下的组合光焦度值，原理示意图如图3所示。

由于激光器发出的光经过准直系统后总是存在一定的光焦度，不可能做到理想的平行光。假设这个光焦度为被测半径为r的被测面的焦距为r/2，则组合光焦度为：

其中d为准直系统等效透镜与被测透镜之间的距离。

将测试系统初始位置调试好，并将光源放置到准直透镜焦距附近。将被测透镜放置在测量位置，采集莫尔条纹，测得莫尔条纹的角度并计算出此时的测量值r1；精确向前移动光源δ1，采集莫尔条纹图像，计算出此时的测量值r2；继续精确向前移动光源δ2,相同的操作，采集莫尔条纹图像，通过计算机计算出此时的测量值r3。

根据集合成像公式，我们有：

u表示物距，v1、v2、v3表示三种状态下的像距，通过上述各式的计算，得到被测透镜的半径r。

本实施例还可以应用图2所示的结构通过精确移动光源的位置，进行多次测量不同点光源位置下的组合光焦度值，原理示意图如图4所示。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。