專利名稱：一種基于等厚干涉法的中心誤差的測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種中心誤差的測量裝置，尤其涉及一種基于等厚干涉法的中心誤差的測量裝置，屬于光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對于高精度的光學(xué)系統(tǒng)，中心誤差會破壞光學(xué)設(shè)計的基礎(chǔ)-旋轉(zhuǎn)對稱性，使光
學(xué)元件的實(shí)際光軸偏離設(shè)計光軸，破壞了光學(xué)設(shè)計的像差校正狀態(tài)，從而嚴(yán)重影響光學(xué)系統(tǒng)的分辨力、畸變和對比度等成像性能。對心裝置是用來測量并校正各光學(xué)元件的中心誤差，目前普遍采用的是自準(zhǔn)直的方法，該方法和裝置見“ZX-3型內(nèi)調(diào)焦對心器研制工作報告”，王肇勛，光電工程1984年05期11-24頁。如圖I所示，光源組16通過其中的會聚鏡將燈泡的光會聚到帶反射功能的星點(diǎn)板17上；然后出射光束到達(dá)調(diào)焦鏡組19，被調(diào)焦鏡組19內(nèi)調(diào)焦鏡的軸向移動改變會聚和發(fā)散程度后，與放置在精密轉(zhuǎn)軸21上的被測鏡組20的某個指定的被測鏡面的曲率中心接近或重合，此時出射光束被被測鏡面原路反射回去；再次通過調(diào)焦鏡組19后，將光束會聚在帶反射功能的星點(diǎn)板17上，而星點(diǎn)板17與顯微鏡組18的物面重合，則返回的光束將通過星點(diǎn)板17反射后成像在顯微鏡組18的像面處，通過顯微鏡組18可以測量出由于被測鏡面存在中心誤差而導(dǎo)致的劃圓量，通過倍率關(guān)系可以求出被測鏡面的中心誤差。該方法可以完成精度要求在I" 2"左右的透鏡組中所有鏡面的中心誤差測量和裝配，但并不能進(jìn)行更高精度的測量和裝配。Yoder, P. R. Jr, mounting Optics in Optical Instruments, SPIE PressBellingham, 2002中介紹了 Carnell等人1974提出過的一種方法，圖2中，將一個球面測試樣板23非?？拷姆胖迷诒粶y透鏡28的外露表面,激光束29斜向照射在球面測試樣板23和被測透鏡28的外露表面上，通過顯微鏡23可以觀察到被測透鏡28的外露表面和球面測試樣板23之間的菲涅耳干涉條紋，通過旋轉(zhuǎn)空氣軸承轉(zhuǎn)軸25，可以觀察到由于被測透鏡28的外露表面的球心與空氣軸承轉(zhuǎn)軸25不重合所造成的中心誤差，進(jìn)而導(dǎo)致的菲涅耳干涉條紋的同心度發(fā)生的變化，如果隨著空氣軸承轉(zhuǎn)軸25的緩慢旋轉(zhuǎn)，而菲涅耳干涉條紋保持靜止不動，就可以斷定被測透鏡28的外露表面的球心與空氣軸承轉(zhuǎn)軸25重合了。其中空氣軸承轉(zhuǎn)軸25通過黃銅卡盤24與夾持著被測透鏡28的鏡座27連接，真空系統(tǒng)26提供黃銅卡盤24與鏡座27的連接力。該方法的缺點(diǎn)明顯僅能測量被測面，無法測量透鏡的另一面和透鏡組的其它面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于等厚干涉法的中心誤差測量裝置，能夠測量被測透鏡的中心誤差，并可以實(shí)現(xiàn)對多透鏡組的整組測量，以及提供比常規(guī)目視顯微測量更高的精度。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的方案是提供一種基于等厚干涉法的中心誤差的測量裝置，所述測量裝置包括激光器、會聚鏡、星點(diǎn)板、分光鏡、參考鏡、接收屏、CCD探測器、計算組、調(diào)焦組、折轉(zhuǎn)反射鏡、被測透鏡、連接工裝和精密轉(zhuǎn)軸，其中在激光器的光軸上依次放置會聚鏡、星點(diǎn)板和分光鏡，星點(diǎn)板位于會聚鏡的焦點(diǎn)上；激光器發(fā)出的激光束經(jīng)會聚鏡會聚后，經(jīng)過星點(diǎn)板的濾波，形成濾波光束，濾波光束到達(dá)分光鏡被分成參考光束和測量光束。在參考光束的光軸方向上依次放置參考鏡、接收屏和CCD探測器；在測量光束的光軸上依次放置調(diào)焦組、折轉(zhuǎn)反射鏡；在測量光束經(jīng)過折轉(zhuǎn)反射鏡轉(zhuǎn)折的光軸上依次放置被測透鏡、連接工裝和精密轉(zhuǎn)軸；其中被測透鏡通過連接工裝固定在精密轉(zhuǎn)軸上。上述測量裝置的連接關(guān)系中，星點(diǎn)板通過分光鏡的反射與參考鏡的曲率中心重合，又通過分光鏡的透射與調(diào)焦組的物面重合；而接收屏則通過分光鏡的透射與參考鏡的 曲率中心重合，又通過分光鏡的反射與調(diào)焦組的物面重合；即星點(diǎn)板與接收屏通過分光鏡形成共軛關(guān)系。當(dāng)參考光束到達(dá)參考鏡后，會被參考鏡原路反射，通過分光鏡，會聚在接收屏上。而測量光束在經(jīng)過調(diào)焦組的內(nèi)部組件調(diào)焦鏡的軸向移動而變換會聚和發(fā)散程度后，其會聚點(diǎn)與被測透鏡中指定的被測鏡面R的曲率中心接近或重合，則到達(dá)被測透鏡的測量光束會被被測鏡面R原路反射，再次通過折轉(zhuǎn)反射鏡、調(diào)焦組和分光鏡后，與上述經(jīng)過參考鏡反射的參考光束發(fā)生干涉，然后發(fā)生干涉的參考光束和測量光束共同會聚在接收屏。撤掉接收屏后，等厚干涉條紋被CCD探測器接收，然后轉(zhuǎn)動精密轉(zhuǎn)軸一周，CCD探測器記錄條紋變化情況；計算組通過線路與CXD探測器連接，通過計算組對CXD探測器記錄條紋變化進(jìn)行計算，得出被測鏡面Rl的中心誤差。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)(I)本發(fā)明使用基于圖像處理的等厚干涉方法，方法穩(wěn)定可靠，將測量精度提升了近一個數(shù)量級，接近0.1"；(2)本發(fā)明采用了自準(zhǔn)直對心的技術(shù)，通過變換測量光束會聚和發(fā)散程度的方法，對被測透鏡中所有的被測鏡面都可進(jìn)行中心誤差的測量，避免了“光學(xué)測試樣板”的干涉測量法僅能進(jìn)行單面測量，無法進(jìn)行整組透鏡的中心誤差測量和裝配的問題。本發(fā)明利用等厚干涉原理能夠測量被測透鏡的中心誤差，并可以實(shí)現(xiàn)對多透鏡組的整組測量，以及提供比常規(guī)目視顯微測量更高的精度。


圖I為現(xiàn)有技術(shù)涉及的中ZX-3型內(nèi)調(diào)焦對心器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)中涉及的使用平凹“光學(xué)測試樣板”測量中心誤差的示意圖；圖3為本發(fā)明中基于等厚干涉法的中心誤差的測量裝置示意圖；圖4為本發(fā)明等厚干涉法測量平行平板楔角示意圖；圖5為本發(fā)明測量被測鏡面Rl中心誤差X的原理示意圖；圖6為本發(fā)明測量多組透鏡的原理示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。如圖3示出本發(fā)明基于等厚干涉法的中心誤差的測量裝置，包括激光器I、會聚鏡2、星點(diǎn)板3、分光鏡4、參考鏡5、接收屏6、CXD探測器7、計算組8、調(diào)焦組10、折轉(zhuǎn)反射鏡11、被測透鏡12、連接工裝13和精密轉(zhuǎn)軸14，其中在激光器I的光軸上依次放置會聚鏡2、星點(diǎn)板3和分光鏡4，星點(diǎn)板3位于會聚鏡2的焦點(diǎn)上；激光器I發(fā)出的激光束經(jīng)會聚鏡2會聚后，經(jīng)過星點(diǎn)板3的濾波，形成濾波光束，濾波光束到達(dá)分光鏡4被分成參考光束和測量光束。在參考光束的光軸方向上依次放置參考鏡5、接收屏6和CXD探測器7 ;在測量光束的光軸上依次放置調(diào)焦組10、折轉(zhuǎn)反射鏡11 ;在測量光束經(jīng)過折轉(zhuǎn)反射鏡11轉(zhuǎn)折的光軸上依次放置被測透鏡12、連接工裝13和精密轉(zhuǎn)軸14 ;其中被測透鏡12通過連接工裝13固定在精密轉(zhuǎn)軸14上。
·
上述測量裝置的連接關(guān)系中，星點(diǎn)板3通過分光鏡4的反射與參考鏡5的曲率中心重合，又通過分光鏡4的透射與調(diào)焦組10的物面重合；而接收屏6則通過分光鏡4的透射與參考鏡5的曲率中心重合，又通過分光鏡4的反射與調(diào)焦組10的物面重合；即星點(diǎn)板3與接收屏6通過分光鏡4形成共軛關(guān)系。當(dāng)參考光束到達(dá)參考鏡5后，會被參考鏡5原路反射，通過分光鏡4，會聚在接收屏6上。而測量光束在經(jīng)過調(diào)焦組10的內(nèi)部組件調(diào)焦鏡9的軸向移動而變換會聚和發(fā)散程度后，其會聚點(diǎn)與被測透鏡12中指定的被測鏡面Rl的曲率中心接近或重合，則到達(dá)被測透鏡12的測量光束會被被測鏡面Rl原路反射，再次通過折轉(zhuǎn)反射鏡11、調(diào)焦組10和分光鏡4后，與上述經(jīng)過參考鏡5反射的參考光束發(fā)生干涉，然后發(fā)生干涉的參考光束和測量光束共同會聚在接收屏6。 撤掉接收屏6后，等厚干涉條紋被CCD探測器7接收，然后轉(zhuǎn)動精密轉(zhuǎn)軸14 一周，CXD探測器7記錄條紋變化情況；計算組8通過線路與CXD探測器7連接，通過計算組8對CXD探測器7記錄條紋變化進(jìn)行計算，得出被測鏡面Rl的中心誤差。本發(fā)明的原理將激光器I發(fā)出的激光束分為參考光束和測量光束，測量光通過調(diào)焦鏡組10和被測鏡面Rl的準(zhǔn)直后原路返回，參考光經(jīng)過參考鏡5的準(zhǔn)直后原路返回，兩束光再次通過分光鏡4后相遇并發(fā)生等厚干涉。根據(jù)幾何光學(xué)原理，做出被測鏡面Rl在分光鏡4中的虛像Rl'，此時在被測鏡面虛像Rl'與參考鏡5之間存在楔形空氣層，滿足了等厚干涉條件，當(dāng)被測鏡面Rl存在中心誤差時，旋轉(zhuǎn)精密轉(zhuǎn)軸一周的過程中，空氣層的楔角會發(fā)生變化，而干涉條紋的疏密相應(yīng)的也會發(fā)生變化。通過記錄干涉條紋的變化情況，通過圖像處理和分析計算可以計算出被測鏡面的中心誤差。本發(fā)明的中心誤差計算方法因該裝置采用的是邁克爾遜干涉儀的形式，其測量中心誤差X的方式等效于邁克爾遜干涉儀測量平行平板小角度光楔楔角的計算方式。如圖4所示，平行平板的楔角為α，最大厚度差用Ah表示，如在寬度為D的平行平板上觀察到的條紋數(shù)目為N，則最大厚度差A(yù)h為
Ah = —( I )
In上式中，λ是測量光的波長，η為平板內(nèi)介質(zhì)的折射率。設(shè)干涉條紋的間距為e，因?yàn)镹 = D/e,所以
j! D
ΔΛ = —1 ·—
2 e(2)因此，只要測出干涉條紋的間距e，即可由上式算出在D范圍內(nèi)的最大厚度差。易見有平行平板的楔角α表示為
Ah Νλ Λa =——=--二 -^
I) In!) 2 Hl(3)為方便公式的推導(dǎo)，我們做出參考鏡5 (設(shè)為Ml)在分光鏡4中的虛像Ml'，它與被測鏡面Rl的角度關(guān)系如圖5所示，如果精密轉(zhuǎn)軸14上的被測鏡面Rl存在中心誤差X，那么在精密轉(zhuǎn)軸14旋轉(zhuǎn)一周的過程中，被測鏡面Rl與參考鏡5的虛像ΜΓ之間的夾角變化將會為2 X，即它們間的楔角變化為2 X，由公式(3)得
NX2χ = α =——
2/") (4)即
NXZ = -TT(5)
4nD公式(5)中，N表示精密轉(zhuǎn)軸14旋轉(zhuǎn)一周的過程中條紋數(shù)的變化量，D則表示被測鏡面測量光斑覆蓋面的直徑，此時被測鏡面Rl與參考鏡5的虛像Ml'之間的介質(zhì)為空氣，折射率為1，即η = I。圖5中，δ為中心誤差X的線量表達(dá)形式，S卩δ = xR，式中R為被測鏡面Rl的曲率半徑。由幾何光學(xué)和相似三角形的知識可以得出，被測鏡面Rl與參考鏡5的虛像Ml，之間的干涉條紋與CCD探測器7上的干涉條紋一一對應(yīng)，即精密轉(zhuǎn)軸14旋轉(zhuǎn)一周的過程中在CXD探測器7上測得的條紋數(shù)的變化量N就是被測鏡面Rl與參考鏡5的虛像Ml，之間由于夾角變化而產(chǎn)生的條紋數(shù)的變化量。設(shè)CCD探測器7上干涉場光斑直徑為Φ，條紋最少時條紋間距為ei，條紋最多時條紋數(shù)為e2，那么可得條紋數(shù)的變化量N表示為
Φ ΦN =------(6)
e2 eI可見，由(5)、(6)兩式可計算得到被測鏡面的中心誤差X
φ φ λχ = (---)·——■(7)
e’ βΛ AnD如圖6所示，當(dāng)被測鏡面為R2、R3、R4......Rn時，根據(jù)算得的相應(yīng)中心誤差x除
以各面相對于其之前所有鏡面的倍率β即可，這樣就可求得各面的中心誤差，并用以指導(dǎo)裝配。因鏡面的倍率β的與所有透鏡的參數(shù)有關(guān)，需要進(jìn)行光線追跡，通常利用光學(xué)設(shè)計軟件完成，其詳細(xì)推導(dǎo)方法詳見“ΖΧ-3型內(nèi)調(diào)焦對心器研制工作報告”，王肇勛，光電工程1984 年 05 期 11-24 頁。本發(fā)明的測量過程如下(I):通過改變從調(diào)焦組10出射的測量光束的會聚和發(fā)散程度，使光束因滿足自準(zhǔn)直條件而被被測鏡面Rl自準(zhǔn)返回，與被參考鏡5返回的光束滿足等厚干涉條件，形成等厚干涉條紋；(2):驅(qū)動精密轉(zhuǎn)軸14旋轉(zhuǎn)，形成間距變化的等厚干涉條紋；(3) :(XD探測器7采集并記錄間距變化的等厚干涉條紋，計算組8通過圖像處理程序計算出旋轉(zhuǎn)過程中的條紋數(shù)變化量；(4):根據(jù)公式(7)計算得出被測鏡面Rl的中心誤差。
此外，在不脫離本發(fā)明宗旨的范圍內(nèi)可進(jìn)行各種變形實(shí)施。
權(quán)利要求
1.一種基于等厚干涉法的中心誤差的測量裝置，其特征在于，所述測量裝置包括激光器⑴、會聚鏡⑵、星點(diǎn)板⑶、分光鏡⑷、參考鏡(5)、接收屏(6)、CXD探測器(7)、計算組(8)、調(diào)焦組(10)、折轉(zhuǎn)反射鏡(11)、被測透鏡(12)、連接工裝(13)和精密轉(zhuǎn)軸(14)，其中 在激光器⑴的光軸上依次放置會聚鏡(2)、星點(diǎn)板(3)和分光鏡(4)，星點(diǎn)板(3)位于會聚鏡(2)的焦點(diǎn)上；激光器(I)發(fā)出的激光束經(jīng)會聚鏡(2)會聚后，經(jīng)過星點(diǎn)板(3)的濾波，形成濾波光束，濾波光束到達(dá)分光鏡(4)被分成參考光束和測量光束； 在參考光束的光軸方向上依次放置參考鏡(5)、接收屏(6)和CCD探測器(7);在測量光束的光軸上依次放置調(diào)焦組(10)、折轉(zhuǎn)反射鏡(11);在測量光束經(jīng)過折轉(zhuǎn)反射鏡(11)轉(zhuǎn)折的光軸上依次放置被測透鏡(12)、連接工裝(13)和精密轉(zhuǎn)軸(14);其中被測透鏡(12)通過連接工裝(13)固定在精密轉(zhuǎn)軸(14)上； 上述測量裝置的連接關(guān)系中，星點(diǎn)板⑶通過分光鏡⑷的反射與參考鏡(5)的曲率中心重合，又通過分光鏡(4)的透射與調(diào)焦組(10)的物面重合；而接收屏(6)則通過分光鏡⑷的透射與參考鏡(5)的曲率中心重合，又通過分光鏡(4)的反射與調(diào)焦組(10)的物面重合；即星點(diǎn)板(3)與接收屏(6)通過分光鏡(4)形成共軛關(guān)系； 當(dāng)參考光束到達(dá)參考鏡(5)后，會被參考鏡(5)原路反射，通過分光鏡(4)，會聚在接收屏⑶上； 而測量光束在經(jīng)過調(diào)焦組(10)的內(nèi)部組件調(diào)焦鏡(9)的軸向移動而變換會聚和發(fā)散程度后，其會聚點(diǎn)與被測透鏡(12)中指定的被測鏡面(Rl)的曲率中心接近或重合，則到達(dá)被測透鏡(12)的測量光束會被被測鏡面(Rl)原路反射，再次通過折轉(zhuǎn)反射鏡(11)、調(diào)焦組(10)和分光鏡(4)后，與上述經(jīng)過參考鏡(5)反射的參考光束發(fā)生干涉，然后發(fā)生干涉的參考光束和測量光束共同會聚在接收屏(6)； 撤掉接收屏(6)后，等厚干涉條紋被CCD探測器(7)接收，然后轉(zhuǎn)動精密轉(zhuǎn)軸(14) 一周，CCD探測器(7)記錄條紋變化情況； 計算組(8)通過線路與CXD探測器(7)連接，通過計算組(8)對CXD探測器(7)記錄條紋變化進(jìn)行計算，得出被測鏡面Rl的中心誤差。
全文摘要
本發(fā)明是一種基于等厚干涉法的中心誤差的測量裝置，該裝置包括激光器、會聚鏡、星點(diǎn)板、分光鏡、參考鏡、接收屏、CCD探測器、計算組、調(diào)焦組、轉(zhuǎn)折反射鏡、被測透鏡、連接工裝和精密轉(zhuǎn)軸。在激光器的光軸上依次放置會聚鏡、星點(diǎn)板和分光鏡，星點(diǎn)板位于會聚鏡的焦點(diǎn)上；在參考光束的光軸方向上依次放置參考鏡、接收屏和CCD探測器；在測量光束的光軸上依次放置調(diào)焦組、折轉(zhuǎn)反射鏡；在測量光束經(jīng)過折轉(zhuǎn)反射鏡轉(zhuǎn)折的光軸上依次放置被測透鏡、連接工裝和精密轉(zhuǎn)軸；其中被測透鏡通過連接工裝固定在精密轉(zhuǎn)軸上；本發(fā)明利用等厚干涉原理能夠測量被測透鏡的中心誤差，并可以實(shí)現(xiàn)對多透鏡組的整組測量，以及提供比常規(guī)目視顯微測量更高的精度。
文檔編號G01B11/27GK102878956SQ20121040499
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月22日
發(fā)明者馬天夢, 李戀 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所