CN112268526B - 一种基于螺旋相位板的球面曲率半径批量测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于测试计量技术领域，尤其是一种基于螺旋相位板的球面曲率半径批量测量装置及方法，包括上位机、电源模块、运动控制器、光学探头、测环、精密位移测量探头、电动平移台、支架，支架上具有纵向导轨和精密位移测量探头，电动平移台安装于纵向导轨上，光学探头固定于电动平移台外侧，精密位移测量探头位于电动平移台上方接触式测量电动平移台的高度，测环固定于光学探头上方，待测光学元件置于测环内。本发明通过引入螺旋相位制作了光学探头，调制光束使光斑与表面位置有关，批量测量时无需调节探头位置直接可进行非接触测量，与现有接触式测量仪器相比，本方法对表面损伤较小且批量测量时效率更高，有望在光学加工企业广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及测试计量技术领域，尤其涉及一种基于螺旋相位板的球面曲率半径批量测量装置及方法。
背景技术
球面透镜曲率半径的加工精度是影响透镜光学性能的重要因素，在加工中必须严格加以控制，目前已开发了多种曲率半径测量方法，可分为接触式与非接触式两种。接触式测量中一般使用机械探针确定表面位置高度，已开发球径仪及表面轮廓仪等商用设备。由于机械探头对表面无抛光要求，因此该方法适用范围较广，可应用于不同加工阶段透镜的测量，但其易损伤透镜表面，尤其对于较软的红外玻璃材料，测量时可能造成划痕，影响光学性能。相比之下，非接触式一般使用光学探头确定表面位置，不会造成影响，目前主要有自准直法及扫描法等，前者要求表面抛光，且装夹时需仔细调整以分别测量球心及猫眼位置，后者需使用精密扫描装置，适用范围广，但效率低且成本较高，可见光学精密加工中亟需一种批量高速测量曲率半径的技术与装置。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种基于螺旋相位板的球面曲率半径批量测量装置及方法，适用于球面光学元件曲率半径的批量高速测量，在光学元件加工精度的检测中有广阔的应用前景。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于螺旋相位板的球面曲率半径批量测量装置，包括上位机、电源模块、运动控制器、光学探头、测环、精密位移测量探头、电动平移台、支架，所述支架为立式的，支架上具有纵向导轨，所述电动平移台安装于纵向导轨上，所述光学探头固定于电动平移台外侧，所述精密位移测量探头也安装在支架上，精密位移测量探头位于电动平移台上方接触式测量电动平移台的高度，所述测环固定于光学探头上方的拍摄区域，待测光学元件置于测环内，所述运动控制器分别线路连接上位机、光学探头、精密位移测量探头、电动平移台；所述上位机、运动控制器、光学探头、精密位移测量探头、电动平移台均由电源模块供电。
作为更进一步的优选方案，光学探头包括激光器、显微物镜、半透半反镜、螺旋相位板、CMOS成像模块，所述显微物镜、半透半反镜、螺旋相位板、CMOS成像模块从上至下依次布置，所述半透半反镜呈45°固定，所述激光器位于半透半反镜一侧，激光器照射在半透半反镜上。
作为更进一步的优选方案，精密位移测量探头的测量范围大于20mm，分辨率达1μm以上。
作为更进一步的优选方案，显微物镜的数值孔径需高于0.4，焦深范围大于10μm，工作距离大于2mm。
作为更进一步的优选方案，CMOS成像模块的使用面阵探测器，像素数目大于100万以上。
一种基于螺旋相位板的球面曲率半径批量测量方法，其特征在于：包括标定步骤及测量步骤，在进行测量前需首先进行标定，确定测环的准确半径，并将标定后参数保存在系统硬盘中，测量时读取测环参数计算曲率半径，两者均使用球面矢高法进行计算，计算原理图如图4所示。由图4中几何关系计算可得球面曲率半径为是通用的球径计算公式，根据半径矢高计算即可
式中ρ为红宝石球半径，当球面为凹面时符号为正，凸面时符号为负。r及h定义见图4，r为弦长半径，h为矢高。
标定步骤为：
1.根据待测球面透镜的口径选择合适的测环半径，安装红宝石球探头；
2.在测环上放置平晶，移动光学探头聚焦点至平晶下表面，记录此时的光学探头位置及光斑旋转角度；
3.移动光学探头，每步移动1μm，记录每步的光学探头位置及光斑旋转角度；
4.取下平晶，在测环上放置已知曲率半径的球面透镜，移动光学探头聚焦点至球面透镜表面，记录光斑旋转角度及光学探头位置，计算对应的球面矢高；
5.假设球面为凹面,则测环弦长为
6.在硬盘上保存测环弦长信息。
测量步骤为：
1.在测环上放置待测球面透镜；
2.移动光学探头聚焦点至待测球面透镜下表面表面，记录光斑旋转角度及光学探头位置，计算对应的球面矢高；
3.根据式(1)及标定的测环半径计算球面曲率半径；
4.当批量测量时无需移动光学探头，直接更换待测球面透镜，通过光斑旋转角度不同确定矢高不同，更新球面曲率半径，由于无需任何调节，测量效率较高。
本发明通过引入螺旋相位制作了光学探头，调制光束使光斑与表面位置有关，批量测量时无需调节探头位置直接可进行非接触测量，与现有接触式测量仪器相比，本方法对表面损伤较小且批量测量时效率更高，有望在光学加工企业广泛应用。
附图说明
图1是发明的结构示意图；
图2是照明模块的结构示意图；
图3是螺旋相位板点扩散函数示意图；
图4是本申请实施例的测量原理示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
请参阅图1，本申请实施方式提供一种基于螺旋相位板的球面曲率半径批量测量装置及方法，装置包括上位机1、运动控制器2、电源模块3、光学探头4、测环5、待测球面透镜6、精密位移测量探头7、电动平移台8、支架9，其中，所述光学探头4结构请参阅图2，包括激光器41、显微物镜42、半透半反镜43、螺旋相位板44、CMOS成像模块45。
实施例中所述激光器41使用半导体激光器，中心波长在可见光范围，产生发散光束，光束经过所述半透半反镜43反射后进入所述显微物镜42被聚焦，聚焦光束经待测表面反射后返回显微物镜，经过半透半反镜投射后入射至螺旋相位板，形成旋转角度与待测表面矢高相关的光斑形状，根据光斑旋转角度可得待测表面矢高信息。
实施例中所述显微物镜42的数值孔径需高于0.4，焦深范围大于10μm，工作距离大于2mm。
实施例中所述半透半反镜43的工作角度为45°，透射与反射比例为50:50。
测环包括基底及红宝石球探针，基底材料为不锈钢，上表面有多组同心螺纹安装孔，每组包括三个安装孔，与高精度红宝石球探针连接，具体的说，待测球面透镜放置于测环红宝石球探针上，所述光学探头测量与探针接触表面的曲率半径。
实施例中所述螺旋相位44使用压模制作，相位分布通过叠加高斯-拉盖尔模式获得，如式(3)，使用(m,n)＝(1,1),(5,3),(9,7),(13,9)及(17,11)五个模式叠加，各模式能量相同。
ψ(z)＝arctan(z/zr) (4)
式中使用柱坐标系zr为高斯光束瑞利距离。
实施例中所述螺旋相位板4形成的点扩散函数与传播距离之间的典型关系如图3所示，其中从图3(a)至3(e)，(a)z＝-0.4zr,(b)z＝-0.2zr,(c)z＝0zr,(d)z＝0.2zr,及(e)z＝0.4zr，为不同轴向位置处的光斑形状；当传播距离不同时，光斑的形状发生旋转，其中z＝0对应高斯光束束腰位置，在束腰处具有最大旋转速度，具体的说，螺旋相位板在光束中附加螺旋相位，将点扩散函数调制为旋转角度与传播距离相关。
实施例中所述CMOS成像模块45使用面阵探测器，像素数目大于100万以上，不限制黑白或彩色，可为裸的模组或封装后工业相机，通过USB接口与所述上位机连接，将光斑图像实时传输至上位机。
实施例中所述光学探头4安装在所述电动平移台8上，由电动平移台带动上下扫描，光学探头基于螺旋相位板产生旋转方向与物距相关的点扩散函数并采集光斑图像。
实施例中所述电动平移台8的位置由所述精密位移测量探头7进行测量，使用闭环步进电机，当平移台不能自锁时，步进电机需加装刹车装置。
实施例中所述电动平移台8由所述运动控制器3进行控制，固定部分安装在所述支架9上。
实施例中所述精密位移测量探头7的测量范围大于20mm，分辨率达1μm以上(建议0.1μm)，为接触式测量，固定部分安装在所述支架9上，移动部分与电动平移台移动部分接触。
实施例中所述运动控制器2包括微处理器和闭环步进电机驱动器，与所述上位机1之间通过串口进行连接，提供脉冲及方向信号用于控制电动扫描平移台。
上述的微处理器读取精密位移测量探头相位信号并将其转化为位移，上位机分析图像获得矢高，结合测环半径计算可得球面曲率半径。
实施例中所述的电源模块3使用开关电源，输入220V交流电，提供24V与5V两路电源及一路可调恒流源，其中24V电压用于运动控制器，5V电压用于微处理器，输入交流信号可根据不同国家及地区标准进行更改。
实施例中所述上位机使用Windows操作系统，提供USB接口，自行编写控制软件，包括用于交互操作的人机界面模块、用于获取CMOS模块图像数据的采集模块、用于与运动控制器进行通信的通信模块、用于保存数据及配置参数的文件模块。
本申请包括标定及测量两个模式，在进行测量前需首先进行标定，确定测环的准确半径，并将标定后参数保存在系统硬盘中，测量时读取测环参数计算曲率半径，两者均使用球面矢高法进行计算，计算原理图如图4所示。由图4中几何关系计算可得球面曲率半径为
式中ρ为红宝石球半径，当球面为凹面时符号为正，凸面时符号为负。r及h定义见图4，r为弦长半径，h为矢高。
本申请的标定步骤为：
1.根据待测球面透镜的口径选择合适的测环半径，安装红宝石球探头；
2.在测环上放置平晶，移动光学探头聚焦点至平晶下表面，记录此时的光学探头位置及光斑旋转角度；
3.移动光学探头，每步移动1μm，记录每步的光学探头位置及光斑旋转角度；
4.取下平晶，在测环上放置已知曲率半径的球面透镜，移动光学探头聚焦点至球面透镜表面，记录光斑旋转角度及光学探头位置，计算对应的球面矢高；
5.假设球面为凹面,则测环弦长为
6.在硬盘上保存测环弦长信息。
本申请的测量步骤为：
1.在测环上放置待测球面透镜；
2.移动光学探头聚焦点至待测球面透镜下表面表面，记录光斑旋转角度及光学探头位置，计算对应的球面矢高；
3.根据式(1)及标定的测环半径计算球面曲率半径；
4.当批量测量时无需移动光学探头，直接更换待测球面透镜，通过光斑旋转角度不同确定矢高不同，更新球面曲率半径，由于无需任何调节，测量效率较高。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于螺旋相位板的球面曲率半径批量测量装置，其特征在于：包括上位机(1)、电源模块(2)、运动控制器(3)、光学探头(4)、测环(5)、精密位移测量探头(7)、电动平移台(8)、支架(9)，所述支架(9)为立式的，支架(9)上具有纵向导轨，所述电动平移台(8)安装于纵向导轨上，所述光学探头(4)固定于电动平移台(8)外侧，所述精密位移测量探头(7)也安装在支架(9)上，精密位移测量探头(7)位于电动平移台(8)上方接触式测量电动平移台(8)的高度，所述测环(5)固定于光学探头(4)上方的拍摄区域，待测光学元件(6)置于测环(5)内，所述运动控制器(3)分别线路连接上位机(1)、光学探头(4)、精密位移测量探头(7)、电动平移台(8)；所述上位机(1)、运动控制器(3)、光学探头(4)、精密位移测量探头(7)、电动平移台(8)均由电源模块(2)供电；
所述光学探头(4)包括激光器(41)、显微物镜(42)、半透半反镜(43)、螺旋相位板(44)、CMOS成像模块(45)，所述显微物镜(42)、半透半反镜(43)、螺旋相位板(44)、CMOS成像模块(45)从上至下依次布置，所述半透半反镜(43)呈45°固定，所述激光器(41)位于半透半反镜(43)一侧，激光器(41)照射在半透半反镜(43)上；
所述精密位移测量探头(7)的测量范围大于20mm，分辨率达1μm以上。
2.根据权利要求1所述的一种基于螺旋相位板的球面曲率半径批量测量装置，其特征在于：所述显微物镜(42)的数值孔径需高于0.4，焦深范围大于10μm，工作距离大于2mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于螺旋相位板的球面曲率半径批量测量装置，其特征在于：所述CMOS成像模块(45)的使用面阵探测器，像素数目大于100万以上。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种基于螺旋相位板的球面曲率半径批量测量装置的测量方法，其特征在于：包括标定步骤及测量步骤，在进行测量前需首先进行标定，确定测环的准确半径，并将标定后参数保存在系统硬盘中，测量时读取测环参数计算曲率半径，两者均使用球面矢高法进行计算，通过球径计算公式计算可得球面曲率半径为
式中ρ为红宝石球半径，当球面为凹面时符号为正，凸面时符号为负，r为弦长半径，h为矢高；
标定步骤为：
(1)根据待测球面透镜的口径选择合适的测环半径，安装红宝石球探头；
(2)在测环上放置平晶，移动光学探头聚焦点至平晶下表面，记录此时的光学探头位置及光斑旋转角度；
(3)移动光学探头，每步移动1μm，记录每步的光学探头位置及光斑旋转角度；
(4)取下平晶，在测环上放置已知曲率半径的球面透镜，移动光学探头聚焦点至球面透镜表面，记录光斑旋转角度及光学探头位置，计算对应的球面矢高；
(5)假设球面为凹面,则测环弦长为
(6)在硬盘上保存测环弦长信息；
测量步骤为：
(1)在测环上放置待测球面透镜；
(2)移动光学探头聚焦点至待测球面透镜下表面表面，记录光斑旋转角度及光学探头位置，计算对应的球面矢高；
(3)根据式(1)及标定的测环半径计算球面曲率半径；
(4)当批量测量时无需移动光学探头，直接更换待测球面透镜，通过光斑旋转角度不同确定矢高不同，更新球面曲率半径，由于无需任何调节，测量效率较高。
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