五维位姿监测的差动共焦曲率半径测量

庄雨晴; 章广威; 赵维谦; 崔健; 王允

doi:10.37188/OPE.20233107.0975

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五维位姿监测的差动共焦曲率半径测量

现代应用光学 | 更新时间：2023-04-14

- 五维位姿监测的差动共焦曲率半径测量
- Differential confocal radius of curvature measurement method for five-dimensional position monitoring
- 光学精密工程 2023年31卷第7期页码：975-981
- 作者机构：
  
  北京理工大学光电学院复杂环境智能感测技术工信部重点实验室，北京 100081
- 作者简介：
  
  [ "庄雨晴（1997-），女，安徽阜阳人，硕士研究生，2020年于西安工业大学获得学士学位，主要研究方向为精密光学测量。E-mail：z13201798318@163.com" ]
  [ "王允（1984-），男，山东威海人，教授，2008年、2013年于北京理工大学分别获得学士和博士学位，主要研究方向为差动共焦理论与精密光学检测。E-mail：alotrabbits@163.com" ]
- 基金信息：
  
  国家重点研发计划课题(2017YFA0701203);国家自然科学基金杰青项目(51825501)
- DOI：10.37188/OPE.20233107.0975
  中图分类号： TN249;TH741
- 收稿日期：2022-11-10，
  
  修回日期：2022-12-12，
  
  纸质出版日期：2023-04-10
- 稿件说明：
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庄雨晴,章广威,赵维谦等.五维位姿监测的差动共焦曲率半径测量[J].光学精密工程,2023,31(07):975-981.

ZHUANG Yuqing,ZHANG Guangwei,ZHAO Weiqian,et al.Differential confocal radius of curvature measurement method for five-dimensional position monitoring[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(07):975-981.
庄雨晴,章广威,赵维谦等.五维位姿监测的差动共焦曲率半径测量[J].光学精密工程,2023,31(07):975-981. DOI： 10.37188/OPE.20233107.0975.

ZHUANG Yuqing,ZHANG Guangwei,ZHAO Weiqian,et al.Differential confocal radius of curvature measurement method for five-dimensional position monitoring[J].Optics and Precision Engineering,2023,31(07):975-981. DOI： 10.37188/OPE.20233107.0975.

摘要

为提高球面透镜曲率半径的测量精度，提出基于五维位姿监测调整的差动共焦曲率半径高精度测量方法。通过驱动被测样品回转，在探测器上监测被测件的共焦点轨迹，测量被测件球心点与测量光轴之间的偏心误差，结合位姿调整系统对偏心误差进行自动补偿，确保测量过程中被测件球心与测量光轴重合，消除被测样品球心离轴引入的测量余弦误差，进而消除每次装调的样品位姿误差对测量精度的影响。理论计算和初步实验表明：该方法对曲率半径的相对重复测量精度（RMS）可达到3.2×10

。该方法显著提升了曲率半径的重复测量精度，为曲率半径的精密测量提供了有效途径。同时，该方法还为透镜中心偏、焦距、厚度、镜组间隔等多种参数的高精度测量提供了有效方法。

Abstract

To improve the measurement accuracy of the radius of curvature， a high-precision measurement method of a differential confocal radius of curvature based on a five-dimensional （5D） pose monitoring adjustment was proposed. On the basis of the differential confocal curvature radius measurement system， this method introduces a 5D position monitoring and adjustment structure by driving the measured part rotation on the detector to monitor the confocal trajectory. In addition， it enables measurement of the eccentric error of the spherical center point of the measured part and the measured optical axis， combined with two-dimensional （2D） translation and 2D angle adjustment to automatically compensate for the eccentric error. Further， it aims to ensure that the measured sample spherical center and the measured optical axis are in good agreement during the measurement process， eliminate the measurement cosine error caused by the deviation of the spherical center of the measured sample， and eliminate the influence of the sample posture error on the measurement accuracy of each installation. Based on the results obtained， repeatability measurements are significantly improved with the proposed method. Theoretical simulation and preliminary experimental results show that the repeatability of the proposed method for measuring the radius of curvature can reach 3.2×10

. This method is shown to be an effective way of obtaining a precise measurement of the radius of curvature. At the same time， this method can also be extended to the measurement of the lens center deviation， focal length， thickness， lens group interval， and other parameters to improve the measurement repeatability of lens parameters.

关键词

Keywords

references

JOHNSON T P ， CROWE D G . Optical design and intensity interferometry simulations in support of the Kilometer Space Telescope ［J］. Applied Optics ， 2021 ， 60 （ 12 ）： 3464 - 3473 . doi: 10.1364/ao.421710 http://dx.doi.org/10.1364/ao.421710

ZHANG D F ， LI X L ， RUI D W ， et al . Key technology progress of optomechanical systems in 193 nm projection objective ［J］. Scientia Sinica Technologica ， 2017 ， 47 （ 6 ）： 565 - 581 . doi: 10.1360/n092017-00008 http://dx.doi.org/10.1360/n092017-00008

杨李茗，叶海仙 . 大口径大曲率半径光学元件的高精度检测［J］. 光学精密工程， 2011 ， 19 （ 6 ）： 1207 - 1212 . doi: 10.3788/ope.20111906.1207 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20111906.1207

YANG L M ， YE H X . High-precision metrology for optical components with large-apertures and large radii of curvature ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2011 ， 19 （ 6 ）： 1207 - 1212 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20111906.1207 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20111906.1207

邱丽荣，李佳，赵维谦，等 . 激光共焦透镜曲率半径测量系统［J］. 光学精密工程， 2013 ， 21 （ 2 ）： 246 - 252 . doi: 10.3788/ope.20132102.0246 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20132102.0246

QIU L R ， LI J ， ZHAO W Q ， et al . Laser confocal measurement system for curvature radii of lenses ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2013 ， 21 （ 2 ）： 246 - 252 . （in Chinese） . doi: 10.3788/ope.20132102.0246 http://dx.doi.org/10.3788/ope.20132102.0246

卜乙禄，李琦，李彦宏，等 . 激光差动共焦反射式超大曲率半径测量系统研制［J］. 电子测量与仪器学报， 2020 ， 34 （ 5 ）： 1 - 8 . doi: 10.13382/j.jemi.B2002964 http://dx.doi.org/10.13382/j.jemi.B2002964

BU Y L ， LI Q ， LI Y H ， et al . Development of laser reflection differential confocal ultra-large radius measurement system ［J］. Journal of Electronic Measurement and Instrumentation ， 2020 ， 34 （ 5 ）： 1 - 8 . （in Chinese） . doi: 10.13382/j.jemi.B2002964 http://dx.doi.org/10.13382/j.jemi.B2002964

DE JESÚS ALVARADO MARTÍNEZ J ， MONTIEL S V Y ， BELLO C J C . Optical spherometer for measuring large curvature radii of convex surfaces ［C］. SPIE Optical Engineering+Applications. Proc SPIE 10375 ， Current Developments in Lens Design and Optical Engineering XVIII， San Diego， California， USA. SPIE ， 2017 ， 10375 ： 254 - 264 .

徐瑞，赵劲松，岳清，等 . 基于三坐标测量机的大口径红外光学透镜曲率半径测量方法研究［J］. 红外技术， 2018 ， 40 （ 4 ）： 338 - 345 .

XU R ， ZHAO J S ， YUE Q ， et al . Measurement of curvature radius of large diameter aperture infrared optical lens based on CMM ［J］. Infrared Technology ， 2018 ， 40 （ 4 ）： 338 - 345 . （in Chinese）

李建民 . 用自准直原理测大曲率半径调焦误差及讨论［J］. 计量技术， 2004 （ 11 ）： 25 - 27 . doi: 10.3901/jme.2003.03.151 http://dx.doi.org/10.3901/jme.2003.03.151

LI J M . Discussion on measuring focusing error of large curvature radius with self-collimation principle ［J］. Measurement Technique ， 2004 （ 11 ）： 25 - 27 . （in Chinese） . doi: 10.3901/jme.2003.03.151 http://dx.doi.org/10.3901/jme.2003.03.151

KREDBA J ， PSOTA P ， STAŠÍK M ， et al . Absolute interferometry for fast and precise radius measurement ［J］. Optics Express ， 2021 ， 29 （ 8 ）： 12531 - 12542 . doi: 10.1364/oe.420372 http://dx.doi.org/10.1364/oe.420372

WU Q Y ， HUANG Q S ， YU J ， et al . Simulation and measurement of systematic errors of stitching interferometry for high precision X-ray mirrors with large radius of curvature ［J］. Applied Optics ， 2021 ， 60 （ 28 ）： 8694 - 8705 . doi: 10.1364/ao.433143 http://dx.doi.org/10.1364/ao.433143

CUI J P ， LI Z G ， BAO Z J ， et al . Radius measurement of large aperture long-focal-length lens using computer-generated hologram ［C］. Optical Technology and Measurement for Industrial Applications Conference 2021. April 20 - 22 ， 2021 . Online， Japan. SPIE ， 2021 ， 11927 ： 119270E .

YANG Z M ， WANG K L ， CHENG J L ， et al . Large radius of curvature measurement based on virtual quadratic Newton rings phase-shifting moiré-fringes measurement method in a nonnull interferometer ［J］. Applied Optics ， 2016 ， 55 （ 17 ）： 4769 - 4775 . doi: 10.1364/ao.55.004769 http://dx.doi.org/10.1364/ao.55.004769

TANG S ， LI Y H ， QIU L R ， et al . High-precision laser transverse differential confocal radius measurement method ［J］. Optics Express ， 2021 ， 29 （ 19 ）： 29960 - 29971 . doi: 10.1364/oe.433012 http://dx.doi.org/10.1364/oe.433012

李彦宏，杨帅，唐顺，等 . 后置分光瞳激光差动共焦曲率半径测量［J］. 光学精密工程， 2021 ， 29 （ 10 ）： 2287 - 2295 . doi: 10.37188/OPE.20212910.2287 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212910.2287

LI Y H ， YANG SH ， TANG SH ， et al . Detecting divided aperture laser differential confocal radius measurement ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2021 ， 29 （ 10 ）： 2287 - 2295 . （in Chinese） . doi: 10.37188/OPE.20212910.2287 http://dx.doi.org/10.37188/OPE.20212910.2287

LI J J ， TANG L ， LI Q ， et al . Laser transverse dual differential confocal radius measurement with high efficiency and high precision ［J］. Optics Express ， 2022 ， 30 （ 14 ）： 24481 - 24496 . doi: 10.1364/oe.461056 http://dx.doi.org/10.1364/oe.461056

孙若端，邱丽荣，杨佳苗，等 . 激光差动共焦曲率半径测量系统的研制［J］. 仪器仪表学报， 2011 ， 32 （ 12 ）： 2833 - 2838 .

SUN R D ， QIU L R ， YANG J M ， et al . Development of laser differential confocal radius measurement system ［J］. Chinese Journal of Scientific Instrument ， 2011 ， 32 （ 12 ）： 2833 - 2838 . （in Chinese）

WANG X H ， TANG S ， ZHAO W Q ， et al . Laser confocal auto-collimation decentration measurement for spherical lens ［J］. Measurement Science and Technology ， 2020 ， 31 （ 10 ）： 105002 . doi: 10.1088/1361-6501/ab8eea http://dx.doi.org/10.1088/1361-6501/ab8eea

占伟伟，卢海燕，王秀，等 . 基于灰度加权重心法的线阵CCD亚像素细分定位实验研究［J］. 光学技术， 2018 ， 44 （ 4 ）： 476 - 479 .

ZHAN W W ， LU H Y ， WANG X ， et al . Experimental study on sub-pixel subdivision location of linear CCD based on gray weighted centroid algorithm ［J］. Optical Technique ， 2018 ， 44 （ 4 ）： 476 - 479 . （in Chinese）

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