三维轮廓扫描法测量透镜曲率半径的实验研究

　　引言

　　透镜曲率半径的精确测量是光学领域的重要主题。目前国内外测量曲率半径所使用的方法主要有干涉仪法[1-4]、自准直法[5-7]、差动共焦法[8]和球径仪法[9]等，其中前三种属非接触式测量方法，球径仪法属接触式测量方法。干涉仪法在对光学球面顶点定焦时会因波面反转而影响测量精度，尤其在测量曲率半径较大而相对孔径较小的透镜时测量精度非常低。自准直法的测量精度主要取决于瞄准定焦和测长精度，在测量大相对孔径球面曲率半径时的相对误差约为千分之一。与干涉法和自准直法相比，差动共焦法具有较高的定焦精度，其曲率半径测量精度可达到10-5水平。球径仪的优点是可直接测量精磨后的凸面和凹面，但在测量大口径、大相对孔径的光学零件时精度较低，还容易受到被测面形的局部误差、疵病、污点的影响。三维轮廓扫描方法是一种接触式测量方法，可通过连续扫描透镜表面的三维空间形貌，拟合得到其曲率半径值。与以上方法相比，三维轮廓扫描法的优点有：可根据透镜的实际使用口径选取给定大小的区域进行测量，获得被测范围内的曲率半径最小二乘拟合结果;可以同时获得曲率半径和表面面形结果;测量相对孔径较小的透镜时依然可以保持较高的测量精度，例如，相对孔径仅为0.3时，该方法测量曲率半径的相对重复性标准差就可达到10-6的水平;基于微弱测量力探针测量系统的接触力仅为0.25mN，对光学表面的划伤基本可以忽略。

　　本文介绍了基于原子力探针的三维轮廓扫描法的原理，基于实验研究了该方法在测量不同曲率半径的球面透镜的测量精度，以及改变测量区域大小和扫描间距等条件对测量精度的影响，并根据实验结果进行拟合给出经验公式，对于实际应用中实现高效率和高精度曲率半径测量具有一定的指导意义。

　　1　测量原理

　　本研究采用的测量仪器为日本松下公司生产的UA3P-5型高精度三维自由曲面测量仪，其工作原理为：探针在三维方向上扫描被测物体的表面轮廓，利用He-Ne激光干涉测位移系统，准确测量探针在X、Y、Z3个方向上的位移，绘出被测物体表面的三维形貌，同时利用专用的伺服系统控制探针与被测物体表面之间的间距，保持0.25mN的微弱测量力恒定不变，减少对被测样品表面的损伤。仪器的测量范围为200mm × 200mm×45mm，当被测曲面倾斜角不大于30°时，Z轴测量误差不大于±0.05μm。仪器测量球面透镜的曲率半径和面形时，可采用XY轴扫描、XY逐行扫描和环形扫描等方式，如图1所示。测量区域越大、扫描间距越小时，获得的测量数据越多，则测量精度越高，但测量过程耗时更长，效率更低。因此，实际应用中，应根据需要选择合适的参数，同时保证高效率和高精度测量。