CN100541114C - 双曲面反射镜的多维全场光学校验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种双曲面反射镜的多维全场光学校验装置。它包括准直光源、分束镜、参考臂光路、测量光路和接收装置；准直光源发出的准直光束射入分束镜，分束镜将准直光束分成两部分，反射部分经反射镜II反射后再透过分束镜作为参考光；透射部分经汇聚透镜汇聚到被测双曲面镜的部分镜面上，汇聚光线延长线相交于被测双曲面镜的一个焦点上，经被测双曲面镜反射后，汇聚到一个标准球面反射镜上，光线的延长线汇聚于球面反射镜的球心，经球面反射镜反射后，沿原路返回，再经过被测双曲面镜和汇聚透镜和半反射镜反射，作为测试光；参考光和汇聚光汇集到接收装置。本发明的装置能够对不同尺度、高反射率的双曲面反射镜表面形貌及反射率参数进行测量。

Description

双曲面反射镜的多维全场光学校验装置

(一)技术领域

本发明涉及的是一种光学校验系统，特别是一种双曲面反射镜的多维全场光学校验系统。

(二)背景技术

光学全方位视觉技术近年来在国内外获得了广泛地关注，应用领域包括机器人视觉、火点监测、靶场监控、货车后视、月球车、火星车、安全防护等很多军事及民用领域。在军事上可以将此系统放置在靶船上监视来袭导弹的轨迹，可以应用于机器人或战车上作为环境观测手段，在民用领域可以作为箱式货车的后部观察系统，或者作为公共场所安全监控、重要场所火点监控的核心部件。这种技术的优点在于可以利用一个CCD镜头进行360度视场监测，与传统的多摄像头或旋转相机的方法相比，系统集成度更高、稳定性更好。

光学全方位视觉系统的核心部件是一个高反射率的反射镜，将周围360度的图像成像在CCD中心点附近。目前可供选择的反射镜形状有金字塔形、圆锥形、半球形、旋转抛物面形、椭球面形和旋转双曲面形。经过分析比较各种形状的反射镜，旋转双曲面形反射镜(以下简称双曲面反射镜)由于可以将周围大尺度的图像成像于很小的范围内，便于利用数字CCD拍摄与记录，使用更为方便。

在光学全方位视觉系统中，反射镜的反射率及表面形貌对成像效果至关重要，因此对反射镜进行精细测量非常重要。如果加工获得的反射镜形状偏离理想形状或反射率不均匀，则会影响对应位置物体的观察与测量。目前，双曲面等非球面反射镜的光学测量是一个难题，没有现成的仪器可以对不同尺度的高反射率双曲面镜的反射率及表面形貌进行测量。

传统的表面测量方法要求被测面具有一定的漫反射性质，不符合双曲面反射镜的测试要求；球面反射镜的测试可以采用泰曼-格林干涉仪，但对双曲面反射镜不合适；如果单对某一固定尺寸的反射镜而言，也有利用一块非球面透镜(补偿器)进行被测镜的全场测量的(参考文献：郭培基，余景池，用校正法提高补偿器检测法的精度，光学精密过程，14卷2期202-206页，2006年)，但这种补偿器检测法不能作为系列双曲面反射镜的测试手段，而且该非球面透镜(补偿器)的加工也是十分困难的。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能够对不同尺度、高反射率的双曲面反射镜表面形貌及反射率参数进行测量的双曲面反射镜的多维全场光学校验装置。

本发明的目的是这样实现的：它包括准直光源、分束镜、参考光路、测量光路和接收装置；准直光源发出的准直光束射入分束镜，分束镜将准直光束分成透射与反射两路，一路反射光作为参考光，参考光路上设置有反射镜II组成参考臂，所述参考光经反射镜II反射后再透过分束镜；另一路透射光作为测量光，测量光路上设置有由汇聚透镜、被测双曲面反射镜和标准球面反射镜组成的测量臂，测量光经汇聚透镜汇聚到被测双曲面反射镜的部分镜面上，汇聚光线延长线相交于被测双曲面反射镜的一个焦点上，经被测双曲面反射镜反射后，汇聚到标准球面反射镜上，光线的延长线汇聚于标准球面反射镜的球心，经标准球面反射镜反射后，沿原路返回，再经过被测双曲面反射镜反射，透过汇聚透镜，再经分束镜反射，作为测量光；参考光和测量光汇集到接收装置，得到带有被测双曲面反射镜信息的干涉条纹，被测双曲面反射镜安装在两维旋转机构上，其中的一维旋转的转轴为被测双曲面反射镜轴线，另一维旋转的转轴垂直于被测双曲面反射镜的轴线。

本发明还可以包括这样一些结构特征：

1、分束镜的透射光作为测量光、反射光作为参考光。

2、分束镜的反射光作为测量光、透射光作为参考光。

3、所述的被测双曲面反射镜安装在两维旋转机构上，其中的一维为沿被测双曲面反射镜轴线旋转的转轴，另一旋转方向的转轴垂直于被测双曲面反射镜的轴线。

4、所述的反射镜II安装在可以沿光线方向前后移动的移动机构上。

5、所述的接收装置由成像透镜和CCD构成。

6、所述的准直光源由激光器、扩束镜、准直透镜和反射镜I组成，反射镜I将准直光束射入分束镜。

7、所述的分束镜的透射、反射比应接近50％。

本发明采用变形泰曼-格林干涉仪，激光束经过滤波扩束、准直之后进入干涉仪。经过分束镜分成两束，反射部分作为参考光路，经反射镜II反射后，再透过分束镜作为参考光，反射镜II可以沿光线方向前后移动，使接收到的干涉图像对比度最高。透射部分作为测量光路，经汇聚透镜汇聚到被测双曲面反射镜的部分镜面上，汇聚光线延长线相交于被测双曲面镜的一个焦点上，经被测双曲面反射镜反射后，汇聚到一个标准球面反射镜上，光线的延长线汇聚于标准球面反射镜的球心；经标准球面反射镜反射后，沿原路返回，再经过被测双曲面反射镜反射，透过汇聚透镜，再经分束镜反射，作为测量光。最后，参考光和测量光在接收装置处发生干涉，得到带有被测双曲面反射镜信息的干涉条纹。

如果干涉条纹发生弯曲，则说明对应位置处双曲面反射镜表面不够平滑，或偏离了理想双曲面，根据条纹弯曲的程度可以测出被测双曲面反射镜偏离理想双曲面的程度。如果干涉条纹的对比度在某个局部出现明显变化，则说明该处对应的镀层反射率不够理想。

由于本装置每次测量只能测量双曲面反射镜的一个局部，因此需要对双曲面反射镜进行两维旋转。一维为沿双曲面反射镜轴线旋转，保证双曲面反射镜360度均可得到测试；另一旋转方向的转轴垂直于双曲面反射镜的轴线，用于保证不同方位的镜面均得到测试。

(四)附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的中被测双曲面反射镜二维旋转及标准反射球面系统的结构图。

(五)具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1，双曲面反射镜的多维全场光学校验装置的组成包括准直光源、分束镜、参考光路、测量光路和接收装置。准直光源由激光器1、扩束镜2、准直透镜3和反射镜I4组成。准直光源发出的准直光束通过反射镜I将准直光束射入分束镜5。分束镜将准直光束分成两部分，反射部分经反射镜II6反射后再透过分束镜作为参考光；透射部分经汇聚透镜7汇聚到被测双曲面反射镜8的部分镜面上，汇聚光线延长线相交于被测双曲面反射镜的一个焦点上，经被测双曲面反射镜反射后，汇聚到一个标准球面反射镜9上，光线的延长线汇聚于标准球面反射镜的球心，经标准球面反射镜反射后，沿原路返回，再经过被测双曲面反射镜反射，透过汇聚透镜，再经分束镜反射，作为测量光。参考光和测量光汇集到接收装置，接收装置由成像透镜10和CCD相机11构成。结合图2，所述的被测双曲面反射镜安装在两维旋转机构12上，其中的一维为沿被测双曲面反射镜轴线旋转的转轴，另一旋转方向的转轴垂直于被测双曲面反射镜的轴线。所述的反射镜II安装在可以沿光线方向前后移动的移动机构上。所述的分束镜的透射、反射比应接近50％。

下面对本发明的原理和工作过程作进一步描述：

图1为本发明双曲面反射镜的多维全场光学校验系统的结构示意图。利用激光器扩束、准直得到准直光束，经过反射镜I将光束射入干涉系统，整个虚线包括的部分属于准直光源部分，也可以通过其它途径得到准直光束，但要求光源的单色性满足相干要求。准直光源发出的准直光束经分束镜分成两部分：一部分光，如图中的分束镜反射光作为参考光束，经一块可前后平移的反射镜II反射后，沿原路返回，再经分束镜透射后作为参考光。另一部分光，如图中的分束镜透射光经过一块汇聚透镜汇聚到被测双曲面反射镜的一个焦点上，经双曲面反射镜的反射后汇聚到另一个焦点上，被一个球心位于被测双曲面反射镜第二个焦点的标准球面反射镜反射，沿原路返回，再经被测双曲面反射镜反射，经汇聚透镜后变成平行光，经分束镜反射后作为测量光。实际上，参考光路和测量光路相对于分束镜的方位可以对调，对测量结果没有影响。参考光和测量光发生干涉，被接收装置接收，得到带有被测双曲面反射镜信息的干涉条纹。接收装置可以由成像透镜和CCD构成，图中点划线围成部分。

图2显示了被测双曲面反射镜二维旋转及标准反射球面系统的结构。其中一维旋转的转轴为被测双曲面反射镜的中心转轴，保证被测双曲面反射镜360度范围的各个部分得到测试校验。另一维转轴垂直于该中心转轴，进行小范围的旋转，保证不同半径的镜面可以得到测试校验。标准球面反射镜作为测量参考基准的同时保证光束可以沿原路返回。

本发明的工作过程及原理为：

1、利用本校验系统进行被测双曲面反射镜表面形貌的测量：

如果被测双曲面反射镜的表面加工精度不高，使部分镜面偏离旋转双曲面，经过本校验系统后，对应位置处会发生条纹畸变。利用二维旋转装置可以保证整个被测双曲面反射镜的各个部分均得到准确测量。无论被测双曲面反射镜的口径及焦距大小，均可以通过调节旋转角度和移动标准反射球面镜来保证被测双曲面反射镜全场的精确测量，在被测双曲面反射镜的焦距发生改变后，需要调节参考光路中的反射镜II前后位置，保证参考光和被测光的光程基本相等，达到最佳干涉效果。

2、利用本校验系统进行被测双曲面反射镜表面反射率的测量：

如果被测双曲面反射镜的表面镀膜效果不够好，使反射率不均匀，经过本校验系统后，对应位置的条纹对比度会发生变化。通过对比被测双曲面反射镜不同位置对应的干涉条纹对比度，可以对该被测双曲面反射镜的全场反射率进行测量。在被测双曲面镜的反射率较低时，需要对分束镜的分光比进行调整，保证得到的干涉条纹对比度最高。

Claims (5)

1、一种双曲面反射镜的多维全场光学校验装置，它包括准直光源、分束镜、参考光路、测量光路和接收装置；其特征是：准直光源发出的准直光束射入分束镜，分束镜将准直光束分成透射与反射两路，一路反射光作为参考光，参考光路上设置有反射镜II组成参考臂，所述参考光经反射镜II反射后再透过分束镜；另一路透射光作为测量光，测量光路上设置有由汇聚透镜、被测双曲面反射镜和标准球面反射镜组成的测量臂，测量光经汇聚透镜汇聚到被测双曲面反射镜的部分镜面上，汇聚光线延长线相交于被测双曲面反射镜的一个焦点上，经被测双曲面反射镜反射后，汇聚到标准球面反射镜上，光线的延长线汇聚于标准球面反射镜的球心，经标准球面反射镜反射后，沿原路返回，再经过被测双曲面反射镜反射，透过汇聚透镜，再经分束镜反射，作为测量光；参考光和测量光汇集到接收装置，得到带有被测双曲面反射镜信息的干涉条纹，被测双曲面反射镜安装在两维旋转机构上，其中的一维旋转的转轴为被测双曲面反射镜轴线，另一维旋转的转轴垂直于被测双曲面反射镜的轴线。

2、根据权利要求1所述的双曲面反射镜的多维全场光学校验装置，其特征是：所述的分束镜的透射、反射比接近50％。

3、根据权利要求1所述的双曲面反射镜的多维全场光学校验装置，其特征是：所述的反射镜II安装在可以沿光线方向前后移动的移动机构上。

4、根据权利要求1所述的双曲面反射镜的多维全场光学校验装置，其特征是：所述的接收装置由成像透镜和CCD构成。

5、根据权利要求1所述的双曲面反射镜的多维全场光学校验装置，其特征是：所述的准直光源由激光器、扩束镜、准直透镜和反射镜I组成，反射镜I将准直光束射入分束镜。

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