CN101504276A - 大口径光学镜面Ronchi光栅定量检测仪 - Google Patents

Abstract

大口径光学镜面Ronchi光栅定量检测仪，包括计算机系统、高精度数字彩色CCD、大数值孔径光纤光源、可更换式Ronchi光栅，反射镜；计算机系统与高精度数字彩色CCD连接，大数值孔径光纤光源发出的光将可更换式Ronchi光栅投影到待测光学镜面上，并被反射回到可更换式Ronchi光栅上，反射回的投影与可更换式Ronchi光栅自身发生叠加产生阴影图，此阴影图经过反射镜反射后通过高精度数字彩色CCD采集后传输到计算机系统里，由安装在计算机系统上的数据处理软件把可分辨阴影条纹对应的面形数据信息提取出来，从而获得被测待测光学镜面的面形信息。本发明为大口径光学镜面的研制提供了一种非常有效的低成本检测装置，在大误差的定性测量方面有非常显著的优势，具有较大的应用价值。

Description

大口径光学镜面Ronchi光栅定量检测仪

技术领域

本发明属于先进光学制造与检测技术领域，涉及一种光学检测系统，特别涉及一种大口径、大相对口径、大误差范围的光学镜面检测系统。

背景技术

大型的光学仪器和装备，无论是空间的还是地面的，近几年来都呈现日益迫切的需求。随着科学技术的不断发展，所需光学镜面的口径越来越大，对大口径光学镜面的制造需要相应的检测技术也要求越来越高。对大口径光学镜面定量检测，尤其是对其加工初期较大误差的定量检测仍然是光学加工制造也急需解决的重要难题之一。

工艺过程的检测不同于其他的检测，它不要求全面，但要有效地指导下一步工艺进行，检测一次的时间应尽可能短。应知道主要误差的大小、主要误差的正负、主要误差的位置；应考虑到每次检测的操作周期(包括准备、过程、得结论)，力求省时。因此不同的工艺阶段，应当选择最合理的检测工具和检测方法，要考虑到已有的和最有可能得到的检测工具。

在大型光学镜面加工过程中，现在国内外常用精磨阶段的检测方式主要有三坐标测量仪、红外干涉仪等检测方法。三坐标测量仪是用测头对整个被测面进行接触式测量，因此非常费事、费时，并且精度受测头、运动机构影响特别大，测量的口径也受到限制，对大于使用范围的镜面就没有办法使用了。红外干涉仪由于大量采用红外材料，这些材料不仅制造费用非常高，而且部分还有毒性；同时，红外干涉仪在检测非球面时需要使用补偿器，由于要进行图像传输和数据的采集，因此对机械的振动和空气的扰动也就比价敏感，这样对使用的环境有较高的要求，不利于光学车间的检验。

1984年，日本的T.YATAGAI利用正弦朗契光栅，根据几何光学原理和相位检测技术，获得了非球面波像差的一维分布(YATAGAI T.Fringe scanning Ronchi test for a sphericalsurfaces[J].Applied Optics，1984，23(20)：3676-3679.)。1988年T.YATAGAI用一般的方波Ronchi光栅，根据Ronchi检验的物理光学原理，用十步移相法得到了十幅朗契图，获得了非球面镜波像差的二维分布(YATAGAIT.Phase measuring Ronchi test[J].AppliedOptics，1988，27(3)：523-528)。日本的T.YATAGAI虽然将Ronchi光栅用于非球面检验，但是他仅局限理性研究和实验验证，没有做出检测装置。并且只是适用于小口径的非球面，也没有能够拟合出三维波面。

1996年南京的林桂粉等在T.YATAGAI工作的基础上，通过Zernike多项式拟合算法求得了光学系统的波像差(林桂粉，陈磊，陈进榜。朗契检验相位探测和波面恢复。光子学报，1996，25(12)：1125-1130.)，但是基本原理上就决定了林桂粉等搭建的实验装置只是测量透射系统的波像差，从而无法对大口径的非球面反射镜进行测量。1998年，周晨波教授(Ronchi线条法检验大非球面镜的理论计算。应用光学，1997，18(5)：8-12)给出了一种用于检验大非球面的Ronchi线条的理论计算方法，他虽然给出计算补偿Ronchi光栅的算法，却没有进行波面拟合，从而无法进行定量测量。同年，钟金刚推导了定量分析朗契图的四步移相算法，为朗契检测法定量进行像质评价提供了一种简单有效的方法(钟金刚，凌敢，王鸣，等。用定量分析朗契图的四步相移算法。南昌大学学报(工科版))，1998，20(4)：97-102)，但是他们同林桂粉等人的基本原理一样，只是算法改进一下，同样只适合透射系统的测量，而无法对大口径的非球面反射镜进行测量。

综上所述，尽管国内外理论研究的比较多，但这些都只是做一些基础性理论研究和验证性实验，没有形成检测设备，无法实际使用于光学车间大口径非球面的检验，更不能对现在的大口径非球面进行定量检测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为有效的弥补三坐标测量仪、红外干涉仪两种测量方式的不足，提供一种大口径光学镜面Ronchi光栅定量检测仪，该装置制作简单，成本低廉，远远低于三坐标测量仪、红外干涉仪的成本；该装置弥补了三坐标测量仪限制测量口径的不足，有效地解决了大口径光学元件在加工过程中的实时定量测量问题，它不仅拓宽了传统干涉仪的动态测量范围，也为红外干涉仪等一些新兴发展的大误差测量方法提供对比依据，在简化了测量过程的同时，也增加其数据的可靠性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：大口径光学镜面Ronchi光栅定量检测仪，其特征在于：包括计算机系统、高精度数字彩色CCD、大数值孔径光纤光源、可更换式Ronchi光栅，被测光学镜面，反射镜；计算机系统与高精度数字彩色CCD连接，大数值孔径光纤光源发出的光将可更换式Ronchi光栅投影到待测光学镜面上，并由待测光学镜面反射回到可更换式Ronchi光栅上，这样反射回的投影与可更换式Ronchi光栅自身发生叠加而产生阴影图，这个阴影图经过反射镜反射后通过高精度数字彩色CCD采集后传输到计算机系统里，由安装在计算机系统上的数据处理软件把可分辨阴影条纹对应的面形数据信息提取出来，从而获得被测待测光学镜面的面形信息。

采用光纤输出端面作为大数值孔径光纤光源，其光纤入口处的照度最大值能达500，000lux，并采用直流可调式，使用光纤的数值孔径为0.22或者0.37。

所述的可更换式Ronchi光栅根据不同的误差范围可以更换。

所采用可更换式Ronchi光栅可以是直条纹的Ronchi光栅，也可以是弯曲条纹的补偿Ronchi光栅。

所述的计算机系统中装有光栅计算分析软件和光栅面形分析处理软件；光栅计算分析软件能够根据不同的测量要求自动计算所需要使用的Ronchi光栅频率；光栅面形分析处理软件能够自动绘制光栅图形，并能根据探测到的阴影图计算待测镜面面形和重建波前。

在测量非球面时，可更换式Ronchi光栅采用水平方向和垂直方向的补偿光栅对，可以不用更换Ronchi光栅而只移动光栅的位置来实现待测镜面的精确测量。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的检测仪中使用光纤作为光源，不仅发光点非常小，而且其相对口径比较大；通过直流可调式稳压电源，光源的亮度可以调节，光纤入口处的照度最大值能达500,000lux，光纤的数值孔径为0.22或者0.37，能满足所有现有的大口径光学镜面加工检测的要求；

(2)本发明的检测仪采用一跟裸光纤作为光源，在实际测量中，需要的离焦量非常小；

(3)本发明的检测仪中使用一小的反射棱镜将反射回的像点与光纤光源点区分开来，在满足光源与像点尽量靠近的同时，又保证CCD采集到了像点，避免了因为使用分光镜而引入了像散和能量的损失；

(4)本发明的检测仪采用可更换式Ronchi光栅来检测光学镜面形，根据不同的误差范围来使用不同的Ronchi光栅，解决了传统的干涉仪无法对大误差进行精确定量测量的问题；

(5)本发明的检测仪中还对光栅的参数与可测量误差范围进行了研究，编写了相应的光栅灵敏度计算分析软件，在节约大量硬件资源的同时又实现了对大口径光学镜面较高效率检测，非常适合大口径光学镜面镜的制造过程检测；

(6)本发明的检测仪由于采用水平方向和垂直方向的补偿光栅对，可以不用更换Ronchi光栅而只平行移动就可以实现待测非球面面形的精确测量，大大提高了检测效率

(7)本发明的检测仪中采用了自行编制的非球面面形分析处理软件，通过采集到的光栅阴影图来分析计算出待测镜面的一维剖面线、二维等高曲线和面形的波前重建；

(8)本发明的检测仪结构简单、易于操作，主要适用于大口径、超大口径和大相对口径的光学镜面制造过程的面形误差检测，且具有比较底的检测成本和非常高的检测效率；

(9)本发明的检测仪采用的是几何测量的方法，对光源只要求在空间上具有相干性，而不许要时间相干性，因而不仅仅普通的白光就可以做光源，而且对环境的配置要求相当的低，非常适合光学生产车间里的光学镜面检验。

附图说明

图1为检测系统构成示意图；

图中：1为计算机系统，2为高精度数字彩色CCD、3为大数值孔径光纤光源、4为可更换式Ronchi光栅，5为待测光学镜面，6为反射镜；

图2为光栅频率与测量误差范围分析处理软件界面图；

图3为计算机软件绘制的Ronchi光栅与补偿光栅，其中弯曲条纹的为补偿光栅；

图4为检测时光栅分布结构示意图；

图5为数字图像分析处理软件操作界面示意图；

图6为数字图像分析处理软件的数据处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

如图1所示，本发明的大口径光学镜面Ronchi光栅定量检测仪由计算机系统1、高精度数字彩色CCD2、大数值孔径光纤光源3、可更换式Ronchi光栅4以及反射镜6构成；计算机系统1与高精度数字彩色CCD2连接，大数值孔径光纤光源3发出的光将可更换式Ronchi光栅4投影到待测光学镜面5上，并由待测光学镜面5反射回到可更换式Ronchi光栅4上，这样反射回的投影与可更换式Ronchi光栅4自身发生叠加而产生阴影图，这个阴影图经过反射镜6反射后通过高精度数字彩色CCD2采集后传输到计算机系统1里，由安装在计算机系统1上的数据处理软件把可分辨阴影条纹对应的面形数据信息提取出来，从而获得被测待测光学镜面5的面形信息。

其中，计算机系统1中安装有两个软件：光栅灵敏度计算分析软件和非球面面形图像分析处理软件。在对待测光学镜面5的实际测量中，本检测系统中除计算机系统1外，其余的都可以放置在一个二维平移台上面，以便于系统的调整和移动，高精度数字彩色CCD2通过视频传输线与计算机中图像采集卡相连，用于光栅阴影图的采集；所采用的可更换式Ronchi光栅4根据不同的误差范围可以更换，且可更换式Ronchi光栅4可以是直条纹的Ronchi光栅，也可以是弯曲条纹的补偿Ronchi光栅；在测量非球面时，使用的可更换式光栅4为水平方向和垂直方向的补偿光栅对，可以不用更换Ronchi光栅而只移动光栅的位置来实现待测光学镜面5的精确测量。

本发明检测仪的工作过程及检测步骤如下：

第一步：如图1所示，先拟订检测系统的空间光路安排，根据待测光学镜面5的镜面方程，估计加工残差；

第二步：根据上面估计的加工残差，选择合适的Ronchi光栅4；为了实现这一步，在计算机系统1中编制了一个光栅的灵敏度分析软件，这个软件的界面如图2所示，只要在输入相应的参数，这个软件就能自动计算出其误差测量的范围。显然，只要上面估计的加工残差属于这个测量的范围内，则该光栅就能满足测量的要求，否则就重新输入相应的参数，再次计算，直到满足要求。

光栅灵敏度计算分析软件是一个为了研究等间距直线条光栅的周期及其他相关参数的变化对大非球面镜朗奇检验法的影响而专门编写的软件。检验灵敏度是指为一个光栅周期所能检测到的镜面偏差大小能力；主要是利用光线追迹法研究讨论了镜面偏差与朗奇光栅周期之间的关系，并以此推导出检验灵敏度公式，利用这些公式就可以计算非球面镜的朗奇检测灵敏度，分析结果表明了如果给定镜子的规格参数及检验光路，朗奇检验灵敏度分别随着光栅周期间隔和半通光口径的变大而减小。

第三步：在计算机系统1中编制了非球面面形图像分析处理软件，如图5所示。图5是自行编制的这个非球面面形图像分析处理软件的界面，这个软件具有两大功能：(1)根据输入的相关参数计算和绘制标准Ronchi光栅图或者补偿光栅条纹图，这些光栅的参数是由上面第二步中计算出来的。(2)根据采集到Ronchi阴影图，通过Zernike多项式进行波面拟合，根据条纹的变形计算出被测非球面的面形误差。非球面面形图像分析处理软件根据输入的参数，自动计算和绘制出光栅条纹，如图3所示。如果光栅的刻划精度很高或者是由于测量的误差是比较大而光栅的制造误差相比较而言可以忽略不记，则计算机生成的光栅条纹就可以作为标准条纹，否则，需要将刻划后光栅条纹通过CCD成像后保存到计算机里作为标准条纹。

大口径非球面Ronchi光栅检测技术的图像处理软件是实现定量测量的必要手段。其主要特点有(1)根据大口径非球面的镜面方程或者基本参数，能够计算和绘制出Ronchi补偿光栅；(2)能够根据探测到的Ronchi光栅阴影图拟合出被测非球面的波面，重建波前；(3)根据拟合的波面，能够计算出被测非球面的面形误差，能够绘制出一维曲线、二维等高线以及被测面形的PV值和RMS值。其操作界面如图5所示，而其处理主要流程如图6所示，其基本原理就是根据X方向和Y方向上的检测到条纹与标准条纹的偏差，通过Zernike多项式拟合来重构三维波像差，从而实现非球面面形的定量检测。其主要处理步骤为：首先读入采集到的Ronchi光栅阴影图，然后对阴影图进行预先处理，并将图形转换成灰度矩阵，之后将条纹变为线条，然后分别对比x，y方向的理想Ronchi图与模拟Ronchi图的偏差，分别拟合和重构x方向与y方向的波像差，最后进行绘出被测波面的三维图，重建波前。

第四步，根据上面的光栅条纹图，刻画光栅。

第五步：将刻划后的光栅放置于检测仪(图1)中相应的位置。最好一个模板刻划至少两个光栅，这样可以分别采集两个方向上的面形信息。或者一次使用两个不同频率的光栅，以便即使在误差变化非常大的情况下，依然能够精确的定性测量出面形的误差。

第六步：将待测光学镜面5置于本发明系统中进行面形的检测，测量的光路图如图1所示。为了确保光栅的投影能够充满待测镜面5的全口径，最好在光栅刻划的时候在光栅条纹的外围加刻一个圆。当这个圆的口径刚好充满待测镜面5的口径时，表明光栅是正确的位置。调整检测仪的左右位置，直至能够在计算机上观察到完整的光栅阴影图。为了提高精度，可以在同一位置多采集几副阴影图。

第七步：调节光栅移动位置的小手轮，如图4所示，换另一个光栅进行光栅阴影图的采集。

第八步：数字图像处理，进行面形误差分析。首先根据镜面方程计算光栅参数。检测过程结束后，数据处理软件将采集到的光栅阴影图像先转化为数字灰度矩阵，然后通过与标准的光栅图像做比较，从而得出待测镜面的面形误差，并计算通常的面形误差评价参数：峰谷值(PV)和均方根(RMS)值，最后给出被测镜面面形误差波前信息，图6是非球面面形图像分析处理软件的数据处理流程图。

Claims (6)

1、大口径光学镜面Ronchi光栅定量检测仪，其特征在于：包括计算机系统(1)、高精度数字彩色CCD(2)、大数值孔径光纤光源(3)、可更换式Ronchi光栅(4)，被测光学镜面(5)，反射镜(6)；计算机系统(1)与高精度数字彩色CCD(2)连接，大数值孔径光纤光源(3)发出的光将可更换式Ronchi光栅(4)投影到待测光学镜面(5)上，并由待测光学镜面(5)反射回到可更换式Ronchi光栅(4)上，这样反射回的投影与可更换式Ronchi光栅(4)自身发生叠加而产生阴影图，这个阴影图经过反射镜(6)反射后通过高精度数字彩色CCD(2)采集后传输到计算机系统(1)里，由安装在计算机系统(1)上的数据处理软件把可分辨阴影条纹对应的面形数据信息提取出来，从而获得被测待测光学镜面(5)的面形信息。

2、根据权利要求1所述的大口径光学镜面Ronchi光栅定量检测仪，其特征在于：所述的大数值孔径光纤光源(3)采用光纤输出端面，其光纤入口处的照度最大值能达500,00 0lux，并采用直流可调式，使用光纤的数值孔径为0.22或者0.37。

3、根据权利要求1所述的大口径光学镜面Ronchi光栅定量检测仪，其特征在于：所述的可更换式Ronchi光栅(4)根据不同的误差范围可以更换。

4、根据权利要求3所述的可更换式Ronchi光栅(4)，其特征在于：所述的可更换式Ronchi光栅(4)可以是直条纹的Ronchi光栅，也可以是弯曲条纹的补偿Ronchi光栅。

5、根据权利要求1所述的大口径光学镜面Ronchi光栅定量检测仪，其特征在于：所述的计算机系统(1)中装有光栅灵敏度计算分析软件和非球面面形分析处理软件；光栅灵敏度计算分析软件能够根据不同的测量要求自动计算所需要使用的Ronchi光栅频率；非球面面形图像分析处理软件能够自动绘制光栅图形，并能根据探测到的阴影图计算待测镜面面形和重建波前。

6、根据权利要求1所述的大口径光学镜面Ronchi光栅定量检测仪，其特征在于：在测量非球面时，可更换式Ronchi光栅(4)采用水平方向和垂直方向的补偿光栅对，可以不用更换Ronchi光栅而只移动光栅的位置来实现待测光学镜面(5)的精确测量。

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