CN101694414B - 一种基于哈特曼传感器的环带拼接检测系统 - Google Patents

Abstract

基于哈特曼传感器的环带拼接检测系统，包括：激光光源、扩束准直系统透镜、第一透镜、第一分光元件、第二分光元件、第三分光元件、会聚透镜、滤波器孔、4F系统透镜、第二透镜、微透镜阵列、第一光电探测器、第一成像透镜、第四分光元件、第二光电探测器、第二成像透镜、第三光电探测器、计算机系统；其中扩束准直系统透镜和第一透镜组成扩束准直系统，4F系统透镜和第二透镜组成4F缩束系统。本发明具有检测成本低、抗环境干扰能力强、检测过程灵活简便等优点。

Description

一种基于哈特曼传感器的环带拼接检测系统

技术领域

本发明涉及到非球面的检测方法，特别是一种基于哈特曼传感器的环带拼接检测系统。

背景技术

非球面的传统检测方法通常采用辅助光学元件进行补偿法检测或者自准直检测，其缺点是检测成本较高、易带入辅助光学元件的误差、检测的周期长。子孔径拼接技术能够以较低的成本实现对非球面的直接检测。环带子孔径拼接检测技术是一种直接检测旋转对称非球面的技术。基于干涉仪的环形子孔径拼接检测技术可以参见“Liu.Ying_MohEdward，“Use of annular sub apertures with focus control for testingrotationally symmetric optical system”，PHD.Dissertation，University ofArizona，1987”，以及“Xi Hou，Fan Wu，Shi-bin Wu，Qiang Cheng“Annular SubapertureInteferometric Testing Technique for Large Aspheric Surfaces”Proc.of SPIEVol.5638(SPIE，Bellingham，WA，2005)”。上述基于干涉仪的环带拼接检测技术的缺点在于干涉仪的测量动态范围较小、易受环境干扰等。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于哈特曼传感器的环带拼接检测系统，实现匹配环带区域的正确测量，避免不匹配区域的光波波前对匹配区域的干扰；减小检测系统中的调整误差包括检测系统中的倾斜和偏心对拼接检测的影响；准确的确定匹配环带区域边界。

本发明的技术解决方案是：基于哈特曼传感器的环带拼接检测系统，其特征在于包括：激光光源、扩束准直系统透镜、第一透镜、第一分光元件、第二分光元件、第三分光元件、会聚透镜、滤波器孔、4F系统透镜、第二透镜、微透镜阵列、第一光电探测器、第一成像透镜、第四分光元件、第二光电探测器、第二成像透镜、第三光电探测器、计算机系统；其中扩束准直系统透镜和第一透镜组成扩束准直系统，4F系统透镜和第二透镜组成4F缩束系统；激光光源和扩束准直系统组成平行光光源，平行光光源分别经过第一分光元件、第二分光元件和第三分光元件后入射到会聚透镜后聚焦成球面波；滤波孔位于会聚透镜的焦点位置，滤除从被测非球面上反射回的超过匹配环带区域的光；从被测非球面上反射回的光经过滤波器孔的滤波后经过会聚透镜后再次经过第二分元件分成入射光和透射光；透射光路经过4F系统透镜和第二透镜组成4F缩束系统后入射到透镜阵列，第一光电探测器测量匹配环带区域的子孔径斜率，由计算机系统通过环形区域Zernike多项式基的模式波前复原算法复原单环带的波前相位数据，将单环带的复原波前相位数据保存，再由相位拼接算法拼接出全孔径的波前相位数据；反射光路再由第二分光元件分光，从第二分光元件的反射光路经过第一成像透镜后再经过第四分光元件再次分成反射和透射光路，经过第四分光元件的反射光路经过第二成像透镜将被测非球面成像于第三光电探测器靶面上，辨识被测非球面上的边界标志点以确定匹配环带区域的边界；经过第四分光元件的透镜光路聚焦于第二光电探测器上，用于减小每次匹配环带区域的测量的调整误差。

本发明的原理是：利用一系列不同曲率半径的球面波去匹配被测非球面的不同区域，在匹配环带区域，被测非球面和匹配球面波得偏离量在哈特曼传感器的测量动态范围内，从而实现对被测非球面全孔径的检测。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1)本发明建立在哈特曼传感器的环带拼接检测，哈特曼传感器是通过微透镜阵列测量对应区域的子孔径质心偏移，进而得到斜率，通过斜率复原波前。因此相对干涉仪，具有测量动态范围大，抗环境干扰能力强的优点。

(2)本发明采用了滤波器小孔滤除超过哈特曼测量动态范围的光波波前，实现匹配环带区域的正确测量，避免不匹配区域的光波波前对匹配区域的干扰。

(3)本发明采用会聚透镜将平行光转换为球面波，可通过转换不同焦距/口径比的会聚透镜形成不同发散角的球面波，因此对一固定口径的哈特曼传感器可测量不同口径和曲率半径的非球面。

(4)本发明采用了镜面标记，并成像到光电探测器靶面上的标识方法，并对靶面划分为对应于哈特曼传感器微透镜阵列的NXN的子孔径形式，从而准确的确定了匹配环带区域边界。

(5)本发明采用对准光路，将反射光聚焦到光电探测器靶面上，调整测量系统误差，并将焦点的光斑中心调整在靶面的中心。从而减小测量系统的调整误差包括倾斜，偏心对拼接检测的影响。

附图说明

图1为本发明系统的结构示意图；

图2为本发明经小孔滤波后每个环带的波前光程差示意图；其中图2a是内环带的波前光程差图，图2b是外环带的波前光程差图。

图3为边界识别方式示意图，光电探测器CCD1的成像靶面的标识示意图。

图4为当测量系统存在倾斜时，光电探测器CCD(16)的靶面光斑图。

具体实施方式

如图1所示，本发明系统包括：激光光源1、扩束准直系统透镜2、第一透镜3、第一分光元件4、第二分光元件5、第三分光元件6、会聚透镜7、滤波器孔9、4F系统透镜10、第二透镜11、微透镜阵列12、第一光电探测器13、第一成像透镜14、第四分光元件15、第二光电探测器16、第二成像透镜17、第三光电探测器18、计算机系统19；其中扩束准直系统透镜2和第一透镜3组成扩束准直系统，4F系统透镜10和第二透镜11组成4F缩束系统；激光光源1和扩束准直系统组成平行光光源，平行光光源分别经过第一分光元件4、第二分光元件5和第三分光元件6后入射到会聚透镜7后聚焦成球面波；滤波孔9位于会聚透镜7的焦点位置，滤除从被测非球面8上反射回的超过匹配环带区域的光；从被测非球面8上反射回的光经过滤波器孔9的滤波后经过会聚透镜7后再次经过第二分元件6分成入射光和透射光；透射光路经过4F系统透镜10和第二透镜11组成4F缩束系统后入射到透镜阵列12，第一光电探测器13测量匹配环带区域的子孔径斜率，由计算机系统19通过环形区域Zernike多项式基的模式波前复原算法复原单环带的波前相位数据，将单环带的复原波前相位数据保存，再由相位拼接算法拼接出全孔径的波前相位数据；反射光路再由第二分光元件5分光，从第二分光元件5的反射光路经过第一成像透镜14后再经过第四分光元件15再次分成反射和透射光路，经过第四分光元件15的反射光路经过第二成像透镜17将被测非球面8成像于第三光电探测器18靶面上，辨识被测非球面上的边界标志点以确定匹配环带区域的边界；经过第四分光元件15的透镜光路聚焦于第二光电探测器16上，用于减小每次匹配环带区域的测量的调整误差。

本发明通过会聚透镜7将平面波转化为会聚的球面波，通过控制会聚透镜和被测非球面波的距离从而产生不同曲率半径的球面波去匹配被测非球面上的不同区域；会聚透镜的口径和焦距由被测非球面的口径，曲率半径和哈特曼传感器的出射光出瞳大小确定，如下公式所示，

D＝D₀， $f=D_0\frac{R}{D_A}$

其中D为会聚透镜7的口径，D₀为哈特曼传感器的出瞳大小，f为会聚透镜7的焦距，R为被测非球面8的中心曲率半径，D_A为被测非球面8的口径。平行光束经过会聚透镜7后转化为发散角与被测非球面要求的发散角的球面波光束。

从被测非球面上反射的光波通过滤波器孔9滤除超过哈特曼传感器测量动态范围的光波波前，从而避免不匹配区域的大角度光线对匹配环带区域测量的影响；其中滤波器孔9的直径由哈特曼传感器的测量动态范围决定，如下公式所示，

$d=F\frac{d_l}{2f_l}$

其中d为滤波器孔9的直径，d_l为哈特曼传感器的微透镜阵列的微透镜口径，f_l为微透镜的焦距，F为4F缩束系统透镜11的焦距；如图2为经过孔9后的每个环带区域的光波光程差图，图2a为内环带的光波光程差图，图2b为外环带的光波光程差图。

通过上述过程实现了单个环带区域的测量，为减小测量系统中的调整误差，测量系统利用第三分光元件6分出一路光用于校准测量系统的调整误差，经过第三分光元件6反射后的光路经过第二分光元件5的反射后，入射到第一成像透镜14后经过第四分光元件15透射后聚焦到第二光电探测器16，调整测量系统焦点光斑中心位于第二光电探测器16的靶面中心；经过第四分光元件15的反射光路经过第二成像透镜17后对被测非球面成像于第三光电探测器18的靶面上，辨识被测非球面上的边界标志点以确定匹配环带区域的边界。经过第三分光元件6的透射光路为系统测量光路，经过第三分光元件6透射后入射到由4F系统透镜10和第二透镜11组成4F缩束系统后，入射到微透镜阵列12，并由第一光电探测器13测量匹配环带区域的斜率。

得到单环带的斜率后，利用环形区域Zernike多项式基的模式波前复原算法程序复原单环带的波前相位，算法基本原理如Eq.1所示，

$\left\{\begin{array}{c}{G}_x\left(i\right)=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{z}_{\mathrm{xk}}\left(i\right)\\ G_y\left(i\right)=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_k{z}_{\mathrm{yk}}\left(i\right)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中G_x(i)，G_y(i)为哈特曼传感器第i个微透镜阵列子孔径测量的x，y方向的斜率，z_xk(i)，z_yk(i)分别为第k项环形Zernike多项式的x，y方向偏导数在第i个微透镜阵列子孔径的积分，a_k为第k项环形Zernike多项式的系数，N为环形区域波前展开的环形Zernike多项式的阶数。

并对Eq.1阵化可以表示为如下：

$\left[\begin{array}{c}{G}_x\left(1\right)\\ G_y\left(1\right)\\ G_x\left(2\right)\\ G_y\left(2\right)\\ ...\\ G_x\left(M\right)\\ G_y\left(M\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}{Z}_{x1}\left(1\right)& Z_{x2}\left(1\right)& ...& Z_{\mathrm{xN}}\left(1\right)\\ Z_{y1}\left(1\right)& Z_{y2}\left(1\right)& ...& Z_{\mathrm{yN}}\left(1\right)\\ Z_{x1}\left(2\right)& Z_{x2}\left(2\right)& ...& Z_{\mathrm{xN}}\left(2\right)\\ Z_{y1}\left(2\right)& Z_{y2}\left(2\right)& ...& Z_{\mathrm{yN}}\left(2\right)\\ ...& ...& ...& ...\\ Z_{x1}\left(M\right)& Z_{x2}\left(M\right)& ...& Z_{\mathrm{xN}}\left(M\right)\\ Z_{y1}\left(M\right)& Z_{y2}\left(M\right)& ...& Z_{\mathrm{yN}}\left(M\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{a}_1\\ a_2\\ ...\\ a_N\end{array}\right]---\left(2\right)$

Eq.2也可以表示为如下形式，

G＝D_2M×NA    (3)

其中D_2M×N为重构矩阵，M为复原环形区域的有效子孔径数目，求出上式的最小二乘解A即实现了单环带的波前复原。

通过控制入射球面波焦点与被测非球面8的距离，产生不同区域半径的球面波匹配被测非球面上的不同环带区域，并重复上述波前复原过程，得到每个匹配环带区域的波前相位系数A。然后利用全孔径相位拼接算法全孔径的波前相位。全孔径拼接算法的基本原理如下推导过程：

利用Eq.3所述的环形Zernike多项式基模式波前复原算法得到每个环带的波前，则带有调整误差的全孔径波前相位W可以表示为所有子环带的波前相位和，如Eq.4所述，

$W=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{i,j}{z}_{i,j}(r_i,t_i,{\mathrm{\ϵ}}_i)---\left(4\right)$

其中z_i，j(r_i，t_i，ε_i)第i个环带复原波前相位的第j项环形Zernike多项式，r_i，t_i为第i个子环带的局部归一化坐标，ε_i为第i个子环带的中心遮拦比，a_i，j为第i个环带复原波前的第j项环形Zernike多项式系数，K为所有子环带数目，N为环形Zernike多项式的项数。

带有调整误差的全孔径波前相位也可以表示为每个环带的调整误差与全孔径波前相位的和，以环形Zernike多项式的前4阶拟和每次检测过程中波前相位引进的调整误差：平移，X，Y方向的倾斜，离焦，如Eq.5所示，

$W=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i,j}{z}_{i,j}(r_i,t_i,{\mathrm{\ϵ}}_i)+\underset{j=5}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}A{A}_j{Z}_j(R,T,{\mathrm{\ϵ}}_0)---\left(5\right)$

其中b_i，j为第i个子环带前4项环形Zernike多项式系数，AA_j为全孔径波前相位的Zernike系数，R，T为全孔径的坐标，ε₀为全孔径的中心遮拦比。

联合Eq.4和Eq.5得到如下表达式，

$\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a}_{i,j}{z}_{i,j}(r_i,t_i,{\mathrm{\ϵ}}_i)=\underset{i=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{i,j}{z}_{i,j}(r_i,t_i,{\mathrm{\ϵ}}_i)+\underset{j=5}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}A{A}_{j}z(R,T,{\mathrm{\ϵ}}_0)---\left(6\right)$

利用环形Zernike多项式的正交性对Eq.6式正交化处理，求解全孔径波前相位系数AA，得到全孔径波前相位系数AA即实现了基于哈特曼传感器的环带拼接检测非球面的过程。

辨识被测非球面的边界标志点以确定匹配环带区域的边界过程的方式如下：测量过程中首先采用镜面标记，标记方式：以两条绳或者三点标记来确定环带边界圆的边界。然后将被测镜面成像到光电探测器CCD(18)，计算机系统19将其靶面分割成对应于哈特曼传感器微透镜阵列的NXN的子孔径形式，寻找被测非球面环带边界的标记点或者标记线，从而准确的确定匹配环带区域的边界。其靶面标记形式如图3所示。

情测量系统减小测量误差的方式如下：从被测非球面上反射回的光经过滤波器孔9后，在经过会聚透镜7转换为近似平行光，转换后的近似平行光经过透镜14后聚焦到光电探测器CCD16的靶面上，由计算机系统19处理光电探测器16靶面信息。当测量系统存在较大的调整误差时，光电探测器16的靶面光斑质心将偏离靶面的中心，调整测量系统，使焦点的质心位于探测器靶面的中心，从而减小测量系统的调整误差：如倾斜、偏心。如图4所示为当测量系统存在倾斜时，造成的光斑质心偏离靶面中心的情况。

本发明中的第一光电探测器13、第二光电探测器16、第二成像透镜17、第三光电探测器18均采用CCD探测器；第一分光元件4、第二分光元件5、第三分光元件6为平板分光镜，第四分光元件15采用分光棱镜。

基于哈特曼传感器的环带拼接检测的实现系统如图1所示。经过滤波器孔9后被测非球面的匹配环带区域的波前示意图如图2所示，其中图2.a为第一个环带的波前的光程差图，图2.b为第二各环带的波前的光程差图。测量系统中对环带边界的标示方式如图3所示。测量系统中减小调整测量误差的光电探测器CCD16靶面光斑示意图如图4所示。

Claims (5)

1.基于哈特曼传感器的环带拼接检测系统，其特征在于包括：激光光源(1)、扩束准直系统透镜(2)、第一透镜(3)、第一分光元件(4)、第二分光元件(5)、第三分光元件(6)、会聚透镜(7)、滤波器孔(9)、4F系统透镜(10)、第二透镜(11)、微透镜阵列(12)、第一光电探测器(13)、第一成像透镜(14)、第四分光元件(15)、第二光电探测器(16)、第二成像透镜(17)、第三光电探测器(18)、计算机系统(19)；其中扩束准直系统透镜(2)和第一透镜(3)组成扩束准直系统，4F系统透镜(10)和第二透镜(11)组成4F缩束系统；激光光源(1)和扩束准直系统组成平行光光源，平行光光源分别经过第一分光元件(4)、第二分光元件(5)和第三分光元件(6)后入射到会聚透镜(7)后聚焦成球面波；滤波器孔(9)位于会聚透镜(7)的焦点位置，滤除从被测非球面(8)上反射回的超过匹配环带区域的光；从被测非球面(8)上反射回的光经过滤波器孔(9)的滤波后经过会聚透镜(7)后再次经过第三分元件(6)分成反射光和透射光；透射光路经过4F系统透镜(10)和第二透镜(11)组成4F缩束系统后入射到透镜阵列(12)，第一光电探测器(13)测量匹配环带区域的子孔径斜率，由计算机系统(19)通过环形区域Zernike多项式基的模式波前复原算法复原单环带的波前相位数据，将单环带的复原波前相位数据保存，再由相位拼接算法拼接出全孔径的波前相位数据；反射光路再由第二分光元件(5)分光，从第二分光元件(5)的反射光路经过第一成像透镜(14)后再经过第四分光元件(15)再次分成反射和透射光路，经过第四分光元件(15)的反射光路经过第二成像透镜(17)将被测非球面(8)成像于第三光电探测器(18)靶面上，辨识被测非球面上的边界标志点以确定匹配环带区域的边界；经过第四分光元件(15)的透镜光路聚焦于第二光电探测器(16)上，用于减小每次匹配环带区域的测量的调整误差。

2.根据权利要求1所述的基于哈特曼传感器的环带拼接检测系统，其特征在于：所述的会聚透镜(7)的口径和焦距的确定公式如下，

D＝D₀， $f=D_0\frac{R}{D_A}---\left(2\right)$

其中D为会聚透镜(7)的口径，D₀为哈特曼传感器的出瞳大小，f为会聚透镜(7)的焦距，R为被测非球面(8)的中心曲率半径，D_A为被测非球面(8)的口径。

3.根据权利要求1所述的基于哈特曼传感器的环带拼接检测系统，其特征在于：所述的滤波器孔(9)的直径确定如下，

$d=F\frac{d_l}{2f_l}---\left(1\right)$

其中d为滤波器孔(9)的直径d，d_l为微透镜阵列(12)的微透镜口径，f_l为微透镜阵列(12)焦距，F为会聚透镜(7)的焦距。

4.根据权利要求1所述的基于哈特曼传感器的环带拼接检测系统，其特征在于：所述的辨识被测非球面上的边界标志点以确定匹配环带区域的边界的过程如下：被测量的非球面上用两条绳标记一个圆的边界，成像于第三光电探测器(18)，光电探测器(18)的靶面由计算机系统(19)分割成为对应于哈特曼传感器微透镜阵列N*N子孔径阵列；从而标记每个环带的边界。

5.根据权利要求1所述的基于哈特曼传感器的环带拼接检测系统，其特征在于：所述用于减小每次匹配环带区域的测量的调整误差过程如下：测量过程中，测量光路聚焦到第二光电探测(16)的靶面上，由计算机系统(19)处理其焦点光斑质心，调整测量系统调整误差位于靶面的中心。

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