CN102353342A

CN102353342A - 一种自由曲面面型检测系统

Info

Publication number: CN102353342A
Application number: CN2011101576293A
Authority: CN
Inventors: 郭培基; 洪小苗
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2011-06-13
Filing date: 2011-06-13
Publication date: 2012-02-15

Abstract

本发明公开了一种自由曲面面型检测系统，包括：激光发生器、准直镜、第一计算全息元件、第二计算全息元件、投影镜、照明系统、空间滤波器、CCD图像传感器；其中，所述第一计算全息元件用于对所述平行光进行第一次衍射；所述第二计算全息元件用于衍射经第一计算全息元件衍射的一级光；所述空间滤波器，用于将干扰杂散光滤除；所述CCD图像传感器，用于获取干涉图像。本发明公开的自由曲面面型检测系统，基于斐索干涉原理，通过对干涉图像(具体为干涉条纹)进行分析，得到自由曲面面型误差，因此能够对自由曲面面型进行非接触式检测，并且提高对自由曲面面型检测的精度。

Description

一种自由曲面面型检测系统

技术领域

本发明涉及光学仪器检测领域，更具体的说是涉及一种自由曲面面型检测系统。

背景技术

随着先进制造技术和精密仪器的发展，越来越多的光学系统采用自由曲面来实现一些特殊的成像效果。随着自由曲面面型复杂度的提高，对自由曲面面型进行检测的难度也随之提高。

现有技术中，通常采用轮廓仪对自由曲面的面型进行检测。轮廓仪对自由曲面的面型进行检测的原理主要是：采用接触式方法，对待检测曲面进行逐点测量。具体的，例如通过探针接触待测曲面的某个点，测量得到接触点的空间坐标，直至完成对待检测曲面所有点的测量。

由于现有技术中的自由曲面面型检测系统，采用的是轮廓仪对自由曲面上的点进行空间定位的方法，必须对待检测曲面进行接触式测量，因而容易对自由曲面造成损伤。与此同时，轮廓仪的检测精度也很低。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种自由曲面面型检测系统，能够对自由曲面面型进行非接触式检测，并且提高对自由曲面面型检测的精度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种自由曲面面型检测系统，包括：激光发生器、准直镜、第一计算全息元件、第二计算全息元件、投影镜、照明系统、空间滤波器、CCD图像传感器；

其中，所述激光发生器用于发射检测光线；所述准直镜用于将所述检测光线调整为平行光；所述第一计算全息元件用于对所述平行光进行第一次衍射；所述第二计算全息元件用于衍射经第一计算全息元件衍射的一级光；所述投影镜用于将经过第二次衍射的参考光线投射在所述照明系统上；所述照明系统用于将检测光和参考光汇聚在所述空间滤波器的中心点；

其中，所述参考光为，经过所述第二计算全息元件衍射后的0级衍射光，在所述照明系统的与所述待检测自由曲面相邻的表面反射形成的光线；所述检测光为，经过所述第二计算全息元件衍射后的1级衍射光，在所述待检测自由曲面的表面反射形成的光线；

所述空间滤波器，用于将干扰杂散光滤除；

所述CCD图像传感器，用于获取干涉图像；所述干涉图像为，经过所述空间滤波器过滤的，所述参考光与所述检测光形成的干涉图像。

优选的，所述激光发生器为：氦氖激光发生器。

优选的，所述第一计算全息元件为相位型的计算全息元件，所述第二计算全息元件为振幅型的计算全息元件。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开了一种自由曲面面型检测系统，基于斐索干涉原理，通过对干涉图像(具体为干涉条纹)进行分析，得到自由曲面面型误差，因此能够对自由曲面面型进行非接触式检测，并且提高对自由曲面面型检测的精度。

本发明所述的检测方法具有非接触性、精度高和准实时性等特点，其研究成果可以为高精度精密测量，精密仪器和先进制造等领域提供技术支持，可应用于光学、机械、光纤通信、生命科学、航空航天、造船和汽车磨具等行业，具有广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所述自由曲面面型检测系统结构示意图。

图2为在Zemax光学设计软件中模拟的结构图(上半部分为检测光路，下半部分为参考光路)；

图3为参考光波的残留波像差图；

图4为检测光波的残留波像差图；

图5为干涉图；

图6为像面上各级次的光斑分布情况示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，为本发明实施例所述自由曲面面型检测系统结构图。如图1所示，该系统包括：

激光发生器1、准直镜2、第一计算全息元件3、第二计算全息元件4、投影镜5、照明系统6、、空间滤波器9、CCD图像传感器11。

其中，所述激光发生器1用于发射检测光线；所述准直镜2用于将所述检测光线调整为平行光；所述第一计算全息元件3用于对所述平行光进行第一次衍射；所述第二计算全息元件4用于对所述平行光进行第二次衍射；所述投影镜5用于将经过第二次衍射的检测光线投射在所述照明系统6上；所述照明系统6用于将检测光和参考光汇聚在所述空间滤波器9的中心点；

其中，所述参考光为，经过所述第二计算全息元件4衍射后的0级衍射光，在所述照明系统6的与所述待检测自由曲面8相邻的表面7反射形成的光线；所述检测光为，经过所述第二计算全息元件4衍射后的1级衍射光，在所述待检测自由曲面的表面反射形成的光线。

所述空间滤波器9，用于将干扰杂散光10滤除；

所述CCD图像传感器11，用于获取干涉图像；所述干涉图像为，经过所述空间滤波器9过滤的，所述参考光与所述检测光形成的干涉图像。

为便于理解，现对计算全息元件进行简要说明。计算全息元件属于全息元件。全息光学元件是根据全息术原理制成的衍射光学元件。计算全息元件是根据全息术原理，使用计算机模拟、运算、处理各种光学过程，并用超大规模集成(VLSI)电路制作工艺，在片基上(或传统光学器件表面)刻蚀产生两个或多个台阶深度的浮雕结构，形成的一类全息光学元件。

计算全息元件在本专业领域中简称为CGH。全息图的独特性质在于它能同时记录信息的强度和相位。因此，CGH又分为相位型的计算全息图和振幅型的计算全息图。本发明所公开的自由曲面面型检测系统，主要就是利用了CGH的衍射功能。

形成干涉图像以后，对干涉图像的分析，具体为：如果自由曲面面型无误差，则干涉条纹是等间距均匀分布的；如果自由曲面面型有误差，那么干涉条纹的间距或形状都会发生变化。由于利用了光的干涉原理，本发明所公开的实施例系统，其测量精度可以达到0.0131λ P-V，其中λ为激光发生器产生的激光的波长，单位为nm。因此，本发明所公开的自由曲面面型检测系统的精度与现有技术相比，有很大提高。

综上，本发明实施例所述的自由曲面面型检测系统，基于斐索干涉原理，通过对干涉图像(具体为干涉条纹)进行分析，得到自由曲面面型误差，因此能够对自由曲面面型进行非接触式检测，并且提高对自由曲面面型检测的精度。

实际应用中，激光发生器可以采用较为常见的氦氖激光发生器。

分析了两种类型的计算全息元件对其各级衍射光衍射效率的特点后，为了获得较高的衍射效率，提高参考光和检测光的光能量及干涉条纹的对比度，第一计算全息元件采用相位型的计算全息元件，第二计算全息元件采用振幅型的计算全息元件。

以下通过一个更加具体的实例来阐述本发明系统设计的操作过程：

(1)假设被检自由曲面面形公式为

z = \frac{C_{x} \cdot x^{2} + C_{y} \cdot y^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + k_{x}) {C_{x}}^{2} \cdot x^{2} - (1 + k_{y}) {C_{y}}^{2} \cdot y^{2}}}

其中：C_x＝3.5×10^-3

C_y＝3.6×10^-3

k_x＝-1.5075

k_y＝-2.5

设计的系统中，自由曲面的口径为100mm，照明系统的尺寸稍微比自由曲面口径大一点，其尺寸也就相应确定。

(2)投影镜的设计：

投影镜的作用是将CGH成像在照明系统上，其焦距先设定，用照明系统尺寸除以CGH尺寸可求得投影镜的放大率，从而光路的各部分位置就能基本确定。

(3)照明系统设计：

照明系统有两个作用：(1)照明系统将检测光汇聚在待检测非球面上；(2)照明系统最后一面镜片将参考光返回聚焦成一点。一般说来，照明系统用两片透镜是比较合适的，太多的镜片将会提高制造成本，增加系统误差，从而降低检测精度。由于本检测系统是一种共路装置，照明系统的误差不仅存在于检测光中，还存在于参考光中，两束光相干涉便会消除照明系统误差，不会影响检测结果。所以设计时可以放宽对共路部分元件的要求。但是如果照明系统的误差过大，会影响测量结果。

(4)CGH的设计：

设计CGH是指设计刻制在基底上的波纹状图案，其相位函数与激光器的波长有关，本系统中，可以选择632.8nm的激光，在Zemax里CGH面设置为Zernike fringe phase，采用了项数为37的多项式，在设计时，先设计CGH1，然后是CGH2，具体过程如下：

CGH1：

①设置CGH1衍射级为1级，CGH2为0级；

②将CGH1系数和系统参数设为变量；

③对系统进行优化，使参考光聚焦于一点。

CGH2：

①两片CGH都设为1级；

②只设CGH2系数为变量进行优化，使检测光会聚于同一点。

分析上述的操作过程，在Zemax软件中设计并优化了这样的检测系统，其精度达到0.0131λ P-V，故可实现自由曲面的精密测量，能指导自由曲面的实际加工，同时对改进加工工艺，改良加工方法提供支持。

现将Zemax光学设计软件中模拟得到的结果附图提供如下：

图3为参考光波的残留波像差图；

图4为检测光波的残留波像差图；

图5为干涉图；

图6为像面上各级次的光斑分布情况示意图。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种自由曲面面型检测系统，其特征在于，包括：激光发生器、准直镜、第一计算全息元件、第二计算全息元件、投影镜、照明系统、空间滤波器、CCD图像传感器；

其中，所述激光发生器用于发射检测光线；所述准直镜用于将所述检测光线调整为平行光；所述第一计算全息元件用于对所述平行光进行第一次衍射；所述第二计算全息元件用于衍射经第一计算全息元件衍射的一级光；所述投影镜用于将经过第二次衍射的光投射在所述照明系统上；所述照明系统用于将检测光和参考光汇聚在所述空间滤波器的中心点；

所述空间滤波器，用于将干扰杂散光滤除；

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述激光发生器为：氦氖激光发生器。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一计算全息元件为相位型的计算全息元件，所述第二计算全息元件为振幅型的计算全息元件。