CN102636130B - 一种大动态范围测量非球面光学元件表面轮廓装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大动态范围测量非球面光学元件表面轮廓装置。该装置利用一块子孔径分割光阑来形成特定的入射光束，将该入射光束投影到被检测的非球面光学元件表面上并接收、采集其反射光束所形成的图像，利用像差模式算法复原出被检测非球面光学元件表面轮廓信息或者面形误差信息。在实际检测中，只需要借助普通的辅助会聚镜头，即能对非球面光学元件表面轮廓给出定量的检测数据。相对现有的非球面检验方法，具有较好的环境适应性和很强的通用性，能够适应各种不同批次、不同参数光学非球面的检测要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种大动态范围测量非球面光学元件表面轮廓装置。该装置只需要借助普通的辅助会聚镜头，即能对非球面光学元件表面轮廓给出定量检测数据。
背景技术
随着精密光学加工技术的发展，非球面光学元件已经广泛地应用于各种光学系统中，如各种高品质的相机、摄像机、光学测量仪器及扫描仪等光学系统，甚至是与我们日常生活息息相关的产品(如非球面汽车车灯)。
非球面光学元件，是指面形由高次方程决定、面形上各点半径均不相同的光学元件。非球面有许多独特的性质，将非球面应用于光学系统中，能够减少系统中光学元件的数量、提高系统成像质量。
因为非球面不同于球面的特殊性质，其检测方法也一直成为关注的热点。非球面光学元件检测发展出了多种技术，典型的有面形轮廓法、无像差点法、补偿干涉法、剪切法等，以及近年来比较多文献报道的计算全息法和环形子孔径拼接法等。这些方法各有其作用及特点，但也常常受限于具体的检测对象及检测环境。如面形轮廓法，属于机械接触式测量，机械探针在接触光学元件表面时容易造成自身损伤及光学元件的损伤；无像差点法是一种常见的非球面光学元件检测手段，但是只适用于二次非球面光学元件，而且对不同的非球面光学元件，适用的检测光路也不同，往往需要较高精度的辅助球面镜；补偿干涉法是设计、制作一定的补偿器来使非球面光学元件的反射波前能尽量靠近球面波来实现检测，同样，补偿器是针对非球面光学元件参数对应设计的，并且，在检测中补偿器自身的误差通常无法消除掉。剪切法是以分束的方法，令两束相关的波前之间产生剪切干涉以反映误差信息，但因器件口径的限制，一般仅用在小口径、小相对孔径非球面光学元件的检测中。计算全息法无需使用干涉样板，但是全息样板的计算量大，这对全息样板的复位精度要求很高，并且一个非球面光学元件对应一个全息样板的制作，通用性不强；此外，还有在球面干涉仪上沿光轴方向移动干涉仪或非球面光学元件，改变它们之间的距离产生非共心光束，通过各个不同曲率半径的参考球面波来匹配被测非球面光学元件的不同环带区域，从而使被测元件相对于参考波前的斜率差减小到干涉仪的允许范围内，用干涉法分别测量各个环形子孔径区域然后拼接、拟合得到整个面形信息，即所谓环形子孔径拼接法。这种方法可以使现有的球面干涉仪扩展到非球面光学元件的检测，但是对装置调整精度要求很高。
综合上述介绍，可以看出，各种非球面光学元件检测方法都有各自的局限性以及检测对象的单一性。因此通用性较强、结构简单、测量过程易于控制的非球面光学元件检测方法，是十分有价值的。
本发明提出一种大动态范围测量非球面光学元件表面轮廓的方法：利用一定的孔径分割光阑，使光束通过光阑分割后照射到被检测的光学表面上，经光学表面反射的光束再投影到接受屏上。该投影光束将包含被测光学表面的误差信息，借助一定的算法即可得到其面形轮廓数据。这种方法能大动态范围测量非球面光学元件表面轮廓，通常只需要借助普通的辅助会聚镜头，即能对非球面光学元件表面轮廓给出定量检测数据。
相对于前述的各种检测方法，本方法在整个检测过程中没有移动部件，因此具有较好的环境适应性，不易受振动、气流干扰等的影响；这种方法属于非接触式光学测量，因而不存在像轮廓仪那样因机械接触而导致的关键部件损伤或者光学表面损伤的问题；同时，本方法具有很大的弹性可变的动态范围，因此具有很强的通用性，能够适应各种不同批次、不同参数光学非球面的检测要求，而无需像计算全息法或补偿法那样需要制作专门的辅助元件或补偿器，也无需像环形子孔径拼接方法那样，以机械装置的调整换取动态范围，导致对装置调整的要求过高
发明内容
本发明所解决的技术问题是：克服现有检测技术的不足，利用一个特殊光阑，通过采集经被测件反射的光束在屏上形成的图像，给出非球面光学元件表面或者表面轮廓的定量检测数据，提供一种大动态范围测量非球面光学元件表面轮廓装置。
本发明提供以下技术方案：
一种能大动态范围测量非球面光学元件表面轮廓装置，其特征在于，该装置利用一个子孔径分割光阑2来形成特定的入射光束，将该入射光束投影到被检测的非球面光学元件3表面，从非球面光学元件3表面反射回来的光束经反射镜4后被漫反射屏5拦截，CCD7利用成像透镜探测漫反射屏中的光强分布6并将光强分布图像数据送入计算机，计算机根据子孔径分割光阑形成的特定入射光束光强的变化计算出被检测的光学元件表面轮廓。
进一步的，该装置利用一个光学成像装置对接收屏成像，以采集接收屏上的光束图像。
进一步的，其所采集的图像为一个光束阵列图像，通过光束阵列中各个光束的强度分布信息、位置和形状信息来复原被检测光学非球面的表面轮廓。
进一步的，当被检测非球面光学元件相对球面的最大偏离量小于一定阈值时，无需辅助会聚镜头，仅需要一块小的平面反射镜将被检测非球面光学元件表面上反射的光束折转、传递到接收屏上，由成像CCD7直接进行探测，从而反演出被检非球面光学元件的表面轮廓数据，此时给出的数据为该非球面光学元件相对平面的“绝对轮廓”。
进一步的，当被检非球面光学元件相对球面的最大偏离量大于一定阈值时，借助一块辅助会聚镜头；该辅助会聚镜头其F数与被检测非球面光学元件相匹配；测量时先以曲率接近被检测非球面光学元件的球面为参照取得系统的零位，再对被检测非球面光学元件进行测量。此时获取的数据为被检测非球面光学元件相对该球面的差异，即被检非球面的面形信息。
本发明的优点在于，无论硬件要求、操作的可控性还是数据的完整性，皆具有较大的优势：不要求复杂的硬件，无需补偿器或者其他专有辅助装置；测量操作过程简单、可控；测量所获取的数据为被检测表面的定量三维轮廓信息(或者是相对一已知球面的面形差异信息)，且是数字化的，检验或加工人员可以很方便地对数据进行分析、比对和特征提取，从而对光学表面的加工质量进行有效评判。
附图说明
图1为本发明的针对非球面表面轮廓的大动态范围检测光路示意图。
图2为本发明的针对非球面面形误差的大动态范围检测光路示意图。
具体实施方式
本发明具体实施例如下：
当被检测非球面光学元件相对球面的最大偏离量小于一定阈值时(本实施例中该阈值为4um)，本发明可以利用一块小平面反射镜实现对非球面光学元件表面轮廓的检测，如图1所示，平行光1经子孔径分割光阑2(根据被测件的特点，采用一种扇形子孔径的分割光阑)后照射到被检测非球面光学元件3上，在被检测非球面光学元件3的焦点附近放置一块小反射镜4，使会聚光束反射到接收屏5上，如图中所示，接收屏5上将会形成一个包含有被测非球面光学元件3面形信息的光强分布图像，以配有相应成像镜头的CCD7来对接收屏5成像。通过CCD7采集的光强分布信息、各个子孔径的位置偏移信息，利用zernike模式复原算法复原出被检表面的表面轮廓信息。在该光路中，将接收屏5直接置于子孔径分割光阑2之后，CCD7采集的图像作为检测零位，因为光路中只需要一块平面的小辅助反射镜，该反射镜不对光束的相位产生影响，因此检测得到的是被检测非球面光学元件3的表面轮廓，即相对于平面的“绝对”轮廓。
当被检非球面光学元件相对球面的最大偏离量大于一定阈值时(本实施例中该阈值为4um)，本发明需要借助一块辅助会聚镜头实现对非球面光学元件表面轮廓的检测，如图2所示，平行光1透射经过子孔径分割光阑2、分光镜8后，由辅助会聚镜头9会聚照射到被检测非球面光学元件3上。其中，辅助会聚镜头9的F数要与被检测非球面光学元件3的F数相匹配。经被检测非球面光学元件3反射的光束原路通过辅助会聚镜头9，并经分光镜8反射到接收屏5上，同样，如图中所示，接收屏5上将会形成一个包含有被检测非球面光学元件3面形信息的光强分布图像6，用配有相应成像镜头的CCD7来对接收屏成像。通过CCD7采集的光强分布信息、各个子孔径的位置偏移信息，利用zernike模式复原算法复原出被检表面的表面轮廓信息。在该方案中，以一块曲率接近被检测非球面光学元件3的辅助会聚镜头9置于被检测非球面光学元件3所在的位置进行“零位标定”，则测量得到的是该被检测非球面光学元件3相对此辅助球面的差异，将测量得到的差异面型与预先测量得到的辅助球面点对点进行相加便可以得到非球面光学元件3的面形信息。
Claims (2)
1.一种大动态范围测量非球面光学元件表面轮廓装置，其特征在于，该装置利用一个子孔径分割光阑(2)来形成特定的入射光束，将该入射光束投影到被检测的非球面光学元件(3)表面，从非球面光学元件(3)表面反射回来的光束经反射镜(4)后被漫反射屏(5)拦截，CCD(7)利用成像透镜探测漫反射屏中的光强分布(6)并将光强分布图像数据送入计算机，计算机根据子孔径分割光阑形成的特定入射光束光强的变化计算出被检测的光学元件表面轮廓；该装置利用一个光学成像装置对接收屏成像，以采集接收屏上的光束图像；
其所采集的图像为一个光束阵列图像，通过光束阵列图像中各个光束的强度分布信息、位置和形状信息来复原被检测光学非球面的表面轮廓；
当被检测非球面光学元件相对球面的最大偏离量小于一定阈值时，无需辅助会聚镜头，仅需要一块小的平面反射镜将被检测非球面光学元件表面上反射的光束折转、传递到接收屏上，由成像CCD(7)直接进行探测，从而反演出被检非球面光学元件的表面轮廓数据，此时给出的数据为该非球面光学元件相对平面的“绝对轮廓”；
当被检非球面光学元件相对球面的最大偏离量大于一定阈值时，借助一块辅助会聚镜头；该辅助会聚镜头其F数与被检测非球面光学元件相匹配；测量时先以曲率接近被检测非球面光学元件的球面为参照取得系统的零位，再对被检测非球面光学元件进行测量，此时获取的数据为被检测非球面光学元件相对该球面的差异，即被检非球面的面形信息。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述的阈值为4um。
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