CN104359424B - 一种椭球镜面形检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种椭球镜面形检测装置，包括：椭球镜；变焦单元，所述变焦单元对圆环光进行缩放，并将所述圆环光聚焦在所述椭球镜的近焦点处；光屏，所述光屏开孔位置在所述椭球镜的远焦点处。本发明还提供了一种椭球镜面形检测方法。本发明具有检测效率高、系统成本低、系统结构简单、检测结果直观等优点。

Description

一种椭球镜面形检测装置及方法

技术领域

本发明涉及光学检测领域，特别涉及一种椭球镜面形检测装置及方法。

背景技术

椭球镜是光散射法PM2.5监测仪光学系统中重要的结构部件，椭球镜面形的检测对光路的调试以及光学性能的好坏有重要作用。

目前检测椭球镜面形的常见方法有两种，分别如下：

1、条纹投影法：

如图1所示，计算机101产生的模拟干涉条纹通过投影仪102投射至待测物体103的表面，采用相移技术对被测物体103的表面进行测量，CCD104接收待测物体103表面返回的信息形成条纹图，并将条纹图反馈至计算机101。计算机101对条纹图数据进行处理，如经过压包相位、展开相位等对条纹图的相位进行重建，通过预先标定的系统参数，最终得到被测物体面形图105。

2、干涉法：

如图2所示，激光器111发射出激光，通过滤波器112进行空间滤波，经扩束镜113放大，再通过分光棱镜114、反射镜115、准直物镜116、压电陶瓷堆117和聚焦透镜118到达被测物体119，携带非球面面形信息的光束从非球面镜反射回来，再次通过聚焦透镜118入射到分光棱镜114上，进入分光单元1110。光束在分光单元1110中形成检测光与参考光的干涉：即光束先经过偏振片入射到第一光学平板的前表面，被分成两束，再从第二光学平板出来时相遇形成径向剪切，然后再经分束光栅分成四束，并通过1/4波片变成圆偏振光，通过偏振片组合后各自形成干涉，产生4幅干涉条纹。干涉条纹依次通过成像透镜1111、变焦透镜1112、反射镜1113、辅助成像透镜1114、CCD摄像机1115后输出干涉条纹图样1116。

以上检测方法均能够实现椭球镜面形的检测，但还存在以下不足：

1、检测结果不直观

在上述两种方法中，携带椭球镜面形的图样均需要通过相应的器件进行解调或重建才能显示出来，不能直观的实时的被实验者观察到；

2、检测过程复杂、效率低、系统成本高

为使图像解调或重建及系统参数的预先标定等过程均引入了较多的物理器件或软件程序，使得检测过程复杂、效率低；同时系统成本较高。

发明内容

为了解决现有技术中的上述不足，本发明提供了检测效率高、成本低、系统结构简单的椭球镜面形检测装置及方法。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种椭球镜面形检测装置，包括：

椭球镜；

变焦单元，所述变焦单元对圆环光进行缩放，并将所述圆环光聚焦在所述椭球镜的近焦点处；

光屏，所述光屏开孔位置在所述椭球镜的远焦点处。

进一步，所述椭球镜面形检测装置还包括光学变换单元，平行光照射在所述光学变换单元上形成的圆环光照射在所述变焦单元上。

进一步，所述光学变换单元包括轴棱锥。

作为优选，所述轴棱锥包括正轴棱锥和负轴棱锥，所述正轴棱锥的放置位置比所述负轴棱锥更靠近所述椭球镜。

进一步，所述椭球镜面形检测装置还包括光发射单元，所述光发射单元包括光源模块，所述光源模块包括单色光源和准直镜，所述准直镜将所述单色光源发出的光准直为平行光照射在光学变换单元上。

作为优选，所述光发射单元包括合束镜和两组光源模块，所述两组光源模块的单色光源发射不同波长的光，两个单色光源发出的光经相应准直镜准直后经合束镜合为一束。

进一步，所述两组光源模块分别设置在合束镜的同侧或异侧。

进一步，所述变焦单元包括机械补偿模块和光学补偿模块；机械补偿模块由变倍透镜组和补偿透镜组两部分组成；机械补偿模块的透镜中空，机械补偿模块用于对红光变焦，机械补偿模块的透镜的中空部分用于通过绿光；光学补偿模块由补偿透镜组组成，光学补偿模块用于接收机械补偿模块透镜组中空部分通过的光，并对绿光变焦。

进一步，所述变焦单元还包括固定透镜组，所述固定透镜组包括两个凸透镜，分别设置在机械补偿模块和光学补偿模块的外侧。

作为优选，所述椭球镜面形检测装置还包括设置在所述椭球镜近焦点处的光阑。

本发明还提供了一种椭球镜面形检测方法，包括如下步骤：

A、将圆环光聚焦在椭球镜的近焦点处后再照射在椭球镜面上，照射在椭球镜面上的圆环最外层能够覆盖椭球镜最外层边缘；

B、对圆环光进行缩放，使得照射在椭球镜面上的圆环对椭球镜面进行扫描；

观察开孔位置在椭球镜远焦点处的光屏，并根据光屏上圆环光斑的亮暗判断椭球镜面的加工是否符合设计要求。

进一步，采用上述任一所述的椭球镜面形检测装置，具体如下：

进一步，在步骤A中，平行光照射在光学变换单元上形成圆环光。

进一步，所述光学变换单元包括轴棱锥。

作为优选，所述轴棱锥包括正轴棱锥和负轴棱锥，所述正轴棱锥的放置位置比所述负轴棱锥更靠近所述椭球镜。

进一步，光发射单元发出平行光照射在光学变换单元上，所述光发射单元包括光源模块，所述光源模块包括单色光源和准直镜。

作为优选，所述光发射单元包括合束镜和两组光源模块，所述两组光源模块的单色光源发射不同波长的光，两个单色光源发出的光经相应准直镜准直后经合束镜合为一束。

进一步，两组光源模块分别设置在合束镜的同侧或异侧。

进一步，在步骤B中，采用变焦单元对圆环光进行缩放，所述变焦单元包括机械补偿模块和光学补偿模块；机械补偿模块由变倍透镜组和补偿透镜组两部分组成；机械补偿模块的透镜中空，机械补偿模块用于对红光变焦，机械补偿模块的透镜的中空部分用于通过绿光；光学补偿模块由补偿透镜组组成，光学补偿模块用于接收机械补偿模块透镜组中空部分通过的光，并对绿光变焦。

进一步，所述变焦单元还包括固定透镜组，所述固定透镜组包括两个凸透镜，分别设置在机械补偿模块和光学补偿模块的外侧。

作为优选，在步骤A中，圆环光聚焦在设置在椭球镜近焦点处的光阑上。

优选地，所述光屏上的开孔孔径为1mm。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、检测效率高

采用变焦单元，对投射在椭球镜表面的圆环进行交替式放大或缩小，以完成对椭球镜表面的扫描；通过针孔用肉眼直接观察椭球镜表面的光斑形状，很快就可判断出椭球镜面形的情况，检测效率高。

2、系统成本低

所用光学元件简单，未采用精密的光电设备，降低了成本。

3、系统结构简单、检测结果直观

未采用电子设备和光信息处理设备，光路系统简单，且单独使用光学系统对椭球镜镜面进行检测，检测结果直接用肉眼观察，直观、便捷，大大降低了系统的复杂性。

附图说明

图1为背景技术中条纹投影法的原理图；

图2为背景技术中干涉法的原理图；

图3为实施例2中椭球镜面形检测装置结构示意图；

图4为实施例2中椭球镜面形检测装置焦点位置关系图；

图5为实施例2中光学变换单元中的轴棱锥结构示意图；

图6为实施例2中变焦系统结构示意图。

具体实施方式

实施例1

一种椭球镜面形检测装置，包括：

椭球镜；

变焦单元，所述变焦单元对圆环光进行缩放，并将所述圆环光聚焦在所述椭球镜的近焦点处，并继续发散照射在椭球镜面上；

光屏，所述光屏开孔位置在所述椭球镜的远焦点处。

从聚焦在椭球镜近焦点处的光出射后照射在椭球镜面上后，携带椭球镜面形信息的光会经过椭球镜的远焦点，故，在椭球镜的远焦点处放置光屏，观察者观察光屏，可清晰的看到椭球镜面形情况，即根据光屏上圆环光斑的亮暗判断椭球镜面的加工是否符合设计要求：若看到明亮的圆环光斑，表明椭球镜面形加工符合设计要求；若看到灰暗的圆环光斑，表明椭球镜面形加工偏离原设计要求。

因用于观察用的光线接收系统光屏等的分辨率限制，采用圆环光对椭球镜表面进行逐次扫描可以对检测面有较高的分辨率，如采用实心光斑会引起不同检测表面反射光之间的重合造成误检。

为获得圆环光，进一步，所述椭球镜面形检测装置还包括光学变换单元，平行光照射在所述光学变换单元上形成的圆环光照射在所述变焦单元上。

进一步，所述光学变换单元包括轴棱锥；所述光学变换单元可以包括一个正轴棱锥或一个负轴棱锥或两个以上正、负轴棱锥的组合；

作为优选，所述轴棱锥包括正轴棱锥和负轴棱锥，所述正轴棱锥的放置位置比所述负轴棱锥更靠近所述椭球镜。此时，形成的圆环光为双圆环。

通过调节正、负轴棱锥之间的距离，使得出射的双圆环光束的半径达到一个比较大的值，以最外层圆环能够覆盖被检椭球镜最外层边缘为宜，且双圆环之间不重叠。

为获得平行光，进一步，所述椭球镜面形检测装置还包括光发射单元，所述光发射单元包括光源模块，所述光源模块包括单色光源和准直镜，所述准直镜将所述单色光源发出的光准直为平行光照射在光学变换单元上。

由于轴棱锥对不同的波长会有色散作用，为了只产生一个圆环或为提高检测效率产生两个圆环，所以采用单色光或采用经过绿光和红光合束后平行入射于轴棱锥后的色散作用进行分离产生，且单色光源可以区别于自然光，眼睛对红绿色敏感，便于观测。

所述平行光可以是单色光，也可以是复色光，即当所述平行光是单色光时，则所述光源模块包括一个单色光源和与其相应的准直镜，如所述单色光源是红光光源或绿光光源等可见光单色光源；当所述平行光是复色光时，则，所述光源模块包括两个以上发射不同波长光的单色光源及分别与相应波长的单色光源对应的准直镜，此时，不同的单色光源发出的光经相应准直镜准直后需要经过合束镜合为一束后再照射在光学变换单元上；

光学变换单元要求光线必须平行于光轴方向入射，所以要将光线利用合束镜调整到光轴方向上。

作为优选，所述光发射单元包括合束镜和两组光源模块，所述两组光源模块的单色光源发射不同波长的光，两个单色光源发出的光经相应准直镜准直后经合束镜合为一束。优选的，所述两组光源模块的单色光源分别为红光光源、绿光光源。合束镜要求准直后的激光以45度角入射，且合束镜是反射红光透射绿光，即对532nm绿光穿透率大于95％，对650nm红光反射率大于95％。

为了使不同的单色光源发出的光经相应准直镜准直后能够合为一束，不同的单色光源及其相应的准直镜可以根据反射或折射情况设置在合束镜的同侧或异侧。

进一步，所述两组光源模块分别设置在合束镜的同侧或异侧。

光源模块发出的平行光照射在光学变换模块上成为圆环光后被聚焦到椭球镜的近焦点后再发散照射到椭球镜面上，为使从椭球镜近焦点发散的光能够照射在椭球镜面上以进行椭球镜面形的检测，进一步，所述变焦单元还用于调节光束焦距，所述变焦单元包括机械补偿模块和光学补偿模块；所述变焦单元包括机械补偿模块和光学补偿模块；机械补偿模块由变倍透镜组和补偿透镜组两部分组成，光学补偿模块由补偿透镜组组成；所述变倍透镜组为一个凸透镜，所述补偿透镜组为两个凹透镜；且机械补偿模块的透镜中空；机械补偿模块用于对红光变焦，机械补偿模块的透镜的中空部分用于通过绿光；光学补偿模块用于接收机械补偿模块透镜组中空部分通过的光，并对绿光变焦。

进一步，所述变焦单元还包括固定透镜组，所述固定透镜组包括两个凸透镜，分别设置在机械补偿模块和光学补偿模块的外侧。

水平移动变焦单元的机械补偿模块或光学补偿模块，其中光学补偿模块做幅度较大的线性运动，机械补偿模块做幅度较小的非线性运动，以达到对圆环半径的放大或缩小，且焦距最好保持在一个较大的数值，即焦距最好在7—12cm范围内，以防光学系统挡住被检椭球镜表面反射光线的传播；

本发明中被检椭球镜的近焦点距离椭球镜顶点为5cm，远焦点距离为9cm，所以红光的焦距可以取为10cm，绿光的焦距可以取为8cm。

变焦单元能够保持聚焦后的焦点始终在被检椭球镜的近焦点处，同时，还能对圆环光进行缩放，使得照射在椭球镜面上的圆环对椭球镜面进行扫描。

当所述光发射单元包括两组光源模块时，通过调节变焦单元，将其中一种单色光作为检测光及另一种单色光的标记，对另一种单色光进行缩放改变对椭球镜面形的扫描范围。通过调节使两种单色光交替对椭球镜面进行扫描，可以达到无重复或无遗漏且较快地检测整个椭球镜面形的目的。

作为优选，所述椭球镜面形检测装置还包括设置在所述椭球镜近焦点处的光阑。该光阑为孔径光阑，作用是为了限制入射光束的边缘光线。

本发明还提供了一种椭球镜面形检测方法，采用上述所述椭球镜面形检测装置，包括如下步骤：

A、将圆环光聚焦在椭球镜的近焦点处后再照射在椭球镜面上，照射在椭球镜面上的圆环最外层能够覆盖椭球镜最外层边缘；

B、对圆环光进行缩放，使得照射在椭球镜面上的圆环对椭球镜面进行扫描；

观察开孔位置在椭球镜远焦点处的光屏，并根据光屏上圆环光斑的亮暗判断椭球镜面的加工是否符合设计要求：若看到明亮的圆环光斑，表明椭球镜面形加工符合设计要求；若看到灰暗的圆环光斑，表明椭球镜面形加工偏离原设计要求。

进一步，在步骤A中，平行光照射在光学变换单元上形成圆环光。

进一步，所述光学变换单元包括轴棱锥。

作为优选，所述轴棱锥包括正轴棱锥和负轴棱锥，所述正轴棱锥的放置位置比所述负轴棱锥更靠近所述椭球镜。

进一步，光发射单元发出平行光照射在光学变换单元上，所述光发射单元包括光源模块，所述光源模块包括单色光源和准直镜。

作为优选，所述光发射单元包括合束镜和两组光源模块，所述两组光源模块的单色光源发射不同波长的光，两个单色光源发出的光经相应准直镜准直后经合束镜合为一束。

进一步，两组光源模块分别设置在合束镜的同侧或异侧。

进一步，在步骤B中，采用变焦单元对圆环光进行缩放，所述变焦单元包括机械补偿模块和光学补偿模块；所述变焦单元包括机械补偿模块和光学补偿模块；机械补偿模块由变倍透镜组和补偿透镜组两部分组成，光学补偿模块由补偿透镜组组成；所述变倍透镜组为一个凸透镜，所述补偿透镜组为两个凹透镜；且机械补偿模块的透镜中空；机械补偿模块用于对红光变焦，机械补偿模块的透镜的中空部分用于通过绿光；光学补偿模块用于接收机械补偿模块透镜组中空部分通过的光，并对绿光变焦。

进一步，所述变焦单元还包括固定透镜组，所述固定透镜组包括两个凸透镜，分别设置在机械补偿模块和光学补偿模块的外侧。

作为优选，在步骤A中，圆环光聚焦在设置在椭球镜近焦点处的光阑上。

优选地，所述光屏上的开孔孔径为1mm。

实施例2

本实施例是实施例1的应用例。

请参阅图3、图4，本实施例的椭球镜面形检测装置包括：

1、光发射单元1，所述光发射单元1包括合束镜10和两组光源模块，两组光源模块分别设置在合束镜10的两侧，其中一个光源模块包括单色光源11和准直镜12，另一个光源模块包括单色光源13和准直镜14，其中，单色光源11为红光LD，单色光源13为绿光LD；所述两组光源模块的单色光源发射不同波长的光，经相应准直镜准直为平行光经合束镜10合为一束照射在光学变换单元2上。

2、光学变换单元2，经合束镜10合为一束后的平行光照射在所述光学变换单元2上；所述光学变换单元2包括轴棱锥；所述轴棱锥包括正轴棱锥21和负轴棱锥22，所述正轴棱锥21的放置位置比所述负轴棱锥22更靠近椭球镜5；通过调节正轴棱锥21、负轴棱锥22之间的距离，使得出射的圆环光束的半径达到一个比较大的值，以最外层圆环能够覆盖被检椭球镜5最外层边缘为宜。

本实施例中，请参阅图5，经光学变换单元后出射的圆环光的内半径与轴棱锥系统参数之间的定量关系为：其中d为锥顶间距，γ为光线偏离光轴的夹角，为锥角。

假设轴棱锥采用k9材料，d为10cm，入射的红光波长为635nm，入射直径为7cm，利用上面所述公式，并结合ZEMAX，通过光线追迹法，可得到输出的空心圆环光束内圆直径为9cm，外圆直径为14cm。

3、变焦单元3，所述变焦单元3对从光学变换单元2出射的圆环光进行缩放，并将所述圆环光聚焦在椭球镜5的近焦点F1处，并继续发散照射在椭球镜5镜面上；请参阅图6，所述变焦单元3包括机械补偿模块31、光学补偿模块32和固定透镜组，所述固定透镜组包括凸透镜33和凸透镜34，分别设置在机械补偿模块和光学补偿模块的外侧；机械补偿模块31由变倍透镜组和补偿透镜组两部分组成，且机械补偿模块31的透镜中空，光学补偿模块由补偿透镜组组成；所述变倍透镜组为一个凸透镜，所述补偿透镜组为两个凹透镜；机械补偿模块31用于对红光变焦，透镜的中空部分用于通过绿光，光学补偿模块42用于接收机械补偿模块31透镜组中空部分通过的光，并对绿光变焦。

水平移动变焦单元3的机械补偿模块31或光学补偿模块31、2，其中，机械补偿模块31做幅度较小的非线性运动，光学补偿模块32做幅度较大的线性运动，以达到对圆环半径的放大或缩小，且焦距最好保持在一个较大的数值即，焦距范围最好在7—12cm范围内，以防光学系统挡住被检椭球镜5表面反射光线的传播；本发明中被检椭球镜的近焦点距离椭球镜顶点为5cm，远焦点距离为9cm，所以红光的焦距可以取为10cm，绿光的焦距可以取为8cm。

变焦单元3能够保持聚焦后的焦点始终在被检椭球镜5的近焦点F1处，同时，还能对圆环光进行缩放，使得照射在椭球镜面上的圆环对椭球镜面进行扫描。

本实施例中，通过调节变焦单元3，将其中一种单色光如红光作为检测光及绿光的标记，对绿光进行缩放改变对椭球镜5面形的扫描范围。通过调节使两种单色光即红光和绿光交替对椭球镜5的镜面进行扫描，可以达到无重复或无遗漏且较快地检测整个椭球镜面形的目的。

4、光阑4，所述光阑4设置在所述椭球镜5近焦点处，作用是为了限制入射光束的边缘光线。

5、待检球镜5；

6、光屏6，所述光屏6的开孔61的位置在所述椭球镜5的远焦点F2处，所述光屏6的开孔61孔径为1mm。

本实施例还提供了一种椭球镜面形检测方法，采用本实施例的椭球镜面形检测装置，包括以下步骤：

光发射单元的光源模块发出红光和绿光，并分别经其相应准直镜准直为平行光后经合束镜10合为一束照射在光学变换单元2上；

调节正轴棱锥21、负轴棱锥22之间的距离，使得从光学变换单元2出射的圆环光束的半径达到一个比较大的值，以最外层圆环能够覆盖被检椭球镜5最外层边缘为宜；

调节机械补偿模块31和光学补偿模块32，使得变焦单元3对从光学变换单元2出射的圆环光经进行缩放，并将所述圆环光聚焦在椭球镜5的近焦点F1处的光阑4上，并继续发散照射在椭球镜5镜面上，使得照射在椭球镜面上的圆环最外层能够覆盖椭球镜最外层边缘；

对圆环光进行缩放，使得照射在椭球镜面上的圆环对椭球镜面进行扫描；

水平移动变焦单元3的机械补偿模块31或光学补偿模块32，其中，机械补偿模块31做幅度较小的非线性运动，光学补偿模块32做幅度较大的线性运动，以达到对圆环半径的放大或缩小，且焦距最好保持在一个较大的数值，即焦距范围最好在7—12cm范围内，以防光学系统挡住被检椭球镜5表面反射光线的传播；本发明中被检椭球镜的近焦点距离椭球镜顶点为5cm，远焦点距离为9cm，所以红光的焦距可以取为10cm，绿光的焦距可以取为8cm。

将其中一种单色光如红光作为检测光及绿光的标记，对绿光进行缩放改变对椭球镜5面形的扫描范围。通过调节使两种单色光即红光和绿光交替对椭球镜5的镜面进行扫描，可以达到无重复或无遗漏且较快地检测整个椭球镜面形的目的；

观察开孔61的位置在椭球镜远焦点处的光屏6，并根据光屏61上圆环光斑的亮暗判断椭球镜5的面形的加工是否符合设计要求：若看到明亮的圆环光斑，表明椭球镜面形加工符合设计要求；若看到灰暗的圆环光斑，表明椭球镜面形加工偏离原设计要求。

上述实施方式不应理解为对本发明保护范围的限制。本发明的关键是：从椭球镜近焦点处入射的可调的圆环光扫描椭球镜面，通过在椭球镜远焦点处观察携带椭球镜面形的光学成像，可以直观的得到椭球镜面形加工情况。在不脱离本发明精神的情况下，对本发明做出的任何形式的改变均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种椭球镜面形检测装置，包括：

椭球镜；

变焦单元，所述变焦单元对圆环光进行缩放，并将所述圆环光聚焦在所述椭球镜的近焦点处；所述变焦单元包括机械补偿模块和光学补偿模块；机械补偿模块由变倍透镜组和补偿透镜组两部分组成；机械补偿模块的透镜中空，机械补偿模块用于对红光变焦，机械补偿模块的透镜的中空部分用于通过绿光；光学补偿模块由补偿透镜组组成，光学补偿模块用于接收机械补偿模块透镜组中空部分通过的光，并对绿光变焦；

光屏，所述光屏开孔位置在所述椭球镜的远焦点处。

2.根据权利要求1所述的椭球镜面形检测装置，其特征在于：所述椭球镜面形检测装置还包括光学变换单元，平行光照射在所述光学变换单元上形成的圆环光照射在所述变焦单元上。

3.根据权利要求2所述的椭球镜面形检测装置，其特征在于：所述光学变换单元包括轴棱锥。

4.根据权利要求3所述的椭球镜面形检测装置，其特征在于：所述轴棱锥包括正轴棱锥和负轴棱锥，所述正轴棱锥的放置位置比所述负轴棱锥更靠近所述椭球镜。

5.根据权利要求2所述的椭球镜面形检测装置，其特征在于：所述椭球镜面形检测装置还包括光发射单元，所述光发射单元包括光源模块，所述光源模块包括单色光源和准直镜，所述准直镜将所述单色光源发出的光准直为平行光照射在光学变换单元上。

6.根据权利要求5所述的椭球镜面形检测装置，其特征在于：所述光发射单元包括合束镜和两组光源模块，所述两组光源模块的单色光源发射不同波长的光，两个单色光源发出的光经相应准直镜准直后经合束镜合为一束；所述两组光源模块分别设置在合束镜的同侧或异侧。

7.根据权利要求1～6任一所述的椭球镜面形检测装置，其特征在于：所述椭球镜面形检测装置还包括设置在所述椭球镜近焦点处的光阑。

8.一种椭球镜面形检测方法，包括如下步骤：

A、将圆环光聚焦在椭球镜的近焦点处后再照射在椭球镜面上，照射在椭球镜面上的圆环最外层能够覆盖椭球镜最外层边缘；

B、对圆环光进行缩放，使得照射在椭球镜面上的圆环对椭球镜面进行扫描；

观察开孔位置在椭球镜远焦点处的光屏，并根据光屏上圆环光斑的亮暗判断椭球镜面的加工是否符合设计要求。

9.根据权利要求8所述的椭球镜面形检测方法，其特征在于：采用权利要求1～7任一所述的椭球镜面形检测装置。