CN105180840A - 基于彩色双频条纹反射的大口径凹镜面面形的测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于彩色双频条纹反射的大口径凹镜面面形的测量方法及其装置。计算机按条纹图像编码方法沿两个正交方向分别编码生成红色和蓝色双频条纹图像，分别传输至两个显示屏同步显示，显示信号经合光器件输出彩色双频条纹图，由分束器反射至待测镜面表面；待测镜面反射的目标变形条纹图经分束器后由彩色相机接收并传输至计算机，解调处理后得到与待测镜面面形对应的绝对相位分布；再结合相位一致性约束和标定的系统结构参数，得到两个正交方向上待测镜面面形的梯度分布，经积分重构得到待测镜面的三维面形分布。本发明提供的测量装置，系统结构简单紧凑，无中心遮拦，对表面变化复杂的大口径凹镜面物体的三维面形能实现快速、准确的测量。

Description

基于彩色双频条纹反射的大口径凹镜面面形的测量方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种大口径凹镜面面形的测量技术，特别涉及一种基于彩色双频条纹反射的测量方法及其装置，属光学检测技术领域。

背景技术

作为天文望远镜中的核心部件，大口径光学镜面的面形精度直接影响望远镜的工作性能，因而对其检测精度的高低往往决定了加工成型效果的优劣。在传统天文望远镜中，光学镜面多为平面、球面或二次曲面。随着光学元件特别是大口径光学镜面加工技术的迅猛发展，多种形状复杂的非球面/自由曲面部件在天文望远镜中得到了应用。这些元件在减少系统光学组件数量的同时能够显著提升望远镜的性能，实现光学系统的轻量化、紧凑化以及高透过率。然而，此类镜面面形的复杂程度（如非旋转对称性、较大的非球面度等）却使传统面形检测方法面临困难，并逐步成为天文望远镜技术发展的瓶颈之一。

目前，对于天文望远镜面形，传统而直接的检测手段为接触/非接触式的三坐标机和轮廓仪。然而其点或线扫的工作方式，使得整个检测过程较长，尤其是对于较大口径的自由曲面光学（类）镜面元件，检测效能不高，且精度有限。虽然基于补偿器（如计算制全息图元件——CGH）的非球面干涉术可达到纳米量级的检测精度，但针对不同面形的光学镜面需要设计和制备相应的波面补偿元件，存在检测通用性弱、成本高的问题。

条纹反射术作为一种全场、高灵敏度、非接触、非相干的光学测量方法，在检测（类）镜面面形时具有较高的灵活性。其系统构成较为简单，一般由显示屏、面阵相机和计算机组成。然而，由于大口径（类）镜面元件尺寸的问题，传统的条纹反射测量系统结构并不完全适用。成三角结构设置的显示屏和面阵相机因其位于被测件镜面法线两侧，存在斜向投影和摄像的问题。此外，传统的条纹反射术需要分别投影显示水平和垂直两个方向的条纹，并且为了获取条纹的绝对相位信息，每个方向通常需要多幅相移的条纹图像，导致测量效率不高。虽然，基于单帧彩色复合光栅条纹反射的镜面三维面形测量方法仅需一幅条纹图像，提高了检测效率，但傅里叶变换的使用却妨碍了绝对相位的获取。更为突出的是，其相应的测量系统结构并不适用于大口径（类）镜面元件的检测。

发明内容

本发明针对现有大口径镜面元件检测技术所存在的不足，提供一种对表面变化复杂的大口径凹镜面物体的三维面形能实现快速、准确检测的测量方法及其装置。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是提供一种基于彩色双频条纹反射的大口径凹镜面面形的测量方法，包括如下步骤：

1、将两个显示屏、合光器件、分束器、待测大口径凹镜面与彩色相机按共光路结构放置，两个显示屏和彩色相机均位于待测镜面的焦平面处，彩色相机聚焦于待测镜面；

2、计算机按条纹图像编码方法沿两个正交方向分别编码生成红色和蓝色双频条纹图像，分别传输至两个显示屏同步显示；显示屏上的显示信号经合光器件输出彩色双频条纹图，由分束器反射至待测镜面表面；待测镜面反射的目标变形条纹图经分束器后由彩色相机接收，传输至计算机；

3、计算机对获得的目标变形条纹图像进行解调，得到与待测镜面面形对应的绝对相位分布；

4、依据步骤3得到的绝对相位分布，结合相位一致性约束和标定的系统结构参数，得到两个正交方向上待测镜面面形的梯度分布；再经积分重构得到待测镜面的三维面形分布。

本发明的一个优选方案是，所述的条纹图像编码方法，采用时域双频唯一性编码方法。具体为采用时域相移双频正弦条纹的唯一性编码方法，在两个显示屏上分别同步显示水平和垂直两个方向上的红色和蓝色相移双频正弦条纹图像，通过合光器件合成相移彩色双频正弦条纹图像。条纹图像编码方法的另一个优选方案是采用时域相移双频正弦条纹的唯一性编码方法，具体为单幅红色或蓝色条纹图中包含同方向的高低两种不同频率的条纹，低频条纹的空间频率为单位基频，高频条纹的空间频率为低频条纹的整数倍；时域相移条纹图像为等步长移相，高频条纹的每步相移量为，低频条纹的每步相移量为，总相移步数；所述的目标变形条纹图像的解调处理方法为采用最小二乘N步相移解调算法，计算得到双频截断相位；经双频相位展开，得到变形的高频条纹图像中与待测镜面面形对应的绝对相位分布。

本发明技术方案还包括提供一种基于彩色双频条纹反射的大口径凹镜面面形的测量装置，它包括两个显示屏、合光器件、分束器、彩色相机、图像输出器和目标图像处理器；所述的两个显示屏分别位于合光器件的两个端面；两个显示屏、合光器件、分束器、待测镜面与彩色相机形成共光路结构，显示屏和彩色相机均位于待测镜面的焦平面位置，彩色相机聚焦于待测镜面；所述的图像输出器将沿两个正交方向分别编码的红色和蓝色双频条纹图像分别传输至两个对应的显示屏上同步显示，显示屏上的显示信号再经合光器件输出彩色双频条纹图，由分束器反射至待测镜面表面，经待测面反射的变形条纹图通过分束器后由彩色相机接收，传输至目标图像处理器，经数据处理得到待测镜面的三维面形分布。

上述技术方案中，所述的合光器件为分别透过/反射红色和蓝色光信号的合光棱镜。所述的分束器为工作在红色和蓝色波段的半透半反镜。所述的彩色相机为彩色三芯片面阵CCD（电荷耦合元件）或CMOS（互补金属氧化物半导体）相机。所述的显示屏为LCD液晶显示屏或空间光调制器（SLM、LCOS）。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的测量方法在继承了传统条纹反射术固有优点的基础上，大幅减少了检测表面变化复杂的（类）镜面物体所需的投影显示条纹图像帧数，有效地提高了测量效率，克服了现有的基于单帧彩色复合光栅条纹反射的镜面三维面形测量方法只适用于面形变化相对简单的（类）镜面物体的问题。

2、本发明提供的测量装置实现了不同颜色的水平和垂直条纹的复合编码与分离获取，从硬件上有效地避免了现有的单显示屏和相机结构存在的颜色串扰（Colourcross-talk）问题，提高了面形检测的精度。

3、本发明提供的测量装置，系统结构简单紧凑、无中心遮拦，测量速度快、精度高、动态范围大，特别适用于针对表面变化复杂的大口径凹（类）镜面物体的三维面形测量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于彩色双频条纹反射的大口径凹（类）镜面面形的测量装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于彩色双频条纹反射的大口径凹（类）镜面面形的测量装置中合光器件（合光棱镜）的光谱透过/反射率曲线示意图；

图3为本发明的彩色双频条纹生成过程示意图；

图4为本发明彩色双频条纹经待测镜面反射后得到的变形条纹图。

其中：1、显示屏；2、合光器件（合光棱镜）；3、分束器；4、待测大口径（类）镜面物体；5、彩色三芯片相机；6、数据传输控制连接线；7、计算机。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明所述的测量装置与方法作进一步详细说明。

实施例1

参见附图1，它为本实施例提供的一种基于彩色双频条纹反射的大口径凹（类）镜面面形的测量装置的结构示意图。该测量装置由显示屏1、合光器件2、分束器3、彩色相机5、数据传输控制连接线6和计算机7构成。两个显示屏1分别位于合光器件2的两个端面；显示屏1与合光器件2组成的结构，以及彩色相机5，分别与分束器3配合，形成共光路结构，使得显示屏2和彩色相机5均位于待测大口径凹（类）镜面4的焦面位置，且相机5聚焦于待测镜面4；计算机7利用基于VisualC++6.0编译器开发的软件将沿两个正交方向分别编码的红色和蓝色双频条纹图像通过数据传输控制连接线6分别传输至两个显示屏1上同步显示，再经合光器件2输出彩色双频条纹图，并由分束器3反射至待测大口径凹（类）镜面4的表面，经待测面4反射的变形条纹图通过分束器3后由彩色相机5接收，最终经数据传输控制连接线6传输至计算机7由基于VisualC++6.0编译器开发的软件处理，完成对大口径凹（类）镜面4面形的检测。

参见附图2，为本实施例提供的基于彩色双频条纹反射的大口径凹（类）镜面面形测量装置中合光器件2的光谱透过/反射率曲线示意图。在本实施例中，合光器件2由合光棱镜实现，能够分别透过和反射波长范围为597.5～652.5nm的红色和422.5～477.5nm的蓝色光信号，从硬件上避免测量装置中显示屏1和彩色相机5存在的红色（R）通道与蓝色（B）通道信号间的颜色串扰（Colourcross-talk）问题。

采用附图1所示装置的一种基于彩色双频条纹反射的大口径凹（类）镜面面形的测量方法，包括以下步骤：

第一步，测量装置的搭建、调整与连接：将显示屏1、合光器件2、分束器3、待测大口径凹（类）镜面4与彩色相机5按共光路结构放置，使得显示屏1和彩色相机5均位于待测大口径凹（类）镜面4的焦面位置，且相机5聚焦于待测镜面4。

第二步，彩色双频条纹图像的编码、显示与获取：沿两个正交方向变化的红色和蓝色双频条纹图像由计算机7利用基于VisualC++6.0编译器开发的软件编码生成，通过数据传输控制连接线6分别传输至两个显示屏1上同步显示，再经合光器件2输出彩色双频条纹图，并由分束器3反射至待测大口径凹（类）镜面4的表面，经待测面4反射的变形条纹图通过分束器3后由彩色相机5接收，最终经数据传输控制连接线6传输至计算机7。

在本实施例中，条纹图像的编码采用时域双频唯一性编码方法，具体为基于时域相移双频正弦条纹的唯一性编码方法。如附图3所示，在两个显示屏1上分别同步显示水平和垂直两个方向上的红色和蓝色相移双频正弦条纹图像，其光强表达式为式（1）所示：

其中，上标R、B分别表示红色和蓝色通道，表示显示屏1图像的两个正交方向上的坐标，为设定的高低两种条纹频率，分别表示条纹图R、B通道中相应的背景分量和条纹调制度，，为相移步数。

上述两个显示屏1上同步显示的红色和蓝色相移双频正弦条纹图经合光器件2合成输出彩色双频条纹图，如附图3所示，其光强表达式为式（2）所示：

其中，、分别表示条纹图中两个正交方向上R、B通道中相应的背景分量和条纹调制度。

第三步，目标变形条纹图像的解调：根据第二步所用的条纹编码方法，采用相应的条纹解调技术基于VisualC++6.0编译器开发的软件处理由彩色相机5采集得到的目标变形条纹图像，计算出与待测大口径凹（类）镜面4面形对应的绝对相位分布。

在本实施例中，彩色相机5采用彩色三芯片面阵CCD相机实现，可从硬件上对如附图4所示采集获得的彩色双频变形条纹图进行红绿蓝（RGB）各通道信号分离提取。其红色（R）和蓝色（B）芯片输出的目标变形条纹图像为式（3）所示：

其中，表示彩色相机5输出图像的两个正交方向上的坐标， 分别表示变形条纹图R、B通道中相应的背景分量和条纹调制度，分别表示与待测镜面4面形相关的变形条纹图R、B通道中相应频率条纹的相位分布。根据最小二乘N步相移解调算法，可计算得到式（4）所示：

其中，对应的截断相位，省略坐标。由式（5）所示的双频相位展开算法：

即可得到与待测大口径凹（类）镜面4面形对应的两个正交方向上的绝对相位分布表示取整。

第四步，大口径凹（类）镜面面形的重构：根据第三步得到的绝对相位分布，结合相位一致性约束和标定的系统结构参数，恢复出两个正交方向上待测大口径凹（类）镜面4面形的梯度分布，最后经积分重构得到待测镜面4的三维面形分布。

Claims (9)

1.一种基于彩色双频条纹反射的大口径凹镜面面形的测量方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）将两个显示屏、合光器件、分束器、待测大口径凹镜面与彩色相机按共光路结构放置，两个显示屏和彩色相机均位于待测镜面的焦平面处，彩色相机聚焦于待测镜面；

（2）计算机按条纹图像编码方法沿两个正交方向分别编码生成红色和蓝色双频条纹图像，分别传输至两个显示屏同步显示；显示屏上的显示信号经合光器件输出彩色双频条纹图，由分束器反射至待测镜面表面；待测镜面反射的目标变形条纹图经分束器后由彩色相机接收，传输至计算机；

（3）计算机对获得的目标变形条纹图像进行解调，得到与待测镜面面形对应的绝对相位分布；

（4）依据步骤（3）得到的绝对相位分布，结合相位一致性约束和标定的系统结构参数，得到两个正交方向上待测镜面面形的梯度分布；再经积分重构得到待测镜面的三维面形分布。

2.根据权利要求1所述的一种基于彩色双频条纹反射的大口径凹镜面面形的测量方法，其特征在于：所述的条纹图像编码方法，采用时域双频唯一性编码方法。

3.根据权利要求2所述的一种基于彩色双频条纹反射的大口径凹镜面面形的测量方法，其特征在于：所述的时域双频唯一性编码方法，采用时域相移双频正弦条纹的唯一性编码方法，在两个显示屏上分别同步显示水平和垂直两个方向上的红色和蓝色相移双频正弦条纹图像，通过合光器件合成相移彩色双频正弦条纹图像。

4.根据权利要求1所述的一种基于彩色双频条纹反射的大口径凹镜面面形的测量方法，其特征在于：所述的条纹图像编码方法，采用时域相移双频正弦条纹的唯一性编码方法，单幅红色或蓝色条纹图中包含同方向的高低两种不同频率的条纹，低频条纹的空间频率为单位基频，高频条纹的空间频率为低频条纹的整数倍；时域相移条纹图像为等步长移相，高频条纹的每步相移量为，低频条纹的每步相移量为，总相移步数；所述的目标变形条纹图像的解调处理方法为采用最小二乘N步相移解调算法，计算得到双频截断相位；经双频相位展开，得到变形的高频条纹图像中与待测镜面面形对应的绝对相位分布。

5.一种基于彩色双频条纹反射的大口径凹镜面面形的测量装置，其特征在于：它包括两个显示屏、合光器件、分束器、彩色相机、图像输出器和目标图像处理器；所述的两个显示屏分别位于合光器件的两个端面；两个显示屏、合光器件、分束器、待测镜面与彩色相机形成共光路结构，显示屏和彩色相机均位于待测镜面的焦平面位置，彩色相机聚焦于待测镜面；所述的图像输出器将沿两个正交方向分别编码的红色和蓝色双频条纹图像分别传输至两个对应的显示屏上同步显示，显示屏上的显示信号再经合光器件输出彩色双频条纹图，由分束器反射至待测镜面表面，经待测面反射的变形条纹图通过分束器后由彩色相机接收，传输至目标图像处理器，经数据处理，得到待测镜面的三维面形分布。

6.根据权利要求5所述的一种基于彩色双频条纹反射的大口径凹镜面面形的测量装置，其特征在于：所述的合光器件为分别透过/反射红色和蓝色光信号的合光棱镜。

7.根据权利要求5所述的一种基于彩色双频条纹反射的大口径凹镜面面形的测量装置，其特征在于：所述的分束器为工作在红色和蓝色波段的半透半反镜。

8.根据权利要求5所述的一种基于彩色双频条纹反射的大口径凹镜面面形的测量装置，其特征在于：所述的彩色相机为彩色三芯片面阵CCD或CMOS相机。

9.根据权利要求5所述的一种基于彩色双频条纹反射的大口径凹镜面面形的测量装置，其特征在于：所述的显示屏为LCD液晶显示屏或空间光调制器。