CN105973166A - 采用部分相干光场式漫反射屏的面形检测装置及检测方法 - Google Patents

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朱荣刚
孙越
矫苛蓉
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Abstract

本发明公开了一种采用部分相干光场式漫反射屏的面形检测装置及检测方法，部分相干光源发出部分相干光束，经空间光调制器调制，入射至石英平板，石英平板将调制后的部分相干光束漫反射至实验平台上的被检元件，经被检元件反射，将携带被检元件面形信息的部分相干光束反射至成像物镜，经成像物镜成像后，被探测器的靶面接收，探测器将采集到的相位分布信息输入计算机，经计算机进行光场分析计算，利用得到的相位分布反演出被检元件的面形。本发明的优点在于利用部分相干光源的相干性，结合空间光调制器对光强的调制作用，使得石英平板漫反射的光同时具有相干性和可调控性。

Description

采用部分相干光场式漫反射屏的面形检测装置及检测方法
技术领域
本发明属于光学元件面形检测技术，具体涉及一种采用部分相干光场式漫反射屏的面形检测装置及检测方法。
背景技术
相位偏折测量法（Phase measuring deflectometric method，简称PMD）最先在2004年由埃朗根纽伦堡大学马库斯·诺尔(Markus C. Knauer)等人提出。其基本思想是通过漫反射屏向被测元件表面投射某一调制光场，在光的反射方向上用CCD来接收该反射光，由于物体表面的起伏会造成在其表面反射的光场的相位发生改变，那么通过测量计算光场相位的改变量从而得到物体表面的形貌。
相比与其他测量方法，该方法的优势主要是：①非接触式测量，对被测件做到无损检测，可以适应于光学镜面的面形测量；②全面形测量，投射光场覆盖被测件全口径，无需经过拼接就能获取全部面形数据，测量效率高；③不受被测件表面梯度的限制，可以适合大梯度变化的面形测量，如非球面和自由曲面；④适合测量大口径元件。目前，德国、日本、新加坡还有国内的一些高校对镜面反射法测量非球面均有大量的研究。德国萨尔州大学埃里克斯(Alexis Speck)等人研究了其在自由曲面眼内镜片面形测量上的应用，四川大学、天津大学都有基于PMD法的非球面等镜面三维形貌的研究。
目前传统的相位偏折测量系统都是建立在几何光学的理论基础上的，几何光学近似是处理非相干光场的常用工具，在此近似下光线的传播可以通过简单地光线追迹实现，把成像系统成像镜近似为针孔模型，把LCD显示屏近似为理想平面，而市场常见显示器的加工平面度只能达到微米量级，该种近似致使传统相位偏折测量的精度始终维持在微米量级，陷入了瓶颈。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用部分相干光场式漫反射屏的面形检测装置及检测方法，将相位偏折术用于高精度大口径光学元件面形检测中，解决了现有方法中LCD显示屏的平面度低限制测量精度的问题。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种采用部分相干光场式漫反射屏的面形检测装置，包括部分相干光场式漫反射屏系统、检测平台系统、成像系统和计算机，成像系统与计算机相连；其中，部分相干光场式漫反射屏系统作为物方，包括部分相干光源、空间光调制器和石英平板；检测平台系统包括实验平台和放置在实验平台上的被检元件，成像系统包括沿光路依次放置的成像物镜和探测器，空间光调制器设置在部分相干光源的出光口，石英平板设置在部分相干光源的光路上，被检元件位于石英平板的漫反射光路上，成像物镜位于被检元件的反射光路上；探测器与计算机连接
部分相干光源发出部分相干光束，经空间光调制器调制，入射至石英平板，石英平板将调制后的部分相干光束漫反射至实验平台上的被检元件，经被检元件反射，将携带被检元件面形信息的部分相干光束反射至成像物镜，经成像物镜成像后，被探测器的靶面接收，探测器将采集到的相位分布信息输入计算机，经计算机进行光场分析计算，利用得到的相位分布反演出被检元件的面形。
所述石英平板的平面度为纳米量级，经石英平板漫反射的光能够完全覆盖被检元件。
所述被检元件为高反射物体。
一种采用部分相干光场式漫反射屏的面形检测装置的检测方法，方法步骤如下：
第一步，部分相干光源发出的部分相干光束进入空间光调制器，利用空间光调制器对光强进行调控；
第二步，通过空间光调制器调制的部分相干光束投射到石英平板上；
第三步，经石英平板漫反射，漫反射的部分相干光束能够完全覆盖被检元件，经被检元件反射，将携带被检元件面形信息的部分相干光束反射至成像物镜，经成像物镜成像后，被探测器的靶面接收；
第四步，探测器将采集到的相位分布信息输入计算机；
第五步，计算机对上述相位分布进行光场分析计算，利用得到的相位分布反演出被检元件的面形。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：（1）利用部分相干光源的相干性，结合空间光调制器对光强的调制作用，使得石英平板漫反射的光同时具有相干性和可调控性。
（2）将相位偏折术用于高精度大口径光学元件面形检测中，能够对大口径光学元件的面形进行高精度的测量。
附图说明
图1为本发明采用部分相干光场式漫反射屏的面形检测装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1，一种采用部分相干光场式漫反射屏的面形检测装置，包括部分相干光场式漫反射屏系统1、检测平台系统2、成像系统3和计算机4，成像系统3与计算机4相连；其中，部分相干光场式漫反射屏系统1作为物方，包括部分相干光源1-1、空间光调制器1-2和石英平板1-3；检测平台系统2包括实验平台2-1和放置在实验平台2-1上的被检元件2-2，成像系统3包括沿光路依次放置的成像物镜3-1和探测器3-2，空间光调制器1-2设置在部分相干光源1-1的出光口，石英平板1-3设置在部分相干光源1-1的光路上，被检元件2-2位于石英平板1-3的漫反射光路上，成像物镜3-1位于被检元件2-2的反射光路上；探测器3-2与计算机4连接。其中探测器3-2的靶面位于成像物镜3-1的后焦平面处。
部分相干光源1-1发出部分相干光束，经空间光调制器1-2调制，得到便于面形重构的光场分布，该光场分布具有部分相干性和可调控性，调制后的部分相干光束入射至石英平板1-3，用这套光路代替传统相位偏折测量中的LCD显示屏，石英平板1-3是一个平面度非常高的漫反射屏，相当于物方，结合其上分布的光场信息则相当于一个相位物体。石英平板1-3将调制后的部分相干光束漫反射至实验平台2-1上的被检元件2-2，被检元件2-2是一个高反射的物体，经被检元件2-2反射，将携带被检元件2-2面形信息的部分相干光束反射至成像物镜3-1，（其中石英平板1-3、被检元件2-2、成像系统3之间满足反射定律），经成像物镜3-1成像后，被探测器3-2的靶面接收，探测器3-2将采集到的相位分布信息转换为电信号并输入计算机4，经计算机4进行光场分析计算，利用得到的相位分布反演出被检元件2-2的面形。
所述石英平板1-3的平面度为波长量级，经石英平板1-3漫反射的光能够完全覆盖被检元件2-2。
所述被检元件2-2为高反射物体。
一种采用部分相干光场式漫反射屏的面形检测装置的检测方法，方法步骤如下：
第一步，部分相干光源1-1发出的部分相干光束进入空间光调制器1-2，利用空间光调制器1-2对光强进行调控，为光场理论的引入提供具有部分相干性、可调控的光源。
第二步，通过空间光调制器1-2调制的部分相干光束投射到石英平板1-3上，此处的石英平板是一个平面度非常高的漫反射屏，由部分相干光源、空间光调制器、高精度石英平板构成部分相干光场式漫反射屏，结合其上分布的光场信息则相当于一个相位物体。
第三步，经石英平板1-3漫反射，漫反射的部分相干光束能够完全覆盖被检元件2-2，经被检元件2-2反射，将携带被检元件2-2面形信息的部分相干光束反射至成像物镜3-1，经成像物镜3-1成像后，被探测器3-2的靶面接收；
第四步，探测器3-2将采集到的相位分布信息输入计算机4；
第五步，计算机4对上述相位分布进行光场分析计算，利用得到的相位分布反演出被检元件2-2的面形。

Claims (4)

1.一种采用部分相干光场式漫反射屏的面形检测装置，其特征在于：包括部分相干光场式漫反射屏系统（1）、检测平台系统（2）、成像系统（3）和计算机（4），成像系统（3）与计算机（4）相连；其中，部分相干光场式漫反射屏系统（1）作为物方，包括部分相干光源（1-1）、空间光调制器（1-2）和石英平板（1-3）；检测平台系统（2）包括实验平台（2-1）和放置在实验平台（2-1）上的被检元件（2-2），成像系统（3）包括沿光路依次放置的成像物镜（3-1）和探测器（3-2），空间光调制器（1-2）设置在部分相干光源（1-1）的出光口，石英平板（1-3）设置在部分相干光源（1-1）的光路上，被检元件（2-2）位于石英平板（1-3）的漫反射光路上，成像物镜（3-1）位于被检元件（2-2）的反射光路上；探测器（3-2）与计算机（4）连接；
部分相干光源（1-1）发出部分相干光束，经空间光调制器（1-2）调制，入射至石英平板（1-3），石英平板（1-3）将调制后的部分相干光束漫反射至实验平台（2-1）上的被检元件（2-2），经被检元件（2-2）反射，将携带被检元件（2-2）面形信息的部分相干光束反射至成像物镜（3-1），经成像物镜（3-1）成像后，被探测器（3-2）的靶面接收，探测器（3-2）将采集到的相位分布信息输入计算机（4），经计算机（4）进行光场分析计算，利用得到的相位分布反演出被检元件（2-2）的面形。
2.根据权利要求1所述的采用部分相干光场式漫反射屏的面形检测装置，其特征在于：所述石英平板（1-3）的平面度为纳米量级，经石英平板（1-3）漫反射的光能够完全覆盖被检元件（2-2）。
3.根据权利要求1所述的采用部分相干光场式漫反射屏的面形检测装置，其特征在于：所述被检元件（2-2）为高反射物体。
4.如权利要求1所述的采用部分相干光场式漫反射屏的面形检测装置的检测方法，其特征在于，方法步骤如下：
第一步，部分相干光源（1-1）发出的部分相干光束进入空间光调制器（1-2），利用空间光调制器（1-2）对光强进行调控；
第二步，通过空间光调制器（1-2）调制的部分相干光束投射到石英平板（1-3）上；
第三步，经石英平板（1-3）漫反射，漫反射的部分相干光束能够完全覆盖被检元件（2-2），经被检元件（2-2）反射，将携带被检元件（2-2）面形信息的部分相干光束反射至成像物镜（3-1），经成像物镜（3-1）成像后，被探测器（3-2）的靶面接收；
第四步，探测器（3-2）将采集到的相位分布信息输入计算机（4）；
第五步，计算机（4）对上述相位分布进行光场分析计算，利用得到的相位分布反演出被检元件（2-2）的面形。
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