CN107869964A - 非球面面形的检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种非球面面形的检测方法和装置，该装置包括：液晶显示屏、分束镜、CCD相机、计算机；液晶显示屏与被测非球面镜同轴设置，且液晶显示屏中心与被测非球面镜中心的连线构成检测光轴；分束镜与检测光轴呈预设夹角，并位于液晶显示屏与被测非球面镜之间；液晶显示屏上显示有补偿光栅，补偿光栅发出的光通过分束镜后被被测非球面镜和分束镜反射；CCD相机采集被被测非球面镜和分束镜反射之后的补偿光栅图像，并将补偿光栅图像发送给计算机；计算机从补偿光栅图像中分析出被测非球面镜偏离参考面形的偏差。本发明可以根据采集的直条纹来确定被测非球面镜的偏差，更加直观方便，缩短非球面检测的时间，并降低检测成本。

Description

非球面面形的检测方法和装置

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，具体地，涉及非球面面形的检测方法和装置。

背景技术

非球面具有简化系统结构、改善成像质量等优点，已经在天文望远镜、空间相机等现代光学系统中得到广泛地应用。在这些应用中，成像的清晰度依赖于高质量的非球面镜，而非球面镜的制造精度需要依靠先进的加工技术和测量方法。

偏折方法是光学车间检测中的一种可靠的测量方法，可以高速、低成本地测量非球面，这类方法主要包括傅科刀口检测法、朗奇检测法、哈特曼检测法和相位测量偏折术(Phase Measuring Deflectometry，PMD)。傅科刀口检测法可以定性、半定量地检测非球面，并且具有快速、操作简便等优点，但是这种方法仅仅适用于具有微小偏差斜率的小口径非球面镜检测，如果检测一个大口径的非球面镜时，一个连续的微小的斜率变化可能导致最后在镜面边缘造成一个很大的总偏差。

PMD等定量检测法都是在傅科刀口检测法的基础上发展起来的，PMD具有大的动态检测范围、低测试费用、较高的测量速度和精度等优点。在非零PMD中，使用直条纹的光栅测量非球面，在待测镜面完美和有缺陷时，相机采集的条纹都是弯曲的，因此，很难看出采集的弯曲条纹偏离一个理想弯曲条纹的弯曲程度。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种非球面面形的检测方法和装置。

第一方面，本发明提供的一种非球面面形的检测装置，包括：液晶显示屏、分束镜、CCD相机、计算机；所述液晶显示屏与被测非球面镜同轴设置，且所述液晶显示屏中心与被测非球面镜中心的连线构成检测光轴；所述分束镜与所述检测光轴呈预设夹角，并位于所述液晶显示屏与被测非球面镜之间；所述液晶显示屏上显示有补偿光栅，所述补偿光栅发出的光通过分束镜后被所述被测非球面镜和分束镜反射；所述CCD相机采集被所述被测非球面镜和分束镜反射之后的补偿光栅图像，并将所述补偿光栅图像发送给计算机；所述计算机从所述补偿光栅图像中分析出被测非球面镜偏离参考面形的偏差。

可选地，所述液晶显示屏上的补偿光栅为：在成像平面上生成的直正弦条纹基础上，通过光线追迹对条纹的相位进行调整之后形成的弯曲正弦条纹。

可选地，所述被测非球面镜偏离参考面形的偏差是根据所述补偿光栅图像中的条纹相对于直条纹的弯曲程度得到。

可选地，所述分束镜与所述检测光轴呈45度夹角，且所述分束镜向被测非球面镜一侧倾斜。

可选地，所述计算机，具体用于采集所述补偿光栅图像中条纹的每个像素点对应所述补偿光栅的同名相位点，通过光线追迹得到所述像素点关于参考镜面时的参考发光点位置，根据该参考发光点位置与所述补偿光栅中的同名相位点之间的偏离量，得到被测非球面镜的偏差梯度，根据所述偏差梯度得到被测非球面镜的偏差；

其中，采集所述补偿光栅图像中条纹的每个像素点对应所述补偿光栅的同名相位点，包括：将CCD相机的每个像素点对应生成直条纹的同名相位点，再利用光线追迹得到关于参考镜面时，所述同名相位点在对应补偿光栅上的位置。

第二方面，本发明提供一种非球面面形的检测方法，应用权利要求1-5中任一项所述的非球面面形的检测装置，所述方法包括：

采集被测非球面镜反射的补偿光栅图像；

从所述补偿光栅图像中分析出被测非球面镜偏离参考面形的偏差。

可选地，所述从所述补偿光栅图像中分析出被测非球面镜偏离参考面形的偏差值，包括：

采集所述补偿光栅图像中条纹的每个像素点对应所述补偿光栅的同名相位点，通过光线追迹得到所述像素点关于参考镜面时的参考发光点位置，根据该参考发光点位置与所述补偿光栅中的同名相位点之间的偏离量，得到被测非球面镜的偏差梯度，根据所述偏差梯度得到被测非球面镜的偏差。

可选地，所述采集所述补偿光栅图像中条纹的每个像素点对应所述补偿光栅的同名相位点，包括：

将CCD相机的每个像素点对应生成直条纹的同名相位点，再利用光线追迹得到关于参考镜面时，所述同名相位点在对应补偿光栅上的位置。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的非球面面形的检测方法和装置，通过分析针对被测非球面的条纹图，可以得出被测非球面镜偏离其参考镜面的偏差，从而实现对被测非球面镜的定性或定量检测。与非零相位测量偏折方法相比，可以根据采集的直条纹来确定被测非球面镜的偏差，更加直观方便，缩短非球面检测的时间，并降低检测成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例提供的非球面面形的检测装置的结构示意图；

图2为本发明一实施例中补偿光栅的设计原理示意图；

图3(a)为竖直方向的补偿光栅示意图；

图3(b)为水平方向的补偿光栅示意图；

图4(a)为成像平面上直条纹的关系图；

图4(b)为补偿光栅上弯曲条纹的关系图；

图5为本发明一实施例中检测非球面的零相位测量偏折方法原理图；

图6(a)为竖直方向采集条纹示意图；

图6(b)为水平方向采集条纹示意图；

图7为利用本发明重建的被测非球面镜偏差示意图。

图中：

1为液晶显示屏；

2为分束镜；

3为被测非球面镜；

4为CCD相机；

5为计算机。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明一实施例提供的非球面面形的检测装置的结构示意图，如图1所示，本实施例中的装置可以包括：液晶显示屏1、分束镜2、被测非球面镜3、CCD相机4以及计算机5。在检测时，液晶显示屏1上显示补偿光栅，此补偿光栅是基于光线追迹和条纹的相位信息设计而成的。将液晶显示屏1的中心与被测非球面镜3的中心连线作为检测光轴。分束镜2与光轴成45度角放置于液晶显示屏1和被测非球面镜3之间，从液晶显示屏1发出的光透过分束镜2，经被测非球面镜3和分束镜2反射后，进入CCD相机4，携带镜面偏离其参考面形(被测非球面的理想面形)偏差的信号有CCD相机输送进入计算机5。

本实施例中，所述补偿光栅的使用，可使非球面镜的检测更容易定性地获得被测非球面镜偏离其参考镜面的偏差。

图2为本发明一实施例中补偿光栅的设计原理示意图，图3(a)为竖直方向的补偿光栅示意图，图3(b)为水平方向的补偿光栅示意图。如图2所示，以被测非球面镜顶点为原心建立笛卡尔直角坐标系oxyz。在直角坐标系中，CCD相机4光阑中心C位于被测非球面镜顶点的曲率中心处，D为液晶显示屏1和被测非球面镜3顶点之间的距离。在补偿光栅的设计中，为了得到液晶显示屏上的弯曲条纹，在CCD相机4的成像面上生成直正弦条纹。

在图2中，N是经过成像平面上点A的反射光线AC与参考面形的交点，根据矢量反射定律，确定经过点N的入射光线斜率，然后，利用点N和经过点N的入射光线斜率，确定这条入射光线，再利用这条光线和液晶显示屏位置计算出交点T₁。点T₁的相位和成像平面上点A的相位相同，通过线性插值得到液晶显示屏上每一个像素点的相位。

液晶显示屏1上每个像素的相位也可通过屏上一个像素到z轴的距离TA来确定。以一个抛物面为例，TA和镜面上一点到z轴的距离r之间的关系为，

r⁵-TAr⁴+2R²r³-TAR²r²+2R³dr-2TAR⁴＝0， (1)

式中：d是液晶显示屏和被测非球面镜曲率中心之间的距离，R是被测非球面镜顶点的曲率半径，TA由液晶显示屏的像素尺寸确定。利用已知d,R,TA从式(1)计算出r，然后由相似三角形求出点A到z轴的距离r_A，r_A和TA之间的关系如图4(a)、图4(b)所示，图中x_A,y_A分别是点A在x,y方向的分量，分别是点T₁在x,y方向的分量。从图4(a)、图4(b)可以得到x_A,y_A分别为，

利用式(2)、(3)计算的(x_A,y_A)获得补偿光栅上弯曲条纹相位因此，补偿光栅的强度表示为，

当成像平面上的条纹平行于y轴时(竖直条纹)，当成像平面上的条纹平行于x轴时(水平条纹)，这里的p₁、p₂分别是竖直条纹和水平条纹的周期。

将设计的补偿光栅显示在液晶显示屏上，对非球面镜的检测原理如图5所示，建立的笛卡尔直角坐标系与图2相同，显示在液晶显示屏上的补偿光栅经被测非球面镜反射后，为CCD相机接收。采集条纹图的相位携带了被测非球面镜的偏差信息，获得相位的相移法实现了点对点测量，具有测量精度高等优点，但是相移法的测量速度较低，至少需要采集3幅以上的条纹图。为了平衡测量速度和精度，采用四步相移技术得到采集条纹的截断相位，然后，利用空间相位展开算法得到条纹图的连续相位。本发明为了获得被测非球面镜的偏差，需要找出采集条纹与补偿光栅上的同名相位点，寻找过程分为两步，首先，利用同相位信息，找出CCD相机上任一点像素点A＇在生成直条纹图上的同名相位点A，然后，对于参考非球面镜，利用光线追迹得到点A在补偿光栅上的同名相位点T₁。

利用已知的反射光线CA＇，参考非球面镜面形和液晶显示屏位置，由光线追迹确定T₂。在图5中，点T₂到z轴的距离为TA，δTA是点T₁和点T₂之间的距离，此距离与被测非球面镜沿其法线方向的偏差g(r)有关，δTA与g(r)梯度之间的关系为，

其中，式中γ是参考入射光线和z轴之间的夹角，β是参考镜面法线与z轴之间的夹角，f(r)是参考面形。沿法线方向的被测非球面镜的偏差梯度可以分解在x,y两个方向上，积分两个方向的梯度，重建被测非球面镜沿法线方向的偏差g(r)。

具体的，CCD相机采集携带被测非球面镜偏差信息8幅条纹图中的2幅，其中，图6(a)为竖直方向采集条纹示意图，图6(b)为水平方向采集条纹示意图。图7为利用本发明重建的被测非球面镜偏差示意图。

本实施例，通过分析采集的条纹图，可以看出或重建出被测非球面镜偏离其参考镜面的偏差，从而实现对被测非球面镜的定性或定量检测。与非零相位测量偏折方法相比，该方法使技术人员从一个直条纹比一个弯曲条纹更方便地确定被测非球面镜的偏差，缩短非球面检测的时间，并降低检测成本。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种非球面面形的检测装置，其特征在于，包括：液晶显示屏、分束镜、CCD相机、计算机；所述液晶显示屏与被测非球面镜同轴设置，且所述液晶显示屏中心与被测非球面镜中心的连线构成检测光轴；所述分束镜与所述检测光轴呈预设夹角，并位于所述液晶显示屏与被测非球面镜之间；所述液晶显示屏上显示有补偿光栅，所述补偿光栅发出的光通过分束镜后被所述被测非球面镜和分束镜反射；所述CCD相机采集被所述被测非球面镜和分束镜反射之后的补偿光栅图像，并将所述补偿光栅图像发送给计算机；所述计算机从所述补偿光栅图像中分析出被测非球面镜偏离参考面形的偏差。

2.根据权利要求1所述的非球面面形的检测装置，其特征在于，所述液晶显示屏上的补偿光栅为：在成像平面上生成的直正弦条纹基础上，通过光线追迹对条纹的相位进行调整之后形成的弯曲正弦条纹。

3.根据权利要求1所述的非球面面形的检测装置，其特征在于，所述被测非球面镜偏离参考面形的偏差是根据所述补偿光栅图像中的条纹相对于直条纹的弯曲程度得到。

4.根据权利要求1所述的非球面面形的检测装置，其特征在于，所述分束镜与所述检测光轴呈45度夹角，且所述分束镜向被测非球面镜一侧倾斜。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的非球面面形的检测装置，其特征在于，所述计算机，具体用于采集所述补偿光栅图像中条纹的每个像素点对应所述补偿光栅的同名相位点，通过光线追迹得到所述像素点关于参考镜面时的参考发光点位置，根据该参考发光点位置与所述补偿光栅中的同名相位点之间的偏离量，得到被测非球面镜的偏差梯度，根据所述偏差梯度得到被测非球面镜的偏差；

其中，采集所述补偿光栅图像中条纹的每个像素点对应所述补偿光栅的同名相位点，包括：将CCD相机的每个像素点对应生成直条纹的同名相位点，再利用光线追迹得到关于参考镜面时，所述同名相位点在对应补偿光栅上的位置。

6.一种非球面面形的检测方法，其特征在于，应用权利要求1-5中任一项所述的非球面面形的检测装置，所述方法包括：

采集被测非球面镜反射的补偿光栅图像；

从所述补偿光栅图像中分析出被测非球面镜偏离参考面形的偏差。

7.根据权利要求6所述的非球面面形的检测方法，其特征在于，所述从所述补偿光栅图像中分析出被测非球面镜偏离参考面形的偏差值，包括：

采集所述补偿光栅图像中条纹的每个像素点对应所述补偿光栅的同名相位点，通过光线追迹得到所述像素点关于参考镜面时的参考发光点位置，根据该参考发光点位置与所述补偿光栅中的同名相位点之间的偏离量，得到被测非球面镜的偏差梯度，根据所述偏差梯度得到被测非球面镜的偏差。

8.根据权利要求7所述的非球面面形的检测方法，其特征在于，所述采集所述补偿光栅图像中条纹的每个像素点对应所述补偿光栅的同名相位点，包括：

将CCD相机的每个像素点对应生成直条纹的同名相位点，再利用光线追迹得到关于参考镜面时，所述同名相位点在对应补偿光栅上的位置。