CN108007380A - 一种球面面形误差和曲率半径误差在线检测装置和方法 - Google Patents

一种球面面形误差和曲率半径误差在线检测装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种球面面形误差和曲率半径误差在线检测装置和方法,该装置包括:样板、待测件、球面LED光源、干涉条纹采集单元、球面面形误差和曲率半径误差检测单元和控制单元;球面LED光源的正面为照射面且相对样板设置,用于提供多种波长的均匀照明光,并以其中至少两种被选定的波长的照明光源分时逐次照射样板和待测件;干涉条纹采集单元用于采集和输出等厚干涉条纹图像;球面面形误差和曲率半径误差检测单元用于获得不同波长照明下等厚干涉条纹图像上同一点的强度变化,得到该点的绝对光程差,并以此类推确定待测件的被测面的上所有点的绝对光程差,进而得到待测件的被测面的面形误差和曲率半径误差。本发明能够实现客观、自动化、高精度、低成本的球面面形误差和曲率半径误差的检测。

Description

一种球面面形误差和曲率半径误差在线检测装置和方法
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域,特别是涉及一种基于样板干涉法的球面面形误差和曲率半径误差在线检测装置和方法。
背景技术
目前,在光学加工中常见的球面光学零件面形检测手段包括样板法、激光干涉仪法。样板法是一种可在线测量的面形手段,其检测成本较低,在光学车间大量使用。但该方法为主观性太大,是一种半定量的检测手段,且效率较低。激光干涉仪法包括斐索干涉仪、泰曼格林干涉仪等检测形式。激光干涉仪法是一种高精度离线测量手段,需要将光学元件放在检测台面上进行检测,适合光学元件出厂时终检使用,且使用激光干涉仪无法同时测量球面面形误差和曲率半径误差和面形参数。由于干涉仪成本昂贵,很多民营光学加工厂无力购置,因此希望寻求一种高精度、低成本、便捷的球面光学零件球面面形误差和曲率半径误差检测方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于样板干涉法的球面面形误差和曲率半径误差在线检测装置和方法来克服或至少减轻现有技术的上述缺陷中的至少一个。
为实现上述目的,本发明提供为实现上述目的,本发明提供一种球面面形误差和曲率半径误差在线检测装置,所述球面面形误差和曲率半径误差在线检测装置包括:样板、待测件、球面LED光源、干涉条纹采集单元、球面面形误差和曲率半径误差检测单元和控制单元;其中,所述待测件和所述球面LED光源分别布置在所述样板的两侧;所述待测件的被测球面贴合到所述样板的基准球面,在照明光源照射作用下所述待测件的被测球面与所述样板的基准球面之间的空气间隙能够产生等厚干涉条纹图像;所述球面LED光源具有正面和背面,所述正面为照射面且相对所述样板设置;所述球面LED光源用于提供多种波长的均匀照明光,并以其中至少两种被选定的波长的照明光源逐次照射所述样板和待测件;所述干涉条纹采集单元包括相机和小孔光阑,所述小孔光阑置于所述相机的镜头外的正前方,且贴合到所述球面LED光源的背面;所述干涉条纹采集单元用于采集和输出所述等厚干涉条纹图像;所述球面面形误差和曲率半径误差检测单元用于根据被选定的照明光源的波长及经该波长照明光源照明后产生的所述等厚干涉条纹图像,获得不同波长照明下所述等厚干涉条纹图像上同一点的强度变化,得到该点的绝对光程差,并以此类推确定所述待测件的被测球面的上所有点的绝对光程差,进而得到所述待测件的被测球面的面形误差和曲率半径误差;所述球面面形误差和曲率半径误差检测单元具体包括输入模块、存储模块、比对分析模块和计算模块,其中,所述输入模块用于接收选定的照明光源的波长数据及经该波长照明光源照明后产生的所述等厚干涉条纹图像、和预先设定的光程差范围;所述计算模块用于接收所述输入模块的照明光源的波长和预先设定光程差,并根据其内预先设置的等厚干涉的干涉条纹强度公式,计算设定光程差下的所述参考矩阵中的干涉条纹强度,等厚干涉的干涉条纹强度公式为:
其中,ΔH为光程差,λ为照明光源的波长,I为干涉条纹强度;
所述存储模块用于将对应各照明光源的波长λ的所述所有预先设定的光程差范围内所有光程差下的干涉条纹强度I以矩阵形式存储为参考矩阵;所述比对分析模块用于将实际测得的所述等厚干涉条纹图像上各点的[Iλ1,Iλ2,Iλ3……]与参考矩阵中的所有干涉条纹强度向量进行比对,以干涉条纹强度向量内各元素与参考矩阵中最为接近的一干涉条纹强度向量对应的光程差为该点绝对光程差,并以此类推确定所述待测件的被测球面的上所有点的绝对光程差,进而得到所述待测件的被测球面的面形误差和曲率半径误差;
所述控制单元用于为所述球面LED光源和相机提供准确的时序控制信号,用于匹配所述球面LED光源照明和所述相机曝光。
进一步地,所述球面LED光源为多波长球面导光LED光源,其包括积分腔体和半球形导光板,其中,所述积分腔体具有照明光输出口,与所述照明光输出口相对的内表面设用于提供多种波长的均匀照明光的LED阵列,所述LED阵列包括LED子列,同一所述LED子列中的每一个LED的波长相同,每一所述LED子列的电流分别由对应的触发开关控制,所述触发开关受控于所述控制单元;所述半球形导光板具有多个照明光输入口,各所述照明光输入口围绕所述半球形导光板的外缘一周均匀隔开布置,每一所述照明光输入口连接一所述积分腔体的照明光输出口;所述LED阵列发出的光线经所述积分腔体反射和/或漫反射后经由所述照明光输出口进入到所述半球形导光板,再通过所述半球形导光板均匀出射。
进一步地,所述LED阵列和LED阵列的光谱中心波长范围为350nm~1000nm,所述被选定的波长的照明光源为至少一个所述LED子列的波长或波长组合,与此相对应地,所述待测件的口径不大于4英寸,所述球面LED光源的尺寸范围为为50mm×50mm~10000mm×1000mm。
本发明还提供一种球面面形误差和曲率半径误差在线检测方法,所述球面面形误差和曲率半径误差在线检测方法包括:步骤1,设置包括样板、待测件、球面LED光源、干涉条纹采集单元、球面面形误差和曲率半径误差检测单元和控制单元的球面面形误差和曲率半径误差在线检测装置,具体为:将所述待测件和所述球面LED光源分别布置在所述样板的两侧,所述待测件的被测球面贴合到所述样板的基准球面;所述球面LED光源为面光源,具有正面和背面,所述正面为照射面且相对所述样板设置;所述干涉条纹采集单元包括相机和小孔光阑,将所述小孔光阑置于所述相机的镜头外的正前方,且贴合到所述球面LED光源的背面;所述控制单元用于为所述球面LED光源和相机提供准确的时序控制信号,用于匹配所述球面LED光源照明和所述相机曝光;步骤2,选定至少两种波长的照明光源,通过所述球面LED光源逐次照射所述样板和待测件;步骤3,通过所述干涉条纹采集单元采集和输出所述待测件的被测球面与所述样板的基准球面之间的空气间隙产生的等厚干涉条纹图像;步骤4,根据被选定的照明光源的波长及经该波长照明光源照明后产生的所述等厚干涉条纹图像,通过所述球面面形误差和曲率半径误差检测单元获得不同波长照明下所述等厚干涉条纹图像上同一点的强度变化,得到该点的绝对光程差,并以此类推确定所述待测件的被测球面的上所有点的绝对光程差,进而得到所述待测件的被测球面的面形误差和曲率半径误差。
进一步地,所述步骤4具体包括:步骤41,接收照明光源的波长数据及经该波长照明光源照明后产生的所述等厚干涉条纹图像、和预先设定的光程差范围;步骤42,根据等厚干涉的干涉条纹强度公式,计算设定光程差下的所述参考矩阵中的干涉条纹强度,等厚干涉的干涉条纹强度公式为:
其中,ΔH为光程差,λ为照明光源的波长,I为干涉条纹强度;
步骤43,将对应各照明光源的波长λ的所述所有预先设定的光程差范围内所有光程差下的干涉条纹强度I以矩阵形式存储为参考矩阵;步骤44,将实际测得的所述等厚干涉条纹图像上各点的[Iλ1,Iλ2,Iλ3……]与参考矩阵中的所有干涉条纹强度向量进行比对,以干涉条纹强度向量内各元素与参考矩阵中最为接近的一干涉条纹强度向量对应的光程差为该点的绝对光程差,并以此类推确定所述待测件的被测球面的上所有点的绝对光程差,进而得到所述待测件的被测球面的面形误差和曲率半径误差。
本发明基于传统样板干涉法,通过球面LED光源、干涉条纹采集和面形恢复方法,替代了传统样板干涉法中人对干涉条纹的主观判断,并由多波长干涉测量完成绝对光程差测量,实现客观、自动化、高精度、低成本的球面面形误差和曲率半径误差的检测。
附图说明
图1为本发明所提供的球面面形误差和曲率半径误差在线检测装置一实施例的结构示意图。
图2为球面面型误差和曲率半径误差检测单元的原理性结构示意图。
图3为图1中的基于样板干涉法的球面面形误差和曲率半径误差在线检测装置的硬件控制流程图。
图4为图3中的多波长球面导光LED光源的结构示意图。
图5为图4中的LED光源的控制示意图。
图6为图3和图4中的LED光源的控制示意图。
图7为多波长绝对光程差测量示意图。
具体实施方式
在附图中,使用相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
如图1所示,本实施例所提供的球面面形误差和曲率半径误差在线检测装置包括:样板1、待测件2、球面LED光源3、干涉条纹采集单元4、球面面形误差和曲率半径误差检测单元5和控制单元6;其中,
待测件2和球面LED光源3分别布置在样板1的两侧。待测件2的被测球面2a贴合到样板1的基准球面1a,在照明光源照射作用下待测件2的被测球面2a与样板1的基准球面1a之间的空气间隙能够产生等厚干涉条纹。采集等厚干涉条纹图像,计算等厚干涉条纹图像上各点的绝对光程差,进而得到待测件2与样板1之间的球面面形误差和曲率半径误差。
球面LED光源3具有正面3a和背面3b,正面3a为照射面且相对样板1设置,利用均匀分布的特定波长的照明光照射样板1和待测件2。球面LED光源3用于提供多种波长的均匀照明光,并以其中至少两种被选定的波长的照明光源逐次照射样板1和待测件2。本实施例是针对围在0~20μm的绝对光程差测量,利用多种半高全宽在10~50nm的准单色LED光源,组成多波长均匀球面光源,产生球面面形误差和曲率半径误差检测所需的多波长均匀分时准单色照明。
如图3至图6所示,在一个实施例中,球面LED光源3由多波长球面导光LED光源实现,其包括积分腔体31和半球形导光板33,其中,
积分腔体31为一个封闭的腔体,其中具有一个较大空腔,而且具有照明光输出口31a。与照明光输出口31a相对的内表面设用于提供多种波长的均匀照明光的LED阵列32。LED阵列32发出的光线在积分腔体31的腔内多次反射或漫反射,以尽可能减少由于不同波长LED的空间上的分离带来的照明均匀性的改变。LED阵列32包括LED子列,其中的每一个LED以阵列的形式紧密排列,并且,同一所述LED子列中的LED的波长相同。优选地,LED阵列32的光谱中心波长范围为350nm~1000nm,所述被选定的波长的照明光源为至少一个所述LED子列的波长或波长组合,与此相对应地,待测件2的口径不大于4英寸,球面LED光源3的尺寸范围为为50mm×50mm~10000mm×1000mm,半球形导光板33的曲率半径不小于50mm。
每一所述LED子列的电流分别由对应的触发开关34控制,触发开关34受控于控制单元6。如图6所示,触发开关34采用的是MOS触发开关和LED驱动器,每一所述LED子列分别由一个LED驱动器驱动,每一个LED驱动器由一个MOS触发开关控制。使用时,LED驱动器受MOS触发开关控制,当MOS触发开关接收到触发信号后控制LED驱动器输出恒定电流点亮LED,每一个MOS触发开关及LED驱动器均只控制一种波长的LED。通过分别给MOS触发开关1、2……n发送触发信号即可完成波长的切换。
半球形导光板33具有多个照明光输入口33a,各照明光输入口33a围绕半球形导光板33的外缘一周均匀隔开布置,每一照明光输入口33a连接一积分腔体31的照明光输出口31a。
LED阵列32发出的光线经所述积分腔体31反射和/或漫反射后经由照明光输出口31a进入到半球形导光板33,再通过半球形导光板33均匀出射。
如图1所示,在一个实施例中,干涉条纹采集单元4用于采集和输出所述等厚干涉条纹图像。干涉条纹采集单元4包括相机组件41和小孔光阑42,小孔光阑42置于相机组件41的镜头外的正前方,且贴合到球面LED光源3的背面3b。相机组件41包括100~400W像素工业相机和焦距16mm~100mm定焦镜头。
球面面形误差和曲率半径误差检测单元5用于根据被选定的照明光源的波长及经该波长照明光源照明后产生的所述等厚干涉条纹图像,获得不同波长照明下所述等厚干涉条纹图像上同一点的强度变化,得到该点的绝对光程差,并以此类推确定所述待测件2的被测球面2a的上所有点的绝对光程差,进而得到所述待测件2的被测球面2a的面形误差和曲率半径误差。
需要指出的是,样板干涉法的原理为由观察样板与待测件之间的等厚干涉条纹,判断待测件2与样板1之间的球面面形误差和曲率半径误差。干涉仪中常用的移相干涉算法通过移相计算光学表面的各个位置的包裹相位,并由解包裹来恢复整个待测件的表面球面面形误差和曲率半径误差。但是,受2π不定性影响,该方法无法测得待测件2的被测球面2a与样板1的基准球面1a之间的绝对光程差。对于同样的光程差,即使各波长照明光源强度一致,受干涉影响各波长对应的光强也不相同。本实施例提出了利用基于多波长等厚干涉原理的绝对光程差测量方法,进行球面面形误差和曲率半径误差检测,具体描述如下:
等厚干涉的干涉条纹强度公式为:
其中,ΔH为光程差,λ为照明光源的波长,I为干涉条纹强度(归一化)。
也就是说,通过探测不同波长照明条件下同一点的强度变化即可在一定波长范围内确定该点处对应空气间隔,即绝对光程差。
由相机41各像素对应的各物点在不同波长光源照明下的强度变化既可解算出各物点的绝对光程差,即可恢复出球面面型。
以模板比对法为例,说明球面面型恢复过程。首先计算各个光程差下对应各照明波长的条纹强度序列[Iλ1,Iλ2,Iλ3……]并存储于计算机中,作为参考矩阵。在实际拍摄到一组不同干涉波长照明下的等厚干涉条纹图像后,对每一像素点按照波长组成一强度序列,将每一点的强度序列与之前存储在计算机中的强度模板做比对即可确定光程差,从而计算出待测球面光学元件每一点相对样板的球面面形误差和曲率半径误差。下面将根据该实施例给出球面面形误差和曲率半径误差检测单元5的一种实现方式。
如图2所示,球面面形误差和曲率半径误差检测单元5具体包括输入模块51、存储模块52、比对分析模块53和计算模块54,其中,输入模块51用于接收选定的照明光源的波长数据(包括波长的大小及其对应的照射序号)及经该波长照明光源照明后产生的所述等厚干涉条纹图像、和预先设定的光程差。计算模块54用于接收输入模块51的照明光源的波长和预先设定光程差,并根据其内预先设置的等厚干涉的干涉条纹强度公式,计算设定光程差下的所述参考矩阵中的干涉条纹强度。存储模块52用于将计算得到的对应各照明光源的波长λ的所述所有预先设定的光程差范围内所有光程差下的干涉条纹强度I以矩阵形式存储为参考矩阵。比对分析模块53用于将实际测得的所述等厚干涉条纹图像上各点的[Iλ1,Iλ2,Iλ3……]与参考矩阵中的所有干涉条纹强度向量进行比对,以干涉条纹强度向量内各元素与参考矩阵中最为接近的一干涉条纹强度向量对应的光程差为该点的绝对光程差,并以此类推确定所述待测件2的被测球面2a的上所有点的绝对光程差,进而得到所述待测件2的被测球面2a的面形误差和曲率半径误差。
对于某一光程差下不同波长照明下的强度,绘制I-1/λ曲线(以为例),图7中以光程差△H1=10nm;△H2=50nm;△H3=100nm;△H4=1000nm;并以照明光源波长分别为λ1=400nm,λ2=530nm,λ3=630nm,λ4=850nm为例,对各个光程差下不同波长照明情形下的光强度如图7所示。
如图3所示,控制单元6用于为球面LED光源3和相机组件41提供准确的时序控制信号,用于匹配球面LED光源3照明和所述相机组件41曝光。控制单元6为相机41和球面LED光源3提供准确的时序控制信号,用于匹配相机41曝光和球面LED光源3照明。时序控制器可基于FPGA或者单片机开发。该时序控制器既可作为主机,同时产生相机41和球面LED光源3的同步时序信号;亦可作为从机,由相机41外触发信号为输入同步控制光源波长切换或由光源波长切换信号来驱动相机曝光。
本发明还提供一种基于样板干涉法的球面面形误差和曲率半径误差在线检测方法,该方法包括:
步骤1,设置包括样板1、待测件2、球面LED光源3、干涉条纹采集单元4、球面面形误差和曲率半径误差检测单元5和控制单元6的基于样板干涉法的球面面形误差和曲率半径误差在线检测装置,具体为:将待测件2和球面LED光源3分别布置在样板1的两侧,待测件2的被测球面2a贴合到样板1的基准球面1a。球面LED光源3为面光源,具有正面3a和背面3b,正面3a为照射面且相对样板1设置。干涉条纹采集单元4包括相机组件41和小孔光阑42,将小孔光阑42置于相机组件41的镜头外的正前方,且贴合到所述球面LED光源3的背面3b。控制单元6用于为球面LED光源3和相机组件41提供准确的时序控制信号,用于匹配球面LED光源3照明和所述相机组件41曝光;
步骤2,选定至少两种波长的照明光源,通过球面LED光源3逐次照射样板1和待测件2;
步骤3,通过干涉条纹采集单元4采集和输出待测件2的被测球面2a与样板1的基准球面1a之间的空气间隙能够产生等厚干涉条纹图像;
步骤4,根据被选定的照明光源的波长及经该波长照明光源照明后产生的所述等厚干涉条纹图像,通过球面面形误差和曲率半径误差检测单元5获得不同波长照明下所述等厚干涉条纹图像上同一点的强度变化,得到该点的绝对光程差,并以此类推确定待测件2的被测球面2a的上所有点的绝对光程差,进而得到待测件2的被测球面2a的面形误差和曲率半径误差。
所述步骤4具体包括:
步骤41,接收照明光源的波长数据及经该波长照明光源照明后产生的所述等厚干涉条纹图像、和预先设定的光程差;
步骤42,根据等厚干涉的干涉条纹强度公式,计算设定光程差下的所述参考矩阵中的干涉条纹强度,等厚干涉的干涉条纹强度公式为:
其中,ΔH为光程差,λ为照明光源的波长,I为干涉条纹强度;
步骤43,将计算得到的对应各照明光源的波长λ的所述所有预先设定的光程差范围内所有光程差下的干涉条纹强度I以矩阵形式存储为参考矩阵;
步骤44,将实际测得的所述等厚干涉条纹图像上各点的[Iλ1,Iλ2,Iλ3……]与参考矩阵中的所有干涉条纹强度向量进行比对,以干涉条纹强度向量内各元素与参考矩阵中最为接近的一干涉条纹强度向量对应的光程差为该点的绝对光程差,并以此类推确定待测件2的被测球面2a的上所有点的绝对光程差,进而得到待测件2的被测球面2a的面形误差和曲率半径误差。
最后需要指出的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制。本领域的普通技术人员应当理解:可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种球面面形误差和曲率半径误差在线检测装置,其特征在于,包括:样板(1)、待测件(2)、球面LED光源(3)、干涉条纹采集单元(4)、球面面形误差和曲率半径误差检测单元(5)和控制单元(6);其中,
所述待测件(2)和所述球面LED光源(3)分别布置在所述样板(1)的两侧;所述待测件(2)的被测球面(2a)贴合到所述样板(1)的基准球面(1a),在照明光源照射作用下所述待测件(2)的被测球面(2a)与所述样板(1)的基准球面(1a)之间的空气间隙能够产生等厚干涉条纹图像;
所述球面LED光源(3)具有正面(3a)和背面(3b),所述正面(3a)为照射面且相对所述样板(1)设置;所述球面LED光源(3)用于提供多种波长的均匀照明光,并以其中至少两种被选定的波长的照明光源逐次照射所述样板(1)和待测件(2);
所述干涉条纹采集单元(4)包括相机(41)和小孔光阑(42),所述小孔光阑(42)置于所述相机(41)的镜头外的正前方,且贴合到所述球面LED光源(3)的背面(3b);所述干涉条纹采集单元(4)用于采集和输出所述等厚干涉条纹图像;
所述球面面形误差和曲率半径误差检测单元(5)用于根据被选定的照明光源的波长及经该波长照明光源照明后产生的所述等厚干涉条纹图像,获得不同波长照明下所述等厚干涉条纹图像上同一点的强度变化,得到该点的绝对光程差,并以此类推确定所述待测件(2)的被测球面(2a)的上所有点的绝对光程差,进而得到所述待测件(2)的被测球面(2a)的面形误差和曲率半径误差;
所述球面面形误差和曲率半径误差检测单元(5)具体包括输入模块(51)、存储模块(52)、比对分析模块(53)和计算模块(54),其中,所述输入模块(51)用于接收选定的照明光源的波长数据及经该波长照明光源照明后产生的所述等厚干涉条纹图像、和预先设定的光程差范围;所述计算模块(54)用于接收所述输入模块(51)的照明光源的波长和预先设定光程差,并根据其内预先设置的等厚干涉的干涉条纹强度公式,计算设定光程差下的所述参考矩阵中的干涉条纹强度,等厚干涉的干涉条纹强度公式为:
<mrow> <mi>I</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>H</mi> </mrow> <mi>&amp;lambda;</mi> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mi>&amp;pi;</mi> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow>
其中,ΔH为光程差,λ为照明光源的波长,I为干涉条纹强度;
所述存储模块(52)用于将对应各照明光源的波长λ的所述所有预先设定的光程差范围内所有光程差下的干涉条纹强度I以矩阵形式存储为参考矩阵;所述比对分析模块(53)用于将实际测得的所述等厚干涉条纹图像上各点的[Iλ1,Iλ2,Iλ3……]与参考矩阵中的所有干涉条纹强度向量进行比对,以干涉条纹强度向量内各元素与参考矩阵中最为接近的一干涉条纹强度向量对应的光程差为该点的绝对光程差,并以此类推确定所述待测件(2)的被测球面(2a)的上所有点的绝对光程差,进而得到所述待测件(2)的被测球面(2a)的面形误差和曲率半径误差;
所述控制单元(6)用于为所述球面LED光源(3)和相机(41)提供准确的时序控制信号,用于匹配所述球面LED光源(3)照明和所述相机(41)曝光。
2.如权利要求1所述的球面面形误差和曲率半径误差在线检测装置,其特征在于,所述球面LED光源(3)为多波长球面导光LED光源,其包括积分腔体(31)和半球形导光板(33),其中,
所述积分腔体(31)具有照明光输出口(31a),与所述照明光输出口(31a)相对的内表面设用于提供多种波长的均匀照明光的LED阵列(32),所述LED阵列(32)包括LED子列,同一所述LED子列中的每一个LED的波长相同,每一所述LED子列的电流分别由对应的触发开关(34)控制,所述触发开关(34)受控于所述控制单元(6);
所述半球形导光板(33)具有多个照明光输入口(33a),各所述照明光输入口(33a)围绕所述半球形导光板(33)的外缘一周均匀隔开布置,每一所述照明光输入口(33a)连接一所述积分腔体(31)的照明光输出口(31a);
所述LED阵列(32)发出的光线经所述积分腔体(31)反射和/或漫反射后经由所述照明光输出口(31a)进入到所述半球形导光板(33),再通过所述半球形导光板(33)均匀出射。
3.如权利要求4所述的球面面形误差和曲率半径误差在线检测装置,其特征在于,所述LED阵列(32)的光谱中心波长范围为350nm~1000nm,所述被选定的波长的照明光源为至少一个所述LED子列的波长或波长组合,与此相对应地,所述待测件(2)的口径不大于4英寸,所述球面LED光源(3)的尺寸范围为为50mm×50mm~10000mm×1000mm。
4.一种球面面形误差和曲率半径误差在线检测方法,其特征在于,包括:
步骤1,设置包括样板(1)、待测件(2)、球面LED光源(3)、干涉条纹采集单元(4)、球面面形误差和曲率半径误差检测单元(5)和控制单元(6)的基于样板干涉法的球面面形误差和曲率半径误差在线检测装置,具体为:将所述待测件(2)和所述球面LED光源(3)分别布置在所述样板(1)的两侧,所述待测件(2)的被测球面(2a)贴合到所述样板(1)的基准球面(1a);所述球面LED光源(3)为球面光源,具有正面(3a)和背面(3b),所述正面(3a)为照射面且相对所述样板(1)设置;所述干涉条纹采集单元(4)包括相机(41)和小孔光阑(42),将所述小孔光阑(42)置于所述相机(41)的镜头外的正前方,且贴合到所述球面LED光源(3)的背面(3b);所述控制单元(6)用于为所述球面LED光源(3)和相机(41)提供准确的时序控制信号,用于匹配所述球面LED光源(3)照明和所述相机(41)曝光;
步骤2,选定至少两种波长的照明光源,通过所述球面LED光源(3)逐次照射所述样板(1)和待测件(2);
步骤3,通过所述干涉条纹采集单元(4)采集和输出所述待测件(2)的被测球面(2a)与所述样板(1)的基准球面(1a)之间的空气间隙能够产生等厚干涉条纹图像;
步骤4,根据被选定的照明光源的波长及经该波长照明光源照明后产生的所述等厚干涉条纹图像,通过所述球面面形误差和曲率半径误差检测单元(5)获得不同波长照明下所述等厚干涉条纹图像上同一点的强度变化,得到该点的绝对光程差,并以此类推确定所述待测件(2)的被测球面(2a)的上所有点的绝对光程差,进而得到所述待测件(2)的被测球面(2a)的面形误差和曲率半径误差。
5.如权利要求4所述的球面面形误差和曲率半径误差在线检测方法,其特征在于,所述步骤4具体包括:
步骤41,接收照明光源的波长数据及经该波长照明光源照明后产生的所述等厚干涉条纹图像、和预先设定的光程差范围;
步骤42,根据等厚干涉的干涉条纹强度公式,计算设定光程差下的所述参考矩阵中的干涉条纹强度,等厚干涉的干涉条纹强度公式为:
<mrow> <mi>I</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>H</mi> </mrow> <mi>&amp;lambda;</mi> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mi>&amp;pi;</mi> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow>
其中,ΔH为光程差,λ为照明光源的波长,I为干涉条纹强度;
步骤43,将对应各照明光源的波长λ的所述所有预先设定的光程差范围内所有光程差下的干涉条纹强度I以矩阵形式存储为参考矩阵;
步骤44,将实际测得的所述等厚干涉条纹图像上各点的[Iλ1,Iλ2,Iλ3……]与参考矩阵中的所有干涉条纹强度向量进行比对,以干涉条纹强度向量内各元素与参考矩阵中最为接近的一干涉条纹强度向量对应的光程差为该点绝对光程差,并以此类推确定所述待测件(2)的被测球面(2a)的上所有点的绝对光程差,进而得到所述待测件(2)的被测球面(2a)的面形误差和曲率半径误差。
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