CN108613634B - 一种斜率拼接检测平面元件面形的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种斜率拼接检测平面元件的方法。使用该方法检测平面元件时，其基本器件包括针孔相机、显示器和被测元件。在一个针孔相机的测量区域无法覆盖整个被测元件的情况下。为避免测量过程中移动测量装置或被测元件，节省测量时间，并实现高精度测量。可以使用多个针孔相机同时测量被测元件的不同区域，相邻区域之间有一定的重叠面积，得到各针孔相机测量的斜率数据后，可使用本发明提出的斜率拼接方法，完全矫正各重叠区域内不同相机由于标定和调整不同而出现的斜率误差，最终得到被测元件的完整斜率。本发明的优势是：测量精度高，能够一次完成测量，测量速度快且节省工作距离。

Description

一种斜率拼接检测平面元件面形的方法与装置
技术领域：
本发明涉及一种斜率拼接检测平面元件面形的方法与装置，特别是基于相位测量偏折术的多相机同时检测大口径平面光学元件的方案。
背景技术：
在光学检测方面，对平面光学元件，特别是大口径的平面光学元件进行高精度的检测一直是一个难点。传统的检测手段是使用干涉仪检测，但干涉仪检测需要一个尺寸至少与被测元件大小相当的参考镜作参考，且参考镜的面形质量必须优于被测镜，这样的参考镜制造困难。另一类检测大口径平面元件的思路是使用小口径的干涉仪分几次测量来实现对大口径光学元件的检测，因为小口径干涉仪的制作和使用相对成熟。但子孔径拼接检测在检测时需要移动测量装置或被测元件，无法一次完成全场测量。除此以外，使用干涉仪时必须在专门的环境中进行，因为干涉仪在工作时易受气流、温度和振动的影响，不适于用于在线检测。
除使用干涉仪，Hartmann Shack检测也是一种常用的检测平面元件方法，但该方法在检测大口径元件时也需要移动测量装置或是被测元件才能完成对整个元件的检测，检测过程复杂且极限分辨率受限。
相位测量偏折术(PMD)，也可以称作SCOTS，是一种利用光线偏折的非接触高精度面形检测技术。它的装置简单，价格便宜，测量速度快，并克服了Hartmann Shack检测极限分辨率受限的问题，可具有高分辨率。但若用它检测大口径的平面元件，则需要很长的工作距离，且检测精度也无法满足要求。在拼接检测方面，由于该方法的检测原理与传统的移动测量装置的方法不同，所以传统的拼接模型并不完全适合该方案。在传统的拼接模型下，一般认为在移动测量装置或被测元件时，可能会将平移、倾斜和离焦的面形误差引入到测量结果中。但在基于相位测量偏折术的多相机斜率拼接模型下，斜率拼接时存在的误差不仅仅是平移、倾斜和离焦。如果只将传统的拼接模型应用到多相机的PMD系统中，则在拼接时并不能完全的矫正不同相机间由于标定和调整而出现的斜率误差。
发明内容：
鉴于上述问题，本发明提出了一种斜率拼接检测平面元件的方法与装置，该方法尤其适用在多相机的相位测量偏折术上，在在线检测、测量大口径平面元件方面具有优势。它的装置简单，主要由显示器、针孔相机和被测元件组成。该方法不同于传统的需要移动测量设备或被测元件的子孔径拼接技术，而是采用多相机同时测量元件的不同区域，再将各个相机测量得到的斜率拼接在一起，以实现对元件的完整测量，测量速度快，分辨率高，工作距离短。且针对不同相机间斜率的拼接问题，该方法可以完全矫正不同相机间由于标定和调整等问题而出现的误差，且当测量的平面元件越大时，效果越明显。将不同相机间的斜率误差扣除后，就可以拼接得到被测元件的完整斜率，进而可以恢复出该元件的面形，实现平面元件的检测。具体的步骤如下：
第一步，检测系统中的所有相机各自检测元件上的部分区域，相邻区域间有一定的重叠部分面积，所有相机的检测区域能够覆盖整个被测元件。这样可以得到每个相机各自测量部分的斜率，如S1x、S1y、S2x、S2yL Snx、Sny。其中S表示测量得到的斜率，下标1,2,3…n表示相机的编号，一共有n(n≥2)个相机，x和y表示x和y方向的斜率，如S1x表示1号相机测量得到的x方向的斜率。
第二步，将相邻相机重叠区域内的斜率数据关系表示出来。
S1x-S2x＝Tx+Axx+Bxy+Cxx2+Dxy2+Exxy
S1y-S2y＝Ty+Ayx+Byy+Cyx2+Dyy2+Eyxy
其中S1x、S1y表示1号相机测量得到的斜率，这里将1号相机作为参考相机；S2x、S2y表示2号相机测量得到的斜率，作为待矫正的相机斜率。T、A、B、C、D、E为对应项的拼接系数。
第三步，利用相邻相机间重叠区域内的采样点斜率计算出拼接系数。
其中，n为相邻相机间重叠区域内的采样点数目。利用上面的公式可以解出x和y方向的拼接系数T、A、B、C、D、E。
第四步，利用计算出的拼接系数矫正2号相机测量得到的所有斜率数据。
其中，未加上标'的S2x和S2y表示2号相机直接测量得到的斜率，而S′2x和S′2y表示2号相机经过矫正后的斜率。公式中的M表2号示相机所测量区域内所有数据点的总数，n表示重叠区域内所有数据点的总数。
第五步，对所有需要拼接的相邻区域重复第二到第四步。最后将矫正后的所有斜率拼接在一起，即可得到被测元件的完整斜率。
附图说明：
图1是基于相位测量偏折术的多相机斜率拼接原理示意图。
图2是串行斜率拼接示意图。
图3是并行斜率拼接示意图。
图4是全局斜率拼接示意图。
具体实施方式：
为使本发明的目的和方案更加清楚，下面结合附图对本发明实施方式作进一步地说明。有必要在此指出的是，以下实施例只用于本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
请参考图1，本发明的实施例提供了一种斜率拼接检测平面元件面形的方法与装置。其基本的器件包括了1号针孔相机1，2号针孔相机2，显示器3，被测元件4。需要说明的是，针孔相机的数目是根据被测元件的大小和工作距离确定的，为了简便起见，这里只用两个针孔相机来说明这种斜率拼接检测平面元件面形的方法。检测时，由显示器3显示正弦条纹图，1号针孔相机1和2号针孔相机2分别采集得到变形的正弦条纹图信息，然后通过相关的相移算法和PMD的斜率计算公式计算得到1号针孔相机1和2号针孔相机2测量的对应子孔径内的斜率数据S1x、S1y和S2x、S2y，然后利用这两个相邻子孔径重叠部分区域内的斜率数据，根据公式(3)和公式(4)解得这两个子孔径的拼接系数T、A、B、C、D、E。得到拼接系数后，再利用公式(5)和公式(6)矫正2号针孔相机2测量得到的所有斜率数据S2x和S2y，进而得到矫正后的斜率数据S2′x和S2′y。最后可将斜率数据S1x、S1y和S2′x、S2′y对应拼接在一起，即可得到被测元件的完整斜率，然后可用区域法或模式法恢复出平面元件的面形。若测量系统中需要的针孔相机数目较多，可根据图2、图3、图4三种不同的拼接方式得到被测元件的完整斜率。具体的步骤如下：
第一步，图1中的1号针孔相机1和2号针孔相机2分别检测被元件上的两个区域S1和S2，，S1和S2间有一定的重叠部分面积，这样可以得到它们各自测量部分的斜率，S1x、S1y和S2x、S2y。其中S表示测量得到的斜率，下标1,2表示相机的编号，x和y表示x和y方向的斜率，如S1x表示1号针孔相机1测量得到的x方向的斜率。
第二步，将1号针孔相机1和2号针孔相机2重叠区域内的斜率数据关系表示出来。
S1x-S2x＝Tx+Axx+Bxy+Cxx2+Dxy2+Exxy (1)
S1y-S2y＝Ty+Ayx+Byy+Cyx2+Dyy2+Eyxy (2)
其中S1x、S1y表示1号针孔相机1测量得到的S1内的斜率，这里将2号针孔相机2作为参考相机；S2x、S2y表示2号针孔相机2测量得到的S2内的斜率，作为待矫正的相机斜率。T、A、B、C、D、E为对应项的拼接系数。
第三步，利用S1和S2间重叠区域内的采样点斜率计算出拼接系数。
其中，n为相邻相机间重叠区域内的采样点数目。利用上面的公式可以解出x和y方向的拼接系数T、A、B、C、D、E。
第四步，利用计算出的拼接系数矫正2号针孔相机2测量得到的所有斜率数据。
其中，未加上标'的S2x和S2y表示2号针孔相机2直接测量得到的斜率，而S2′x和S2′y表示2号针孔相机2经过矫正后的斜率。公式中的M表示S2内所有数据点的总数，n表示重叠区域内所有数据点的总数。
第五步，将矫正后的斜率拼接在一起，即可得到被测元件的完整斜率。若该检测系统中的针孔相机数目不止2个，则对应的被测元件就将被划分分多个子孔径，如图2、图3、图4。此时，只需要重复以上的第2步至第4步，将相邻子孔径依次拼接好就可以了，图2和图3中的编号表示拼接的顺序，分别称为串行拼接和并行拼接。图4是全局拼接，是一次将所有相邻区域内的斜率拼接起来。得到完整的元件斜率后，可使用区域法或模式法重建得到被测元件的面形。

Claims (2)

1.一种斜率拼接检测平面元件面形的方法，其特征在于，其基本器件包括针孔相机、显示器和被测元件；检测时，多个针孔相机同时检测被测元件的不同区域，在测量装置和被测元件无需移动的情况下就可一次完成检测，使用的斜率拼接算法能够矫正不同针孔相机间由于标定和调整问题而出现的测量相对误差，进而得到高精度的元件完整斜率，检测过程包括以下步骤：
第一步，检测系统中的所有针孔相机各自检测元件上的部分区域，相邻区域间有一定的重叠面积，所有针孔相机的检测区域能够覆盖整个被测元件，这样可以得到每个针孔相机各自测量部分的斜率，即S1x、S1y、S2x、S2y...Snx、Sny，其中S表示测量得到的斜率，下标1,2,3…n表示针孔相机的编号，一共有n个针孔相机，其中n≥2，x和y表示x和y方向的斜率；
第二步，相邻针孔相机重叠区域内的斜率数据关系为：
S1x-S2x＝Tx+Axx+Bxy+Cxx2+Dxy2+Exxy
S1y-S2y＝Ty+Ayx+Byy+Cyx2+Dyy2+Eyxy
其中S1x、S1y分别表示1号针孔相机测量得到的x和y方向的斜率，将1号针孔相机作为参考针孔相机；S2x、S2y分别表示2号针孔相机测量得到的x和y方向的斜率，作为待矫正的针孔相机斜率，T、A、B、C、D、E为对应项的拼接系数；
第三步，利用相邻针孔相机间重叠区域内的采样点斜率计算拼接系数：
其中，n为相邻针孔相机间重叠区域内的采样点数目，利用上述公式解出x和y方向的拼接系数T、A、B、C、D、E；
第四步，利用计算出的拼接系数矫正2号针孔相机测量得到的所有斜率数据：
其中，S2x和S2y分别表示2号针孔相机直接测量得到的x和y方向的斜率，S2′x和S2′y分别表示2号针孔相机经过矫正后的x和y方向的斜率，M表示2号针孔相机所测量区域内所有数据点的总数，n表示重叠区域内所有数据点的总数；
第五步，对所有需要拼接的相邻区域重复第二到第四步，最后将矫正后的所有斜率拼接在一起，即可得到被测元件拼接后的完整斜率，然后使用区域法或模式法重建就可以得到被测元件的面形。
2.根据权利要求1所述的一种斜率拼接检测平面元件面形的方法，其特征在于：重叠区域内相邻相机间的斜率差异应用常数项、x、y、x2、y2、xy共同来表示。
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