CN110631509B - 基于光栅泰伯像的物体表面曲率检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光栅泰伯像的物体表面曲率检测系统及方法，该方法使用准直光垂直入射一朗奇光栅，透射的光线经过分束镜之后在被测物体表面呈现光栅清晰的泰伯像，反射光能在特定位置呈现含有被测物体表面曲率信息的光栅泰伯像，使用ccd采集该泰伯像，根据采集到的泰伯像计算被测物体表面曲率。本发明具有装置简单、成本低廉、抗干扰能力强、应用范围广等优点。

Description

基于光栅泰伯像的物体表面曲率检测系统及方法

技术领域

本发明属于光学精密测试领域，具体为及一种基于光栅泰伯像的物体表面曲率检测系统及方法。

背景技术

球面反射镜在现代光学系统中的应用日益广泛，而反射镜曲率半径是决定其光学特性的重要参数之一，通过测量光学元件的曲率半径，可判定被测光学元件的加工质量，以便进一步修正，从而达到更高精度。因此曲率半径的精确测量技术具有重要的研究意义和使用价值。

镜面曲率半径测量方法可以归纳为接触式和非接触式两大类。接触式测量主要有球面样板法、牛顿环法、球径仪法、三坐标测量法、激光跟踪仪法。非接触式测量主要有刀口阴影法、自准直显微镜法、激光干涉测量法、激光差动共焦法等方法。接触式检测技术较为成熟，具有较好的灵活性，动态范围大，适用于不同类型的镜面，且有较高的精度。但是，接触式检测技术需要逐点检测，测量速度慢；受测量探头直径的影响，采样密度有限，难以获得被测面型的高频误差，且容易划伤被测镜表面；设备的造价昂贵，维护成本较高。非接触式测量虽对被测物体表面无损伤，但一般对测量环境要求较高，稍有震动就会产生较大误差；而且高精度测量设备操作复杂，造价高昂。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种基于光栅泰伯像的物体表面曲率检测系统。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于光栅泰伯像的物体表面曲率检测系统，包括激光器、准直扩束镜、光栅、分束镜、ccd以及曲率解算模块，所述激光器通过光纤与准直扩束镜连接，所述光栅正对准直扩束镜设置，所述分束镜被设置为经光栅透射的光经过分束镜反射在被测物体表面呈光栅清晰的泰伯像，所述ccd被设置为被测物体表面反射的光束经分束镜在ccd上呈现带有表面曲率信息的泰伯像，所述曲率解算模块用于根据采集到的泰伯像、朗奇光栅的周期、被测物表面至ccd的光程确定被测物体表面曲率。

优选地，所述光栅为朗奇光栅。

优选地，光栅到被测物体表面光程z₁设定为整数倍泰伯距，即

并在测量前微调被测物体，使其表面能呈现出光栅清晰的像，式中λ为工作波长，p为光栅周期，n为正整数。

优选地，被测物体表面到ccd的光程z₂为整数倍广义泰伯距，即

测量时微调ccd位置，使得ccd能够采集到清晰的光栅的像，式中R为待测物体表面曲率半径，m为正整数。

优选地，所述曲率解算模块根据采集到的泰伯像、朗奇光栅的周期、被测物表面至ccd的光程确定被测物体表面曲率的公式为：

其中，p′为ccd处光栅泰伯像的周期，z₁为光栅至待测物体表面光程；z₂为待测物体表面至ccd光程，C为曲率。

优选地，光栅泰伯像的周期具体为：

p′＝1/v

式中，v为泰伯像的峰值频率。

本发明还提出了一种基于光栅泰伯像的物体表面曲率检测方法，具体步骤为：

具体步骤为：

步骤1、将激光器发出的激光由光纤导出，并经过准直扩束镜后得到平行光，垂直入射到光栅上，使得透射光经过分束镜在被测物体表面处呈光栅清晰的泰伯像；

步骤2、调整ccd的位置，使得被物体表面反射的光束在ccd上呈现清晰的泰伯像；

步骤3、根据ccd采集到的泰伯像，使用频域亚像素迭代法求取泰伯像的峰值频率v，确定ccd处光栅泰伯像的周期p′＝1/v；

步骤4、根据泰伯像的周期和已知的朗奇光栅的周期以及被测物表面至ccd的光程求得被测物体表面曲率。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明共光路设计，抗环境干扰能力强；2)本发明使用单个光栅，装置简单，避免了复杂光路所引起的误差叠加且成本低廉；3)本发明可通过调整ccd至被测物体表面的光程来匹配不同曲率半径，适用范围广。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1是基于光栅泰伯像的物体表面曲率检测系统示意图。

具体实施方式

一种基于光栅泰伯像的物体表面曲率检测系统，包括激光器1、准直扩束镜2、光栅3、分束镜4、ccd6以及曲率解算模块，所述激光器1通过光纤与准直扩束镜2连接，所述光栅3正对准直扩束镜2设置，所述分束镜4被设置为经光栅3透射的光经过分束镜4反射在被测物体5表面呈光栅清晰的泰伯像，所述ccd6被设置为被测物体5表面反射的光束经分束镜4在ccd6上呈现带有表面曲率信息的泰伯像，所述曲率解算模块用于根据采集到的泰伯像、朗奇光栅的周期、被测物表面至ccd的光程确定被测物体表面曲率。

激光器1发出的激光经过准直扩束镜2产生一束平行光，垂直入射到光栅3上，再经过分束器4在被测物体5表面处形成光栅的泰伯像，该泰伯像被物体表面反射，并在ccd6上呈现被放大的光栅像，根据ccd6采集到的泰伯像使用频域亚像素迭代法求取泰伯像的峰值频率ν，然后求得ccd处光栅泰伯像的周期，由求得的泰伯像的周期和已知的朗奇光栅的周期、被测物表面至ccd的光程求得被测物体表面曲率。

进一步的实施例中，所述光栅3为朗奇光栅。

进一步的实施例中，光栅到被测物体表面光程z₁设定为整数倍泰伯距，即

并在测量前微调被测物体，使其表面能呈现出光栅清晰的像，式中λ为工作波长，p为光栅周期，n为正整数。

进一步的实施例中，被测物体表面到ccd6的光程z₂为整数倍广义泰伯距，即

测量时微调ccd6位置，使得ccd6能够采集到清晰的光栅的像，式中R为待测物体表面曲率半径，m为正整数。

进一步的实施例中，所述曲率解算模块根据采集到的泰伯像、朗奇光栅的周期、被测物表面至ccd的光程确定被测物体表面曲率的公式为：

其中，p′为ccd处光栅泰伯像的周期，z₁为光栅至待测物体表面光程；z₂为待测物体表面至ccd光程，C为曲率。

进一步的实施例中，光栅泰伯像的周期具体为：

p′＝1/v

式中，v为泰伯像的峰值频率。

一种基于光栅泰伯像的物体表面曲率检测方法，具体步骤为：

步骤1、将激光器1发出的激光由光纤导出，并经过准直扩束镜2后得到平行光，垂直入射到光栅3上，使得透射光经过分束镜4在被测物体表面5处呈光栅清晰的泰伯像；

步骤2、调整ccd6的位置，使得被物体表面反射的光束在ccd6上呈现清晰的泰伯像；

步骤3、根据ccd6采集到的泰伯像，使用频域亚像素迭代法求取泰伯像的峰值频率ν，确定ccd处光栅泰伯像的周期p′＝1/v；

步骤4、根据泰伯像的周期和已知的朗奇光栅的周期以及被测物表面至ccd的光程求得被测物体表面曲率，具体公式为：

式中，p′光栅泰伯像的周期，其中p为朗奇光栅周期；z₂为待测物体表面至ccd光程；R为待测物体表面曲率半径。

Claims (4)

1.一种基于光栅泰伯像的物体表面曲率检测系统，其特征在于，包括激光器(1)、准直扩束镜(2)、光栅(3)、分束镜(4)、ccd(6)以及曲率解算模块，所述激光器(1)通过光纤与准直扩束镜(2)连接，所述光栅(3)正对准直扩束镜(2)设置，所述分束镜(4)被设置为经光栅(3)透射的光经过分束镜(4)反射在被测物体(5)表面呈光栅清晰的泰伯像，所述ccd(6)被设置为被测物体(5)表面反射的光束经分束镜(4)在ccd(6)上呈现带有表面曲率信息的泰伯像，所述曲率解算模块用于根据采集到的泰伯像、朗奇光栅的周期、被测物表面至ccd的光程确定被测物体表面曲率；光栅到被测物体表面光程z₁设定为整数倍泰伯距，即

并在测量前微调被测物体，使其表面能呈现出光栅清晰的像，式中λ为工作波长，p为光栅周期，n为正整数；

所述曲率解算模块根据采集到的泰伯像、朗奇光栅的周期、被测物表面至ccd的光程确定被测物体表面曲率的公式为：

其中，p′为ccd处光栅泰伯像的周期，p为光栅周期；z₂为待测物体表面至ccd光程，C为曲率；

被测物体表面到ccd(6)的光程z₂为整数倍广义泰伯距，即

测量时微调ccd(6)位置，使得ccd(6)能够采集到清晰的光栅的像，式中R为待测物体表面曲率半径，m为正整数；

光栅泰伯像的周期具体为：

p′＝1/v

式中，v为泰伯像的峰值频率。

2.根据权利要求1所述的基于光栅泰伯像的物体表面曲率检测系统，其特征在于，所述光栅(3)为朗奇光栅。

3.一种基于光栅泰伯像的物体表面曲率检测方法，其采用权利要求1或2所述的系统，其特征在于，具体步骤为：

步骤1、将激光器(1)发出的激光由光纤导出，并经过准直扩束镜(2)后得到平行光，垂直入射到光栅(3)上，使得透射光经过分束镜(4)在被测物体表面(5)处呈光栅清晰的泰伯像；

步骤2、调整ccd(6)的位置，使得被物体表面反射的光束在ccd(6)上呈现清晰的泰伯像；

步骤3、根据ccd(6)采集到的泰伯像，使用频域亚像素迭代法求取泰伯像的峰值频率v，确定ccd处光栅泰伯像的周期p′＝1/v；

步骤4、根据泰伯像的周期和已知的朗奇光栅的周期以及被测物表面至ccd的光程求得被测物体表面曲率。

4.根据权利要求3所述的基于光栅泰伯像的物体表面曲率检测方法，其特征在于，根据泰伯像的周期和已知的朗奇光栅的周期以及被测物表面至ccd的光程求得被测物体表面曲率的具体公式为：

式中，p′光栅泰伯像的周期，其中p为朗奇光栅周期；z₂为待测物体表面至ccd光程；R为待测物体表面曲率半径。

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