CN110726381B - 一种光学自由曲面全频段像差检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种光学自由曲面全频段像差检测系统及检测方法，涉及光学自由曲面检测领域，解决现有光学自由曲面检测中动态范围与检测精度不可兼得的矛盾和光学自由曲面的检测难点。包括中高频段像差检测系统和低频像差检测系统；所述中高频段像差检测系统包括待测镜、发光屏和CCD相机；CCD相机包括焦平面、相机透镜和针孔；低频像差检测系统包括成像透镜、分光棱镜、可调节光阑、光纤激光器、会聚透镜、成像相机和电动平移台；本发明采用了基于计算机辅助反向哈特曼测量方法和相位恢复方法，具有测量精度高，测量斜率的动态范围大，而且空间分辨率高，可以测量干涉仪和哈特曼检测无法测量的大数值斜率问题。

Description

一种光学自由曲面全频段像差检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及光学自由曲面检测领域，具体涉及一种高精度、大测量范围、结构简单、低成本、光学自由曲面全频段像差检测系统与方法。

背景技术

对比于传统的球面和非球面，光学自由曲面对像差校正和控制光线方向有着更大的自由度，并且能够简化光学系统，使其结构更加紧凑的同时，具有更高的光学性能。由于光学自由曲面是一类非轴对称、不规则、随意构造的曲面，其形状比较复杂，精度要求很高，其没有一个明确的基准面，因此能否实现光学自由曲面的基准面和测量面之间的最佳匹配问题是光学自由曲面检测的关键，光学自由曲面面形精密检测仍是当今科学研究领域的主要障碍，一些关键科学问题和技术瓶颈仍没有得到很好的解决，迄今为止仍没有统一成形的检测技术。

目前，光学自由曲面的检测有接触式和非接触式的测量方法。对于高精度的光学表面，采用接触式测量容易划伤表面。非接触式测量法分为干涉法和扫描法，但是一般扫描法的精度都不高，测量范围不大，而且扫描速度慢，实现不了高精度的、快速的、任意的光学自由曲面检测。常用的干涉法有子孔径拼接技术和计算全息(CGH)技术。子孔径拼接技术的子孔径轴向平移和倾斜会极大地降低测量的精确度，子孔径拼接测量面临着拼接测量过程中的误差累积问题。用CGH作为零位补偿器来检测光学自由曲面，当被检面的斜率过大时，作为零位补偿器的CGH的刻线会很密，加工的误差增大，精度下降。而且对自由曲面来说，每测试一个曲面，就需要一个CGH或者零透镜，大大增加了检测的造价。香港理工大学先进光学制造中心李荣彬教授率领的研究小组在自由曲面光学设计和加工方面取得了一定的研究成果，但在光学自由曲面检测方面还没有完善的方法，由于曲面的匹配和拟合，加工面形与设计面形都有问题。清华大学精密仪器系谭峭峰教授的研究小组利用PR技术和CGH技术检测自由曲面光学面形精度，并与干涉方法比较，虽然得到的结果表明了PR技术和CGH技术的可行性，但是检测得到的光学自由曲面面形精度并不高。和本发明专利“高精度，大测量范围、结构简单、低成本、光学自由曲面全频段像差检测”相关的报道还没有检索到。

发明内容

本发明的目的是提供一种光学自由曲面全频段像差检测系统及检测方法，以解决光学自由曲面检测中动态范围与检测精度不可兼得的矛盾和光学自由曲面的检测难点。

一种光学自由曲面全频段像差检测系统，包括中高频段像差检测系统和低频像差检测系统；所述中高频段像差检测系统包括待测镜、发光屏和CCD相机；

所述CCD相机包括焦平面、相机透镜和针孔；

所述低频像差检测系统包括成像透镜、分光棱镜、可调节光阑、光纤激光器、会聚透镜、成像相机和电动平移台；

所述发光屏上显示的是相移条纹图，经待测镜反射后经CCD相机的针孔、相机透镜后由焦平面接收，所述CCD相机将获得的图像由计算机处理，获得待测镜中高频面形信息；

所述光纤激光器发出的光经过可调节光阑入射到分光棱镜，经所述分光棱镜透射的光束经成像透镜后汇聚到待测镜后反射，反射的光束再次经分光棱镜反射，反射光束经会聚透镜会聚在CCD相机上，用于实现基于PR的波前信息测量；

所述CCD相机置于电动平移台上，使CCD相机沿光轴方向移动并进行前后位置的调整，获得不同离焦量的图像，并由计算机处理，获得待测镜低频面形信息。

一种光学自由曲面全频段像差检测方法，该方法由以下步骤实现：

步骤1、对中高频段像差检测系统和低频像差检测系统进行搭建和装调；

步骤2、采用装调后的中高频段像差检测系统和低频像差检测系统分别对待测镜进行图像信息的采集；

步骤3、采用计算机分别对采集的图像信息进行中高频段和低频段像差进行处理，获得待测镜的面形信息。

本发明的有益效果：

本发明所述的检测系统和检测方法采用了一种基于计算机辅助反向哈特曼测量方法和相位恢复(Phase Retrieval，PR)方法，根据PR对于低阶像差的测量具有较高的精度，而对于高阶像差测量精度较低。计算机辅助反向哈特曼测量方法对于高阶像差的测量具有较高的精度，而对于低阶测量精度较低。本发明解决现有技术存在的检测问题，不但增大了检测动态范围，又保证了高阶像差的检测精度，而且能进行全阶像差检测。

本发明所述的检测系统结构简单，造价便宜，解决了光学自由曲面的波前像差测量问题，测量精度高，测量斜率的动态范围大，而且空间分辨率高，可以测量干涉仪和哈特曼检测无法测量的大数值斜率问题。

附图说明

图1为计算机辅助反向哈特曼测量方法原理图；

图2为计算机辅助反向哈特曼测量方法结构图；

图3为计算机辅助反向哈特曼检测标校过程图；

图4为中高频段像差检测系统A1的检测流程图；

图5为PR光路原理示意图；

图6为相位恢复波前传感器测量的实验图；

图7为PR方法与计算机辅助反向哈特曼测量方法结合的检测实验装置图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图7说明本实施方式，一种光学自由曲面全频段像差检测系统，包括中高频段像差检测系统A1和低频像差检测系统A2；

所述中高频段像差检测系统A1包括待测镜Q1、发光屏Q2和CCD相机Q3；低频像差检测系统A2包括成像透镜Q7，分束棱镜Q8，可调节光阑Q9，光纤激光器，成像透镜Q11是成像透镜，相机Q12和电动平移台Q13；所述发光屏Q2出射的光线经待测镜Q1反射镜由CCD相机Q3接收，所述CCD相机Q3将获得的图像由计算机Q14处理，得到待测镜Q1的面形信息。

从光纤激光器Q10发出的光经过孔径可调节光阑Q9打到棱镜Q8上的光被分成两部分，一部分发出的光不需要考虑，另一部分的平行光经透镜Q7后汇聚到待测镜面Q1上后反射，反射的光束带有相位信息(即像差)，再次由分光棱镜Q8分为两路，其中一路原路返回，另一部分经过会聚透镜Q11会聚在成像相机Q12上，用于实现基于PR的波前测量。成像相机Q12被安置在一个可移动平台Q13上，通过使成像相机Q12沿光轴方向移动和前后位置的调整，得到焦点前后接收不同离焦量的图像由计算机Q14处理,得到待测镜面Q1的面形信息。

本实施方式中，成像透镜Q7的口径为25.4mm，分束棱镜Q8的口径为25.4mm，光纤激光器Q10的波长为635nm，NA为0.12，成像透镜Q11的口径为25.4mm。成像相机Q12为大恒图像公司的工业相机，电动平移台Q13为Thorlab公司生产的平移台。

本实施方式中，由于中高频段像差检测系统A1难点在于系统的标定，所以先装调好中高频段像差检测系统A1，然后再根据已调好的被测镜Q1来装调低频像差检测系统A2。根据装调的先后顺序阐述中高频段像差检测系统A1和低频像差检测系统A2的具体实施过程：

中高频段像差检测系统A1以发光屏作为光源，发光屏Q2上显示的是光强编码的相移条纹图通过待测镜Q1后，经过相机针孔Q4投射到相应的CCD相机的焦平面Q6上，从而得到对应光线的位置，根据光学系统的几何关系计算波前斜率，重构出波前面形，以此计算出波像差。其测量原理如图1所示，计算机辅助反向哈特曼测量方法结构图如图2所示。

如图3所示为采用计算辅助优化模块进行标校的过程，由于检测系统中的离轴配置，它对系统几何的校准要求较高。1、搭建中高频段像差检测的实验系统，进行预标校系统几何参数；2、在光迹追踪软件中建立系统模型；3、在逆向Hartmann测量系统中获得波前像差W₁；4、优化系统几何参数；5、在系统模型中进行光线追迹，获得更新的波前像差W₂；6、利用正交多项式拟合W₁和W₂，更新目标函数；7、若目标函数小于阈值ε，输出测量面形误差W_surf，反之，继续优化系统几何参数，重复步骤5至步骤7。

结合图4说明本实施方式，中高频段像差检测系统A1的具体装调过程为：

首先，在发光屏Q2上生成一组水平和竖直方向的正弦相移条纹图；

由于需要确定发光屏Q2上像素位置与它照明的待测镜Q1位置之间的对应关系，所以需要用光强对屏幕像素位置进行编码，选择正弦条纹图进行显示。根据发光屏Q2的屏幕尺寸和分辨率，选择正弦条纹一个周期的像素数，确定一个周期条纹对应的实际尺寸(单位毫米)。利用相移技术，选择相移条纹的相移步数N(采用四步相移)，利用Matlab编程得到由光强调制的相移条纹图。

其次，采用光路挟持与装调系统A3将发光屏Q2、CCD相机Q3和待测镜Q1构成的系统进行准直和标定，得到它们的空间坐标位置；

CCD相机Q3由焦平面Q6、相机透镜Q5和针孔Q4组成，针孔Q4被安装在靠近CCD相机镜头的外部，用来消除光瞳像差对系统的影响(不同视场的光线都会经过透镜的可调节光阑中心，由于光瞳像差的存在，在入瞳位置处各视场主光线将不再会聚于一点，这将影响到斜率的计算)，对发光屏Q2、外置针孔的CCD相机Q3和待测镜Q1进行准直，使CCD相机Q3和待测镜Q1的光轴重合，且与发光屏Q2的屏幕垂直。将CCD相机Q3调焦在待测镜Q1的表面。在对测量系统结构参数初步标定的基础上，利用计算机辅助光线追迹测量方法，对包括待测面在内的系统元件偏移以及倾斜参量进行逆向优化，进而实现对标定误差的有效校正。标定测量得到发光屏Q2、针孔Q4和待测镜Q1之间的距离。

再次，拍下经过待测镜Q1偏折后的发光屏Q2上显示的相移条纹图，移去待测镜Q1后再拍一组水平和竖直相移条纹图作为参考；

发光屏Q2逐次显示一组相移条纹图，CCD相机Q3同步进行拍摄。移去待测镜Q1后再拍一组水平和竖直相移条纹图。拍多组相移条纹图进行平均来消除环境的影响。

最后，将拍到的相移条纹图结合计算机Q14进行相位展开、计算斜率并恢复波前，根据恢复的待测镜面形信息分析波前像差。

通过相移算法计算出发光屏Q2各像素位置对应的相位值。对拍到的相移条纹图进行相位展开，得到待测镜Q1各部分对应的屏幕像素位置并计算斜率。得到的斜率可以与理想待测镜的波前斜率进行对比。最后由斜率数据恢复波前，从而进行像差分析。根据发光屏Q2在世界坐标系下的位姿情况以及发光屏Q2的像素尺寸，将相位值转化为世界坐标值。

在系统标定时，将待测镜Q1与发光屏Q2平面保持平行。发光屏Q2上的某个点光源S(x_s,y_s,z_s)发出的光线被对应的待测镜面M(x_m,y_m,z_m)点反射后，通过CCD相机Q3的外置针孔C(x_c,y_c,z_c)点，最后在CCD相机Q3的靶面Q6上得到其对应的像。也可以认为CCD焦平面Q6上某个像素点“发出”的光线经过针孔Q4，接着被待测镜Q1上的M点反射到发光屏Q2上的S点。待测镜面上的各个M点就是被CCD像素划分所形成的子孔径或“镜像素”。

以待测面的中心位置O为原点，待测面在O点的切平面为xOy面(称为标定平面)，建立世界坐标系。当待测镜的面形形状w(x_m,y_m)远小于标定平面与相机Q3或发光屏Q2之间的距离时，即w(x_m,y_m)＜＜z_m2s及w(x_m,y_m)＜＜z_m2c，根据三角测量原理，待测镜面Q1上M点的斜率可通过下式得到：

式中z_m2s和z_m2c分别是标定平面到发光屏Q2上像素点和相机Q3针孔Q4的z方向距离。由于在计算斜率时需要提供一个较好的初始值，通常可以采用一个理想的表面形状模型或者使用其他检测方法得到的面形来提供一个较好的初始面形估计w₀(x_m,y_m)，将w₀(x_m,y_m)代替公式中的w(x_m,y_m)便可得到(x_m,y_m)处的x、y向斜率数据，再将由斜率计算得到的面形w₁(x_m,y_m)代替公式中的w(x_m,y_m)进而得到另外一组斜率，依此类推，通过反复迭代计算波前斜率，重构出波前面形，以此计算出波像差，从而可以得到被检面形。

结合图5至图7说明本实施方式，根据相干光波在自由空间衍射传播的理论，当一束光沿光轴传播时，会在一定的传播距离上形成衍射光场分布。从光源发出的参考波入射到被测镜面上，反射后输出光场光波面的复振幅分布就包含了被测镜的面形误差信息。PR测量的光路结构如图5所示。从光纤激光器Q10发出的光经过可调节光阑Q9后到棱镜Q8上的光被分成两部分，一部分发出的光不需要考虑，另一部分的平行光经透镜Q7后汇聚到待测镜面Q1上后反射，反射的光束带有相位信息(即像差)，再次由分光棱镜Q8分为两路，其中一路原路返回，另一部分经过会聚透镜Q11会聚在成像相机Q12上，用于实现基于PR的波前信息测量。成像相机Q12被安置在一个可移动平台Q13上，通过移动成像相机Q12沿光轴方向的前后位置，得到焦点前后接收不同离焦量的图像由计算机Q14处理，得到待测镜面Q1的面形信息。所述低频段像差检测系统A2的具体装调过程为：

一、根据已固定的待测镜Q1位置调节整个A2系统，放置好激光器Q10和可调节光阑Q9的位置。激光器Q10位置要求是：激光器Q10打出的光与待测镜面Q1中心共轴。调节好之后将可调节光阑Q9置于激光器Q10前，调节光阑Q9，使得光从可调节光阑Q9出来的是较理想的球面波。再次确认激光器Q10、可调节光阑Q9、待测镜Q1镜面共轴。

二、加入成像透镜Q7，并调整位置，使其与激光器Q10及可调节光阑Q9共轴，并使得从可调节光阑Q9出射的球面波经过成像透镜Q7后变为平行光；

三、在光路中加入分光棱镜Q8，使它们与待测镜Q1及可调节光阑Q9共轴，根据分光镜返回光的平行程度来调整可调节光阑Q9的倾斜角度位置；

四、将会聚透镜Q11和成像相机Q12的位置放好，使得从待测镜面反射的光束经棱镜Q8后的光要进入成像相机Q12内；

五、在系统调整好之后，调整平移台Q13，使成像相机Q12上成的光点像最小，记录该位置，并将其作为离焦量为0的位置；

六、采用成像相机Q12采集图像；

七、在成像透镜Q7和分光棱镜Q8间加平面反射镜，重复步骤一至步骤六，采用PR处理模块进行处理，得到待测镜Q1的面形信息。

具体实施方式二、本实施方式为具体实施方式一所述的一种光学自由曲面全频段像差检测系统的检测方法，该方法由以下步骤实现：

步骤1、对中高频段像差检测系统A1和低频像差检测系统A2进行搭建和装调；

步骤2、采用装调后的中高频段像差检测系统A1和低频像差检测系统A2分别对待测镜Q1进行图像信息的采集；

步骤3、采用计算机Q14分别对采集的图像信息进行中高频段和低频段像差进行处理，获得待测镜Q1的面形信息。

本实施方式中，将中高阶像差测量比较准确的计算机辅助反向哈特曼检测法和低阶像差测量比较准确的相位恢复法相结合来，通过Zernike多项式拟合的方式进行光学自由曲面全频段像差检测，这弥补了现在光学自由曲面检测方法的不足。

Claims (4)

1.一种光学自由曲面全频段像差检测系统，包括中高频段像差检测系统(A1)和低频像差检测系统(A2)；其特征是：所述中高频段像差检测系统(A1)包括待测镜(Q1)、发光屏(Q2)和CCD相机(Q3)；

所述CCD相机(Q3)包括焦平面(Q6)、相机透镜(Q5)和针孔(Q4)；

所述低频像差检测系统(A2)包括成像透镜(Q7)、分光棱镜(Q8)、可调节光阑(Q9)、光纤激光器(Q10)、会聚透镜(Q11)、成像相机(Q12)和电动平移台(Q13)；

所述发光屏(Q2)上显示的是相移条纹图，经待测镜(Q1反射后经CCD相机(Q3)的针孔(Q4)，再经相机透镜(Q5)后由焦平面(Q6)接收，所述CCD相机(Q3)获得的图像由计算机(Q14)处理，获得待测镜(Q1)中高频面形信息；

所述光纤激光器(Q10)发出的光经过可调节光阑(Q9)入射到分光棱镜(Q8)，经所述分光棱镜(Q8)透射的光束经成像透镜(Q7)后汇聚到待测镜(Q1)后反射，反射的光束再次经分光棱镜(Q8)反射，反射光束经会聚透镜(Q11)会聚在成像相机(Q12)上，用于实现基于PR的波前信息测量；

所述成像相机(Q12)置于电动平移台(Q13)上，使成像相机(Q12)沿光轴方向移动并进行前后位置的调整，获得不同离焦量的图像，并由计算机(Q14)处理，获得待测镜(Q1)低频面形信息；

在所述全频段像差检测系统检测之前，需要先进行中高频段像差检测系统(A1)装调，再根据装调后的待测镜(Q1)装调低频像差检测系统(A2)；对中高频段像差检测系统(A1)检测的具体过程为：

步骤a、在所述发光屏(Q2)上生成一组水平和竖直方向的正弦相移条纹图；

步骤b、采用光路挟持与装调系统(A3)将发光屏(Q2)、CCD相机(Q3)和待测镜(Q1)构成的系统进行准直和标定，使CCD相机(Q3)和待测镜(Q1)的光轴重合，且与发光屏(Q2)的屏幕垂直，获得所述发光屏(Q2)、CCD相机(Q3)和待测镜(Q1)的空间位置坐标，将CCD相机(Q3)调焦在待测镜(Q1)的表面，采用计算机辅助优化模块(A4)进行标定误差的有效校正；获得标定测量的发光屏(Q2)、针孔(Q4)和待测镜(Q1)之间的距离；

步骤c、采用CCD相机(Q3)拍下经待测镜(Q1)偏折后的发光屏(Q2)上显示的相移条纹图，移去待测镜(Q1)后再拍一组水平和竖直相移条纹图作为参考；

步骤d、将拍到的相移条纹图采用计算机辅助优化模块(A4)进行相位展开、计算斜率并恢复波前，根据恢复的待测镜面形信息分析波前像差；

步骤b中，采用计算机辅助优化模块(A4)进行标定误差的有效校正的具体过程为：

步骤b1、搭建中高频段像差检测的实验系统，进行预标校系统几何参数；

步骤b2、在光迹追踪软件中建立系统模型；

步骤b3、在逆向Hartmann测量系统中获得波前像差W₁；

步骤b4、优化系统几何参数；

步骤b5、在系统模型中进行光线追迹，获得更新的波前像差W₂；

步骤b6、利用正交多项式拟合W₁和W₂，更新目标函数；

步骤b7、若目标函数小于阈值ε，输出测量面形误差W_surf，否则，继续优化系统几何参数，重复步骤b5至步骤b7；

步骤d中，计算斜率的过程为：

以待测镜(Q1)的中心位置O为原点，待测镜(Q1)在O点的切平面为xOy面，即为标定平面，建立世界坐标系；当待测镜Q1的面形形状w(x_m,y_m)小于标定平面与CCD相机(Q3)或发光屏(Q2)之间的距离时，即w(x_m,y_m)＜＜z_m2s及w(x_m,y_m)＜＜z_m2c，根据三角测量原理，待测镜面Q1上M点的斜率通过下式得到：

式中z_m2s和z_m2c分别是标定平面到发光屏(Q2)上像素点和相机(Q3)针孔(Q4)的z方向距离；

具体检测方法为：

步骤1、对中高频段像差检测系统(A1)和低频像差检测系统(A2)进行搭建和装调；

步骤2、采用装调后的中高频段像差检测系统(A1)和低频像差检测系统(A2)分别对待测镜(Q1)进行图像信息的采集；

步骤3、采用计算机(Q14)分别对采集的图像信息进行中高频段和低频段像差进行处理，获得待测镜(Q1)的面形信息。

2.根据权利要求1所述的一种光学自由曲面全频段像差检测系统，其特征在于：对低频像差检测系统(A2)装调的过程为：

步骤A、根据装调固定的待测镜(Q1)位置调节低频像差检测系统(A2)系统，放置激光器(Q10)和可调节光阑(Q9)；所述激光器(Q10)的位置要求为出射的光与待测镜(Q1)中心共轴；可调节光阑(Q9)置于激光器(Q10)前，确认激光器(Q10)、光阑(Q9)以及待测镜(Q1)镜共轴；

步骤B、加入成像透镜(Q7)，并调整位置，使所述成像透镜(Q7)与激光器(Q10)及可调节光阑(Q9)共轴，并使得从可调节光阑(Q9)出射的球面波经过成像透镜(Q7)后变为平行光；

步骤C、加入分光棱镜(Q8)，使所述分光棱镜(Q8)与待测镜(Q1)及可调节光阑(Q9)共轴，根据分光棱镜(Q8)返回光的平行度调整可调节光阑(Q9)的倾斜角度位置；

步骤D、放置会聚透镜(Q11)和成像相机(Q12)，使得从待测镜(Q1)反射的光束经分光棱镜(Q8)进入成像相机(Q12)内。

3.根据权利要求2所述的一种光学自由曲面全频段像差检测系统，其特征在于：对低频像差检测系统(A2)装调后，还包括以下步骤：

步骤E、在系统调整好之后，调整电动平移台(Q13)，使成像相机(Q12)上成的光点像最小，记录该位置，并将该位置作为离焦量为0的位置；

步骤F、采用成像相机(Q12)采集图像；

步骤G、在成像透镜(Q7)和分光棱镜(Q8)间加平面反射镜后，再采用成像相机(Q12)采集图像；

步骤H、采用计算机内的PR处理模块对采集的图像进行处理,获得待测镜(Q1)的面形信息。

4.根据权利要求1所述的一种光学自由曲面全频段像差检测系统的检测方法，其特征在于：该方法由以下步骤实现：

步骤1、对中高频段像差检测系统(A1)和低频像差检测系统(A2)进行搭建和装调；

步骤2、采用装调后的中高频段像差检测系统(A1)和低频像差检测系统(A2)分别对待测镜(Q1)进行图像信息的采集；

步骤3、采用计算机(Q14)分别对采集的图像信息进行中高频段和低频段像差进行处理，获得待测镜(Q1)的面形信息。

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