CN110986829A - 一种采用补偿镜的大曲率复杂镜面高精度测量方法 - Google Patents

一种采用补偿镜的大曲率复杂镜面高精度测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110986829A
CN110986829A CN201911332452.9A CN201911332452A CN110986829A CN 110986829 A CN110986829 A CN 110986829A CN 201911332452 A CN201911332452 A CN 201911332452A CN 110986829 A CN110986829 A CN 110986829A
Authority
CN
China
Prior art keywords
mirror
measurement
measured
curvature
spherical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201911332452.9A
Other languages
English (en)
Inventor
张祥朝
叶俊强
牛振岐
朱睿
徐敏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fudan University
Original Assignee
Fudan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fudan University filed Critical Fudan University
Priority to CN201911332452.9A priority Critical patent/CN110986829A/zh
Publication of CN110986829A publication Critical patent/CN110986829A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2518—Projection by scanning of the object
    • G01B11/2527—Projection by scanning of the object with phase change by in-plane movement of the patern

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明属于光学镜面测量技术领域，具体为一种采用补偿镜的大曲率复杂镜面高精度测量方法。本发明采用补偿镜实现零位偏折测量，具体是在检测光路中加入与大曲率复杂镜面曲率相反的参考补偿镜，将被测面形的绝对高度测量转化为相对于球面面形偏差的相对测量；具体步骤包括：将待测大曲率镜面拟合为球面，在光路中引入与拟合球面曲率符号相反的补偿反射镜，消除由于被测的完全镜面引起的光焦度，从而将传统偏折测量中的平面基准转化为球面基准，也即直接测量复杂镜面相对于球面的面形偏差，有效减小纵向量程和法向摆动范围，提高测量精度，提升对大曲率凸面与凹面光学镜面的测量能力。

Description

一种采用补偿镜的大曲率复杂镜面高精度测量方法
技术领域
本发明属于光学镜面测量技术领域，具体涉及大曲率复杂镜面测量方法。
背景技术
在现代精密制造中，复杂的非球面和自由曲面光学元件得到了广泛的应用。其面形质量测量给精密工程领域提出了巨大的难题。传统的激光干涉测量技术是直接测量面形相对于平面或球面的偏差，对于严重偏离平面/球面的复杂曲面难以测量。采用零位干涉或者CGH等补偿元件可以将参考波前转化为和被测元件的名义面形接近的复杂曲面，于是可以实现非球面/自由曲面的纳米精度测量[1]。但是该方法对于具体待测元件需要设计专门的补偿元件，而且干涉的可测量程只有几微米，因此对光路中各元件之间相对位置的要求极高，给光路装调带来极大难度，因此亟需发展灵活通用的复杂曲面测量技术。
偏折术是近年来发展的反射镜面测量技术[2]。其原理是在显示器上产生规则条纹，经被测表面反射后条纹发生变形，采用CCD相机拍摄变形图样，由几何关系推导可以计算出被测面形的表面梯度分布，再通过积分得到面形高度。其测量系统结构简单，精度可达纳米级，而量程达到毫米级，动态范围比干涉仪高1000倍，可用于复杂曲面的测量，近年来得到广泛关注[3]。但是偏折测量对角度敏感，可以测量的角度范围一般在几度，因此对于大曲率的复杂曲面会超出量程。如果缩小放大倍数，则会降低测量灵敏度，牺牲测量精度。因此，偏折测量对于高度弯曲的镜面难以实现绝对测量。
参考文献
[1] SLINGER C, CAMERON C, STANLEY M. Computer-generated holography as ageneric display technology. Computer, 2005,38(8):46–53.
[2] XU X, ZHANG X, NIU Z, et al. Self-calibration of in situ monoscopicdeflectometric measurement in precision optical manufacturing. OpticsExpress, 2019,27(5):7523–7536.
[3] MALDONADO AV. High resolution optical surface metrology with theslope measuring portable test system. MSc Thesis, The University of Arizona,2015。
发明内容
本发明的目的在于提供一种灵敏度和精度高的大曲率复杂镜面测量方法，实现绝对偏折测量。
本发明提供的大曲率复杂镜面测量方法，采用补偿镜实现零位偏折测量，具体是在检测光路中加入与大曲率复杂镜面曲率相反的参考补偿镜，消除由于被测的完全镜面引起的光焦度，从而将传统偏折测量中的平面基准转化为球面基准，将被测面形的绝对高度测量转化为相对于球面面形偏差的相对测量，也即直接测量复杂镜面相对于球面的面形偏差，有效减小纵向量程和法向摆动范围，提高测量精度，提升对大曲率凸面与凹面光学镜面的测量能力。
本发明方法的具体测量步骤如下：
（1）将被测镜面拟合为球面，设球面的曲率半径为R；
（2）与被测曲面相对地平行放置一个补偿球面，曲率半径为r, 若被测镜面为凹面，则补偿镜为标准凸球面；若被测镜面为凸面，则补偿镜为标准凹球面；二者之间的高度差为|R-r|/2，即使得拟合球面与补偿球面两个所对应焦点的高度相等；
（3）将相机视为针孔相机，从幅面中心到光线引出主光线，对其做光线追迹；合理调整屏幕、被测镜面、补偿镜以及相机之间的横向位置，使得该主光线通过被测镜面、补偿镜以及屏幕的中心点；最终交于屏幕的中心点。而屏幕和相机幅面都分别和该主光线垂直。
附图说明
图1为零补偿的曲面偏折测量光路示意图。其中，（a）为采用小凸面补偿镜测量大曲率凹面镜；（b）为采用大口径凹面补偿镜测量大曲率凸面镜。
图2为双反射镜离轴望远系统。
图3为对主光线进行追迹确定元件位置。
图4为示例中各元件在系统坐标系中的位置。
图5为正弦条纹图样。其中，（a）为显示的条纹；（b）传统方法拍摄的条纹；（c）本发明方法拍摄的条纹。
图6为两种方法得到的镜面面形。其中，（a）为传统方法测量的面形；（b）本发明所得面形偏差。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。
实施例1：被测凹球面口径为1m，拟合最佳凹球面曲率半径为1.33m，所采用的凸球面补偿镜的曲率半径为145mm，口径250mm。将坐标系原点设置在被测凹面的中心，根据前述光路设计方法得到各元件的位置如图4所示，单位为mm。
在屏幕上投影正弦条纹，如图5(a)所示，用传统方法和本发明所提出的方法所拍摄的畸变条纹，如图5(b)和5(c)所示。显然由于被测凹面对光线的会聚作用，导致屏幕所成的像非常小，只占相机靶面的一小部分，因此采样率低。而本发明所提出的方法可以用凸透镜将光束适当发散，显著提高相机的利用率。
利用四步相移法计算相机拍摄各像素的相位，和屏幕投影的图样相对应，可以得到被测表面的法向。解偏微分方程，将梯度积分可得到面形。两种测量方法得到的面形如图6所示。图6(a)表示传统方法测量得到的被测镜面面形，矢高达到97mm，每列像素数只有220像素。而本发明所提方法测量的矢高是相对于被测球面的面形偏差，偏差量只有3mm, 而每列采样数有850像素。也即采用850×1000像素描述3 mm的面形起伏，显然面形偏差的采样分辨率显著提高，由采样不足引起的像素化误差减小了100倍以上。

Claims (2)

1.一种采用补偿镜的大曲率复杂镜面高精度测量方法，其特征在于，采用补偿镜实现零位偏折测量，具体是在检测光路中加入与大曲率复杂镜面曲率相反的参考补偿镜，消除由于被测的完全镜面引起的光焦度，从而将传统偏折测量中的平面基准转化为球面基准，将被测面形的绝对高度测量转化为相对于球面面形偏差的相对测量，也即直接测量复杂镜面相对于球面的面形偏差，有效减小纵向量程和法向摆动范围，提高测量精度，提升对大曲率凸面与凹面光学镜面的测量能力。
2.根据权利要求1所述的采用补偿镜的大曲率复杂镜面高精度测量方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1）将被测镜面拟合为球面，设球面的曲率半径为R；
（2）与被测曲面相对地平行放置一个补偿球面，曲率半径为r, 若被测镜面为凹面，则补偿镜为标准凸球面；若被测镜面为凸面，则补偿镜为标准凹球面；二者之间的高度差为|R-r|/2，即使得拟合球面与补偿球面两个所对应焦点的高度相等；
（3）将相机视为针孔相机，从幅面中心到光线引出主光线，对其做光线追迹；合理调整屏幕、被测镜面、补偿镜以及相机之间的横向位置，使得该主光线通过被测镜面、补偿镜以及屏幕的中心点；最终交于屏幕的中心点；而屏幕和相机幅面都分别和该主光线垂直。
CN201911332452.9A 2019-12-22 2019-12-22 一种采用补偿镜的大曲率复杂镜面高精度测量方法 Pending CN110986829A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911332452.9A CN110986829A (zh) 2019-12-22 2019-12-22 一种采用补偿镜的大曲率复杂镜面高精度测量方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201911332452.9A CN110986829A (zh) 2019-12-22 2019-12-22 一种采用补偿镜的大曲率复杂镜面高精度测量方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110986829A true CN110986829A (zh) 2020-04-10

Family

ID=70074607

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911332452.9A Pending CN110986829A (zh) 2019-12-22 2019-12-22 一种采用补偿镜的大曲率复杂镜面高精度测量方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110986829A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022088596A1 (zh) * 2020-10-30 2022-05-05 复旦大学 一种偏折测量中实现屏幕和工件同时对焦的装置和方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020135772A1 (en) * 2001-01-25 2002-09-26 Bornhop Darryl J. Universal detector for biological and chemical separations or assays using plastic microfluidic devices
JP4479979B2 (ja) * 2000-05-18 2010-06-09 大日本印刷株式会社 ホログラム複製方法
CN102183213A (zh) * 2011-03-02 2011-09-14 中国科学院光电技术研究所 一种基于相位测量偏折术的非球面镜检测方法
DE102014106238A1 (de) * 2014-05-05 2015-11-19 Isra Vision Ag Verfahren und Sensor zur Bestimmung der Oberfläche eines Objekts mittels Deflektometrie
CN105373788A (zh) * 2014-08-18 2016-03-02 政美应用股份有限公司 光偏折检测模块及使用其检测及误差校正的方法
WO2016035055A1 (en) * 2014-09-05 2016-03-10 Hoya Corporation Wide depth of focus vortex intraocular lenses and associated methods
CN107957251A (zh) * 2016-10-18 2018-04-24 中国计量大学 基于计算机辅助校正的反射球面通用化检测方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4479979B2 (ja) * 2000-05-18 2010-06-09 大日本印刷株式会社 ホログラム複製方法
US20020135772A1 (en) * 2001-01-25 2002-09-26 Bornhop Darryl J. Universal detector for biological and chemical separations or assays using plastic microfluidic devices
CN102183213A (zh) * 2011-03-02 2011-09-14 中国科学院光电技术研究所 一种基于相位测量偏折术的非球面镜检测方法
DE102014106238A1 (de) * 2014-05-05 2015-11-19 Isra Vision Ag Verfahren und Sensor zur Bestimmung der Oberfläche eines Objekts mittels Deflektometrie
CN105373788A (zh) * 2014-08-18 2016-03-02 政美应用股份有限公司 光偏折检测模块及使用其检测及误差校正的方法
WO2016035055A1 (en) * 2014-09-05 2016-03-10 Hoya Corporation Wide depth of focus vortex intraocular lenses and associated methods
CN107957251A (zh) * 2016-10-18 2018-04-24 中国计量大学 基于计算机辅助校正的反射球面通用化检测方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PENG SU等: "Aspheric and freeform surfaces metrology with software configurable optical test system:a computerized reverse Hartmann test", 《OPTICAL ENGINEERING》 *
PENG SU等: "SCOTS：A reverse Hartmann test with high dynamic range for Giant Magellan Telescope primary mirror segments", 《SPIE》 *
赵文川等: "基于条纹反射的光学表面疵病检测法", 《光子学报》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022088596A1 (zh) * 2020-10-30 2022-05-05 复旦大学 一种偏折测量中实现屏幕和工件同时对焦的装置和方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105300307B (zh) 二维散斑数字相关技术的光学镜面变形测量装置和方法
CN108489421A (zh) 一种条纹投影检测平面元件面形方法及装置
TWI731443B (zh) 判斷表面尺寸資訊的點雲合併方法
CN110726381A (zh) 一种光学自由曲面全频段像差检测系统及检测方法
CN110702009A (zh) 一种基于逆向Hartmann计算机辅助法的三维测量系统
CN100585362C (zh) 一种大口径非球面镜全场检测方法
CN110763159A (zh) 一种光学偏折显微表面测量装置及方法
CN107063122A (zh) 光学非球面面形的检测方法及其装置
Lindlein et al. Expansion of the dynamic range of a Shack-Hartmann sensor by using astigmatic microlenses
CN103149013B (zh) 基于平面干涉原理的平行光管分划板高精度装调方法
CN110986829A (zh) 一种采用补偿镜的大曲率复杂镜面高精度测量方法
US8243282B2 (en) Interferometric shape measurement of different signs of curvature
CN103134443B (zh) 一种大口径大径厚比反射镜面形自准直检测装置及方法
CN103196391A (zh) 一种近抛物面的环形凹非球面的快速面形检测方法
CN108267094B (zh) 一种基于旋转cgh的非圆柱面干涉拼接测量系统及方法
CN104776811A (zh) 大口径、批量化离轴子镜的面形检测方法
CN109458944A (zh) 基于同步共轭差分干涉的平面绝对检验装置及其检测方法
CN110793465B (zh) 一种微透射元件多面形大动态范围同步测量方法
Deng et al. Multi-angle Scheimpflug projection 3D microscope: Design, calibration, and three-dimensional reconstruction
CN110986824B (zh) 一种大口径凸自由曲面反射镜镜面面形检测系统和方法
CN108917652B (zh) 一种结构光检测离轴非球面的位姿优化方法
CN113776460A (zh) 检测光学自由曲面反射镜面形的方法及装置
US8743373B1 (en) Metrology of optics with high aberrations
Fischedick et al. Investigation of the uncertainty contributions of the alignment of PTB’s double-ended interferometer by virtual experiments
CN115183695B (zh) 一种便携式反射镜面形测量装置及反射镜面形测量方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20200410

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication