CN113587845A - 大口径透镜轮廓检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种大口径透镜轮廓检测装置，包括：测量扫描模块、自准直模块、成像模块、处理模块。测量扫描模块包括相机、机械臂、扫描单元、转台；相机与机械臂固定连接，机械臂带动扫描单元对位于旋转台上的待测透镜进行扫描，获取待测透镜不同点对应的表面信息；自准直模块包括自准直仪、与机械臂固定连接的平面镜，用于对机械臂的往复移动进行准直；自准直仪发出准直光束至平面镜，利用平面镜反射的光束与准直光束的偏移量对机械臂进行准直；成像模块用于接收测量扫描模块扫描形成的待测透镜的表面信息。本发明所提供的大口径透镜轮廓检测装置及检测方法能够实现实时检测待测透镜表面；不存在误差累积，检测精度高。

Description

大口径透镜轮廓检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于透镜检测技术领域，具体涉及一种大口径透镜轮廓检测装置及检测方法。

背景技术

大口径大视场望远镜在近二十年来发展获得了飞速发展，为了获得更高的巡天效率与集光能力，其口径与视场都在不断扩大。主动光学作为大口径大视场望远镜的关键技术，已经获得了广泛的应用。国外已经研制并成功运行多台大口径大视场望远镜，8米级的LSST已经投入建设，而国内尚未开展两米以上的大视场望远镜研究。不论是在占领“太空高地”保障国土安全方面，还是在探测存在撞击威胁的小行星等天文学邻域，均存在较大的差距。大口径透镜是大口径望远镜的重要组成部分，因此大口径透镜的轮廓检测技术尤为重要。传统对于凸面的检测以摆臂轮廓仪与子孔径拼接为主。但是，以上两种方法均无法实现实时检测，同时，检测过程也需要精密位移机构辅助。

发明内容

本发明克服现有技术的不足，本发明提供一种大口径透镜轮廓检测装置及检测方法。

一种大口径透镜轮廓检测装置，包括：测量扫描模块、自准直模块、成像模块、处理模块。

所述测量扫描模块包括用于视觉定位的相机、往复移动的机械臂、位于所述机械臂上的扫描单元、用于带动所述待测透镜旋转的转台。

所述相机与所述机械臂固定连接，所述机械臂带动所述扫描单元对位于所述旋转台上的待测透镜进行扫描，获取待测透镜不同点对应的表面信息。

所述自准直模块包括自准直仪、与所述机械臂固定连接的平面镜，所述自准直模块用于对所述机械臂的往复移动进行准直。

所述自准直仪发出准直光束至所述平面镜，利用所述平面镜反射的光束与准直光束的偏移量对所述机械臂进行准直。

所述成像模块用于采集所述测量扫描模块扫描形成的待测透镜的表面的数据，并将所述表面的数据传输至所述处理模块。

所述处理模块用于接收所述表面的数据，并根据所述表面的数据计算待测透镜的矢高信息或待测透镜的斜率，以得到待测透镜的轮廓信息。

进一步地，所述扫描单元为迈克尔逊干涉系统或共聚焦扫描干涉系统。

进一步地，所述扫描单元设有至少两个扫描头，用于实现同时对所述待测透镜的多个测量点进行扫描，其中至少有一个扫描头位于所述扫描单元的中心点。

本发明还提供大口径透镜轮廓的检测方法，包括以下步骤：

S1、利用所述相机的机器视觉对所述机械臂定位。

S2、根据预先设定的扫描路径，移动所述机械臂至所述待测透镜处，转动所述转台和/或移动所述机械臂以配合所述扫描单元进行扫描。

S3、重复S1、S2，重复次数为M，M≥1。

S4、根据所述扫描单元扫描的待测透镜的表面信息，利用所述处理模块计算获取所述待测透镜表面的矢高信息或斜率，以得到待测透镜的轮廓信息。

进一步地，在步骤S2的扫描过程中对所述机械臂进行准直校正。

进一步地，步骤S4具体为：

所述扫描单元为迈克尔逊干涉系统时，所述扫描单元所扫描的待测透镜表面的待测点的干涉条纹，获取所述待测点的相位信息、所述迈克尔逊干涉系统的入射光强度，利用所述处理模块计算所述待测透镜表面的矢高信息，以得到待测透镜的轮廓信息。

或所述扫描单元为共聚焦扫描干涉系统，获取所述扫描单元所扫描的待测透镜表面的待测点的高度值、所述扫描单元的中心点与所述待测点的距离，利用所述处理模块计算所述待测透镜表面的矢高信息，以得到待测透镜的轮廓信息。

进一步地，所述扫描单元为共聚焦扫描干涉系统时，获取所述扫描单元所扫描的待测透镜表面的待测点的高度值、所述扫描单元的中心点与所述待测点的距离，利用所述处理模块计算所述待测透镜表面的斜率信息，以得到待测透镜的轮廓信息。

进一步地，在步骤S4之后还包括步骤S5：

S5、对获得的矢高信息使用正交多项式的方法进行拟合。

进一步地，在对获得的矢高信息进行拟合前，对所获得的矢高信息进行滤波处理。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明所提供的大口径透镜轮廓检测装置及检测方法能够实现实时检测待测透镜表面；

2、本发明所提供的大口径透镜轮廓检测装置及检测方法属于非接触式检测不损伤待测透镜的表面；

3、本发明所提供的大口径透镜轮廓检测装置及检测方法不存在误差累积，检测精度高。

附图说明

图1是本发明实施例中的大口径透镜轮廓检测装置的结构图；

图2a、2b分别为本发明实施例中的大口径透镜轮廓检测方法的扫描单元扫描头的分布示意图；

图3为本发明实施例中大口径透镜轮廓的检测方法的流程示意图；

图4为本发明实施例中的大口径透镜轮廓检测方法的自准直仪准直的示意图。

其中的附图标记如下：

机械臂1、扫描单元2、转台3、自准直仪4、成像模块5、待测透镜6。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了本发明实施例中的大口径透镜轮廓检测装置的结构图。

一种大口径透镜轮廓检测装置，包括：大口径透镜轮廓检测装置包括测量扫描模块、自准直模块、成像模块5、处理模块。其中，测量扫描模块包括用于视觉定位的相机、往复移动的机械臂1、位于机械臂1上的扫描单元2、用于带动待测透镜6旋转的转台3。

利用相机的机器视觉对机械臂1进行定位，能够保证机械臂1与被测透镜表面的安全距离。

相机与机械臂1固定连接，机械臂1带动扫描单元2对位于旋转台3上的待测透镜6进行扫描，获取待测透镜6不同点对应的干涉条纹图。

自准直模块包括自准直仪4、与机械臂1固定连接的平面镜，用于对机械臂1的往复移动进行准直。通过自准直模块可以判断机械臂1的移动是否符合设定要求，即能够保证扫描单元2进行扫描的精度。自准直仪4可以根据实际要求的精度在待测透镜6的不同位置进行自准直，减小误差进一步保证扫描的精度。

自准直仪4发出准直光束至平面镜，利用平面镜反射的光束与准直光束的偏移量对机械臂1进行准直。

成像模块5用于接收测量扫描模块扫描形成的待测透镜的表面的数据，并将所述表面的数据传递至处理模块。

处理模块接收待测透镜的表面的数据，并根据待测透镜的表面的数据计算待测透镜的矢高信息、待测透镜的斜率以得到待测透镜的轮廓信息。本发明提供一种优选实施例，扫描单元2为迈克尔逊干涉系统或共聚焦扫描干涉系统。

在本发明的一个优选实施例中，采用迈克尔逊干涉系统作为扫描单元2进行扫描时，所使用的迈克尔逊干涉系统为全光纤式架构，包括：用于发出激光的激光发射器、第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、参考臂、测量臂、反射镜、测量头；其中，第一光纤耦合器，用于将激光分成第一光束和第二光束；第一光束传输至参考臂，第二光束传输至测量臂；参考臂用于将第一光束传输至反射镜进行反射后，传输至成像模块5；测量臂用于将第二光束经过第二耦合器传输至反射镜，并经反射镜反射至测量头，通过测量头对待测透镜6表面进行扫描，扫描后的光束沿原路返回至第二耦合器，传输至成像模块5。参考臂与测量臂传输的光束在成像模块5产生干涉条纹。在实际应用中，还可以利用成像模块5所获得的干涉条纹搭建条纹追踪光路，保证干涉条纹对比度可以保持良好，本发明对此不进行限定。

在本发明的一个替代实施例中，采用共聚焦扫描干涉系统作为扫描单元2进行扫描时，共聚焦扫描干涉系统包括：宽光谱光源、消色差超透镜、色散透镜，宽光谱光源为复色光，所发出的光束经超透镜准直后传输至色散透镜，色散透镜将光束汇聚于光轴上。不同波长的光束在光轴上的焦点不同，焦点位于待测透镜6表面的光束经待测透镜6表面反射后传输至成像模块5，而其它波长的光束不能通过待测透镜6反射，因此不能被成像模块5所接收。通过对反射至成像模块5的光束进行分析，建立波长与待测透镜6表面的对应关系，从而获得待测透镜6表面的轮廓信息。

扫描单元2设有至少两个扫描头，用于实现同时对多点扫描，每一个扫描头对应一个扫描点，其中至少有一个扫描头位于扫描单元2的中心点。本实施例中的扫描单元2为圆型，扫描头分布在圆心周向的N个点，保证以圆心为原点的X轴、Y轴的正方向、负方向均有扫描的点分布，本实施例中扫描单元2的中心点即为圆型的圆心；其中N≥4，本实施例中的扫描单元2设计有利于提高扫描的效率和精确度，有利于更快捷的对待测透镜6进行扫描，并且多扫描头能够完成多点扫描测量，能够更精准的测量待测透镜6的轮廓。

一种大口径透镜轮廓的检测方法，如图3所示，包括以下步骤：

S1、利用相机的机器视觉对机械臂1定位。

利用相机的机器视觉对机械臂1进行定位，实时性好，可以对不同面型的透镜进行精确定位，实现准确对准，能够保证机械臂1与待测透镜6表面的安全距离。

S2、根据预先设定的扫描路径，移动机械臂1至待测透镜6处，转动转台3和/或移动机械臂1以配合扫描单元2进行扫描；

扫描路径为预先设定，根据实际应用可以选择转动转台3同时移动机械臂1进行扫描，也可以单独调整转台3或机械臂1，本发明实施例对此不进行限定。扫描的点数与扫描单元2的扫描头个数有关。如图2所示，本实施例中的扫描单元2为圆型，扫描头分布在扫描单元2的圆心、圆心周向的4个点，保证以圆心为原点的X轴、Y轴的正方向、负方向均有1个扫描的点分布，所扫描的点越多，则相对于得到的待测透镜6的面型信息越完整。

S3、重复S1、S2，重复次数为M，M≥1；

重复步骤S1、S2，能够增加扫描的次数，同时增多扫描的点，所扫描的点越多，则相对于得到的待测透镜6的面型信息越精确、完整。

S4、根据所述扫描单元扫描的待测透镜的表面信息，利用所述处理模块计算获取所述待测透镜表面的矢高信息。。

本实施例以如图2所示的5个扫描头的扫描单元2为例进行描述。

当采用迈克尔逊干涉系统作为扫描单元2进行扫描时，由光学原理可知，成像模块5所得到的干涉条纹强度可如下式所示：

其中，

λ是相干涉光束的波长，I₁和I₂是迈克尔逊干涉系统中参考臂与测量臂传输的光束的光强，γ₁₂为复相干度，模为|γ₁₂|，相位为

其中，Φ₁₂为目标源相位，

为迈克尔逊干涉系统干涉臂、参考臂的光程s₁与s₂相位之差，s₁、s₂分别是迈克尔逊干涉系统干涉臂、参考臂的光程。干涉条纹对比度(contrast)或可见度(visibility)可表达为条纹振幅与总背景照度之比，如下式所示：

如果我们引入波长λ的光谱数变量(the spectroscopic wavenumber)κ＝1/λ，令：

其中I_S、I_b分别为

和I₁+I₂-I_s的缩写；

x＝(s₂-s₁) (5)

则各个波长干涉条纹强度图案如下式所示：

I(κ,x)＝I_s[1+|γ₁₂|cos(2πκx-φ₁₂)]+I_b (6)

此情况下，x代表活塞相位偏置，不含有倾斜分量。当两臂光强I₁＝I₂时，干涉条纹能见度为复相干度的模值：

V＝|γ₁₂| (7)

当采用共聚焦扫描干涉系统作为扫描单元2进行扫描时，设定h₀为扫描单元的中心点，

其中S(x,y)为斜率，h₀～h₄分别为扫描单元2的5个扫描头所扫描的待测点的高度，l₁～l₄分别为扫描单元2的4个所扫描的h₀的长度；

设最高的拟合阶数为N，将波前Φ(x,y)表示为离散傅里叶级数如式(9)所示：

其中n,m为整数，x,y为离散空间坐标，

为离散傅里叶级数系数。将式(9)变形可得式(10)；

其中n,m为整数，x,y为离散空间坐标，

为离散傅里叶级数系数。将式(10)两端进行梯度算子，可以建立起

与斜率S(x,y)的关系，如式(11)所示：

对公式(11)两边同时求导，可得到扫描单元2所扫描的待测透镜扫描位置的斜率，进而得到待测透镜6的轮廓信息。

也可以利用测得的h₀～h₄，l₁～l₄直接求出待测点的斜率：h₁点的斜率为：

同理求出其他待测点的斜率，进而得到待测透镜6的轮廓信息。但直接求得的斜率受系统偏差等外界影响较大。

本发明提供一种优选实施例，在步骤S2的扫描过程中对机械臂1进行准直校正，如图3所示。

利用自准直仪4对机械臂1的移动进行准直，具体来说，机械臂1侧向移动可能造成误差，其误差决定待测透镜6的斜率，进而影响测量的待测透镜6的轮廓信息精度。

其中Δα为系统测量角度的变化，Δx表示侧向移动量，D是系统测量孔径，

为测量孔径边缘处的波前斜率。

平移对结果的影响，取决于波前所测得的斜率，测量斜率越大的波前，平移对结果的影响也越大。如果波前是完全展平的，平移则对结果没有影响。

本发明提供一种优选实施例，在步骤S5之后还包括步骤S6，

S5、对步骤S4获得的矢高信息进行拟合，来获得待测透镜6精确的轮廓面型信息。

由于扫描单元2根据预先设定的路径进行扫描，因此每次扫描的点坐标(x，y)是已知的。进行扫描，将对相应坐标代入公式(13)，可以求得拟合系数。

z＝a₁+xa₂+ya₃+xya₄+x²a₅+y²a₆+(x²+y²)a₇ (13)

其中，x、y为第一个扫描的点的坐标；a₁-a₇为拟合系数；z为测得的矢高数值。

通过变形可得：

其中，x、y为第一个扫描的点的坐标，x_t、y_t为第t个扫描的点的坐标，[a₁-a₇]为拟合系数矩阵，[z₁-z_t]为测得的矢高数值矩阵。

本发明提供一种优选实施例，在对获得的矢高信息进行拟合前，对所获得的矢高信息进行滤波处理，以获得精确的矢高信息数据来进行拟合从而获得精确的系数矩阵。

系数矩阵的条件数是影响拟合精度的重要因素。如果系数矩阵条件数过大，会造成矩阵出现非常小的奇异值，造成拟合误差增大。对于此种情况，一般来利用奇异值滤波将测量得到的信号映射到多维矩阵空间中去得到信号多相空间轨道矩阵；之后将其噪声项滤去；利用奇异值分解的逆过程将滤波后的奇异值矩阵还原，得到缺秩空间中之中对于空间轨道矩阵等维的最佳估计。但是对于待测透镜6的面形测量，造成矩阵条件数过大的原因很有可能是测量尺度较大，使靠近坐标原点数据的绝对值与远距的测量点相比过小。如果使用之前的数据处理方法，很有可能导致有效数据被当作噪声而被误删的情况。针对该情况，本发明实施例提出使用坐标变换来使系数矩阵的条件数降低。奇异值分解是线性代数中一种重要的工具，在信号处理、数理统计中都有重要的应用。

将矢高信息数据矩阵设为A矩阵，设A为m×n阶复矩阵，A'A的n个特征值的算术平方根σ₁,σ₂,…,σ_n，称为矩阵的奇异值。则必定存在m阶酉矩阵U与n阶酉矩阵V，使得A＝USV'，其中S＝diag(σ₁,σ₂,…,σ_n)、A'为A的共轭转置、V'为V的共轭转置、S为A'A的对角矩阵。

对于n×n的实矩阵J，必定存在n阶正交阵P,Q，使A＝PSQ^T，其中T代表矩阵的转置运算。

假设某个随机序列x(t),t＝1,2,…,2n+1,将将测量得到的信号映射到多维矩阵空间中去得到信号多相空间轨道矩阵D_m：

之后对其进行奇异值分解，并将其噪声项滤去；

其中S_s,S_n分别为实际信号与噪声信号所对应的奇异值，在某种显著性准则之下，可以将噪声项确定并将其置零得到缺秩空间多相空间轨道矩阵

具体来说，定义信号奇异熵：

利用统计学上的假设检验方法，在使用不同阶次拟合时，公式(19)中的E_k显著下降作为假设条件，在一定置信概率下，结合F分布，可以得到检验结果。在一般情况下，可以根据最大值设置阈值进行简单的判断。

利用奇异值分解的逆过程将滤波后的奇异值矩阵还原，得到对于空间轨道矩阵的最佳估计。最后由于多维矩阵空间映射为双射，故可以得到与原来信号等维的滤波后的信号如式(20)所示：

令α＝max(1,k-n+1),β＝min(n,k)；

其中，n、k为序号，α为max(1,k-n+1)的缩写，β为min(n,k)的缩写。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种大口径透镜轮廓检测装置，其特征在于，包括：测量扫描模块、自准直模块、成像模块、处理模块；其中，

所述测量扫描模块包括用于视觉定位的相机、往复移动的机械臂、位于所述机械臂上的扫描单元、用于带动所述待测透镜旋转的转台；

所述相机与所述机械臂固定连接，所述机械臂带动所述扫描单元对位于所述旋转台上的待测透镜进行扫描，获取待测透镜不同点对应的表面信息；

所述自准直模块包括自准直仪、与所述机械臂固定连接的平面镜，所述自准直模块用于对所述机械臂的往复移动进行准直；

所述自准直仪发出准直光束至所述平面镜，利用所述平面镜反射的光束与准直光束的偏移量对所述机械臂进行准直；

所述成像模块用于采集所述测量扫描模块扫描形成的待测透镜的表面的数据，并将所述表面的数据传输至所述处理模块；

所述处理模块用于接收所述表面的数据，并根据所述表面的数据计算待测透镜的矢高信息或待测透镜的斜率，以得到待测透镜的轮廓信息。

2.根据权利要求1所述的大口径透镜轮廓检测装置，其特征在于，

所述扫描单元为迈克尔逊干涉系统或共聚焦扫描干涉系统。

3.根据权利要求1所述的大口径透镜轮廓检测装置，其特征在于，

所述扫描单元设有至少两个扫描头，用于实现同时对所述待测透镜的多个测量点进行扫描，其中至少有个扫描头位于所述扫描单元的中心点。

4.一种使用如权利要求1-3中任一项所述的大口径透镜轮廓检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用所述相机的机器视觉对所述机械臂定位；

S2、根据预先设定的扫描路径，移动所述机械臂至所述待测透镜处，转动所述转台和/或移动所述机械臂以配合所述扫描单元进行扫描；

S3、重复S1、S2，重复次数为M，M≥1；

S4、根据所述扫描单元扫描的待测透镜的表面信息，利用所述处理模块计算获取所述待测透镜表面的矢高信息或斜率，以得到待测透镜的轮廓信息。

5.根据权利要求4所述的大口径透镜轮廓检测方法，其特征在于，在步骤S2的扫描过程中对所述机械臂进行准直校正。

6.根据权利要求4所述的大口径透镜轮廓检测方法，其特征在于，步骤S4具体为：

所述扫描单元为迈克尔逊干涉系统时，所述扫描单元所扫描的待测透镜表面的待测点的干涉条纹，获取所述待测点的相位信息、所述迈克尔逊干涉系统的入射光强度，利用所述处理模块计算所述待测透镜表面的矢高信息，以得到待测透镜的轮廓信息；

或所述扫描单元为共聚焦扫描干涉系统，获取所述扫描单元所扫描的待测透镜表面的待测点的高度值、所述扫描单元的中心点与所述待测点的距离，利用所述处理模块计算所述待测透镜表面的矢高信息，以得到待测透镜的轮廓信息。

7.根据权利要求6所述的大口径透镜轮廓检测方法，其特征在于，所述扫描单元为共聚焦扫描干涉系统时，获取所述扫描单元所扫描的待测透镜表面的待测点的高度值、所述扫描单元的中心点与所述待测点的距离，利用所述处理模块计算所述待测透镜表面的斜率信息，以得到待测透镜的轮廓信息。

8.根据权利要求4所述的大口径透镜轮廓检测方法，其特征在于，在步骤S4之后还包括步骤S5：

S5、对获得的矢高信息使用正交多项式的方法进行拟合。

9.根据权利要求8所述的大口径透镜轮廓检测方法，其特征在于，在对获得的矢高信息进行拟合前，对所获得的矢高信息进行滤波处理。

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