CN114993206A

CN114993206A - 大口径凸面面形检测系统

Info

Publication number: CN114993206A
Application number: CN202210657695.5A
Authority: CN
Inventors: 刘云龙
Original assignee: Beijing Trans Manufacture And Trade Co ltd
Current assignee: Beijing Trans Manufacture And Trade Co ltd
Priority date: 2022-06-10
Filing date: 2022-06-10
Publication date: 2022-09-02

Abstract

本申请提供一种大口径凸面面形检测系统，该系统包括：标准镜和图像处理装置；平行光线经过标准镜反射后得到第一光线；平行光线经过标准镜折射后得到第二光线，所述第二光线汇聚至所述标准镜的焦点处；第一光线按照平行光线的原光学传播路径返回；将待测器件移动至第二光线的光照范围内的共焦位置，并调整待测器件的姿态，使得第三光线按照第二光线的原光学传播路径返回，并经标准镜折射后能够与第一光线发生干涉，形成干涉条纹；图像处理装置接收并且解析干涉条纹后，确定待测器件的待测面面形；其中，第三光线为第二光线经待测器件反射后得到的反射光线；共焦位置距焦点的距离等于待测面的表面曲率半径。

Description

大口径凸面面形检测系统

技术领域

本申请涉及光学元器件的检测领域，尤其涉及一种大口径凸面面形检测系统。

背景技术

随着科学技术的不断进步，对于大口径光学元器件的需求不断增多，尤其是对于大口径球面零件的需求正在持续增加。对于球面光学零件而言，其中凸球面的面形检测一直是困扰各类光学加工企业以及研究人员的重要问题。

在相关技术中，由于特殊的成像光路，对于尺寸较大的(一般是直径大于150毫米)的大口径凸球面零件，使用当下普遍使用的6英寸口径的Zygo干涉仪很难实现全口径测量，当下在一些科研机构中，较为常用的方式是使用轮廓仪或者拼接的方式来进行检测。

然而，相关技术中的面形检测方式，均无法高效、廉价的检测大口径凸球面零件的面形。

发明内容

本申请的目的是提供一种大口径凸面面形检测系统，用于实现对大口径凸球面零件表面面形的检测。

本申请提供一种大口径凸面面形检测系统，该系统包括：标准镜和图像处理装置；平行光线经过所述标准镜反射后得到第一光线；所述平行光线经过所述标准镜折射后得到第二光线，所述第二光线汇聚至所述标准镜的焦点处；所述第一光线按照所述平行光线的原光学传播路径返回；将待测器件移动至所述第二光线的光照范围内的共焦位置，并调整所述待测器件的姿态，使得第三光线按照所述第二光线的原光学传播路径返回，并与所述第一光线发生干涉，形成干涉条纹；所述图像处理装置接收并且解析所述干涉条纹后，确定所述待测器件的待测面面形；其中，所述第三光线为所述第二光线经所述待测器件反射后得到的反射光线；所述共焦位置距所述焦点的距离等于所述待测面的表面曲率半径。

可选地，所述标准镜包括多个镜片；所述待测器件的待测面为凸球面；所述标准镜靠近所述待测器件一侧的镜片为凹面镜。

可选地，所述系统还包括平面标准镜；所述图像处理装置为平面干涉仪，所述标准镜位于所述平面标准镜与所述待测器件之间的位置；所述标准镜靠近所述平面标准镜一侧的镜片为平面镜。

可选地，所述平面干涉仪发射的光线经过所述平面标准镜过滤后得到所述平行光线；所述平行光线的光束横截面积等于所述标准镜靠近所述平面标准镜一侧的平面镜的直径。

可选地，所述标准镜靠近所述待测器件一侧的凹面镜的第一曲率半径是根据所述待测器件的待测面的第二曲率半径确定的。

可选地，所述第一曲率半径大于所述待测面的所述第二曲率半径。

可选地，所述标准镜靠近所述待测器件的凹面镜上的任一点与所述待测面的圆心的连线，均垂直于所述连线与所述待测面交点的切线。

可选地，所述平面镜反射所述平行光线，并使得所述第一光线按照所述平行光线的原光学传播路径进行传播。

本申请提供的大口径凸面面形检测系统，使用图像处理装置向标准镜发射平行光线，平行光线经过标准镜反射后得到第一光线；平行光线经过标准镜折射后得到第二光线；第一光线按照平行光线的原光学传播路径返回，第二光线汇聚至焦点处。之后，将待测器件移动至第二光线的光照范围内的共焦位置，并调整待测器件的姿态，使得第三光线经标准镜折射后能够按照第二光线的原光学传播路径传播，并与第一光线发生干涉，形成干涉条纹。在形成干涉条纹后，通过图像处理装置对干涉条纹进行解析，确定待测器件的待测面面形。如此，能够实现较大尺寸的光学器件的凸面面形的检测。

附图说明

为了更清楚地说明本申请或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请提供的大口径凸面面形检测系统的结构示意图；

图2是本申请提供的大口径凸面面形检测系统光学路径示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请中的附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

针对当下普遍采用的两种面形(即表面形貌误差)检测方式，一种是使用轮廓仪进行面形检测，这种检测方式能够对大部分的凸球面进行全口径测量，但是设备昂贵，一般企业很难负担，同时检测效率较低，再者，这种方式的检测精度较低，一般只能达到Lambda/10的检测精度，如果要求更高的检测精度，这种方式显然存在一定的局限性。

另一种是使用拼接的方式进行面形检测，这种方式通过多次测量得到测量数据，再通过软件算法进行拼接，从而实现全口径的测量。该方法同样存在测量效率低的问题，另外对于检测人员的技术能力等都有较高的要求，再加上算法复杂，设备昂贵，因此未能在生产企业中广泛使用。

针对相关技术中存在的上述技术问题，本申请实施例旨在提供一种基于大口径平面干涉仪，配合大口径球面标准镜，从而实现对凸球面的面形检测，这种方式检测效率高，同时在保证球面标准镜精度的基础上，能够获得极高的检测精度，是一种解决大口径凸球面面形检测的方式。

下面结合附图，通过具体的实施例及其应用场景对本申请实施例提供的大口径凸面面形检测系统进行详细地说明。

如图1所示，本申请实施例提供的一种大口径凸面面形检测系统，该系统可以包括大口径平面标准镜101、标准镜102和图像处理装置。

示例性地，设置于平面标准镜101一侧的图像处理装置向平面标准镜101发射平行光线，该平行光线经过平面标准镜101后射向所述标准镜。具体地，如图1所示，上述图像处理装置通过φ450口径的平面镜101向标准镜102发射一束平行光线。即图像处理装置发出所述平行光线。

具体地，所述标准镜位于所述平面标准镜与所述待测器件之间的位置；光源发射的光线经过所述平面标准镜后得到所述平行光线。

示例性地，所述平行光线经过所述标准镜反射后得到第一光线；所述平行光线经过所述标准镜折射后得到第二光线，所述第二光线汇聚至所述标准镜的焦点处；所述第一光线按照所述平行光线的原光学传播路径返回，第一光线原路返回形成一束参考光。

具体地，图像处理装置通过φ450口径的平面镜101向标准镜102发射的平行光线经过标准镜的折射和反射后，分别得到按照平行光线的原光学传播路径反向传播的第一光线(反射光线)，以及经过标准镜102折射后的第二光线(折射光线)。即上述平行光线为图像处理装置的光源发出的光线经过上述φ450口径的平面镜(上述平面标准镜)后产生的。该图像处理装置可以为上述图像处理装置。上述图像处理装置可以为平面干涉仪，即本申请实施例提供的大口径凸面面形检测系统是在上述平面干涉仪的基础上，结合大口径平面标准镜得到的。上述平面标准镜的直径可以根据实际需要进行调整，例如，可以为φ450，也可以为φ500、φ550等。

举例说明，如图1所示，图像处理装置通过φ450口径的平面镜向标准镜102发射的平行光线经过标准镜后发生反射和折射，通常情况下，有4％的光线会被反射，另有96％的光线穿过标准镜102。经过标准镜102反射的光线(即上述第一光线)会按照平行光线的原路径返回(即上述平行光线的原光学传播路径)；经过标准镜102折射的部分光线(即上述第二光线)会汇聚到焦点处，该焦点到标准镜之间的距离a为标准镜的焦距，焦距的长短取决于标准镜的设计，也决定了标准镜能检测的凸球面口径的大小；该焦点到待测器件之间的距离为b。

示例性地，所述平面干涉仪发射的光线经过所述平面标准镜过滤后得到所述平行光线；所述平行光线的光束横截面积等于所述标准镜靠近所述平面标准镜一侧的平面镜的直径。即平行光线的光束横截面积等于所述标准镜靠近所述平面标准镜一侧的平面镜的直径。

可以理解的是，若上述平行光线的光束横截面积大于平面镜的直径若，则上述平行光线中超出平面镜部分的光线可能会对待测面的检测产生一定的干扰；若上述平行光线的光束横截面积小于平面镜的直径若，则无法全面检测待测面的面形，出现部分区域未被检测的情况。

需要说明的是，上述光源可以为上述图像处理装置内部设置的光源，也可以为独立的光源。上述平面标准镜可以用于将光源产生的光转化为平行光线，也可以用于将光源产生的平行光线进行过滤后，得到直径与标准镜102直径相同的光照范围。

可以理解的是，如图1所示的平面标准镜101为直径450毫米的平面镜，表示该图像处理装置的平面标准镜101能够发射出覆盖直径为450毫米的圆形区域的平行光线。该平行光线经过标准镜102的折射之后，需要覆盖待测器件，且待测器件的待测面反射的光线(即上述第三光线)需要全部经标准镜102折射后与标准镜102反射的光线(即上述第一光线)发生干涉。因此，标准镜102需要根据待测器件的不同，选择合适的标准镜来检测待测器件的待测面。

需要说明的是，上述标准镜102与平面标准镜101可以为同一装置，标准镜102为球面标准镜；同时，上述标准镜102与平面标准镜101还可以为两个不同的装置。在本申请实施例中，为了方便描述和理解，将上述标准镜102与平面标准镜101作为两个不同的装置进行描述。

示例性地，在对图像处理装置发射的平行光线进行处理后，将待测器件移动至所述第二光线的光照范围内的共焦位置，并调整所述待测器件的姿态，使得第三光线按照所述第二光线的原光学传播路径返回，并经所述标准镜折射后能够与所述第一光线发生干涉，形成干涉条纹。

其中，所述第三光线为所述第二光线经所述待测器件反射后得到的反射光线；所述共焦位置距所述焦点的距离等于所述待测面的表面曲率半径。

举例说明，针对上述共焦位置，如图1所示，待测器件103位于共焦位置时，其距离焦点处的距离为b，该距离b的长度等于待测器件103的表面曲率半径。

示例性地，由于需要测量待测器件的表面面形，因此，需要将待测器件移动至第二光线的光照范围内，使得待测器件的表面面形能够反射第二光线，且反射后的光线通过标准镜的折射后变为平行光线，即使得第二光线的反射光线能按照第二光线的原光学传播路径返回，并与第一光线发生干涉，行成干涉条纹。

示例性地，所述图像处理装置接收并且解析所述干涉条纹后，确定所述待测器件的待测面面形。

具体地，通过图像处理装置对第一光线与第三光线行成的干涉条纹进行解析，进而得到待测器件的待测面的面形数据。

如此，通过本申请实施例提供的大口径凸面面形检测系统，能够实现大口径凸面面形的检测，且检测效率高，成本低。

可选地，在本申请实施例中，可以通过图像传感器采集上述干涉条纹。

示例性地，上述图像处理装置还可以包括：图像传感器；所述图像传感器采集所述干涉条纹，并将采集到的所述干涉条纹转化为数字信号。

示例性地，在采集到上述干涉条纹并将该干涉条纹转化为数字信号之后，所述图像传感器，还用于将所述数字信号发送至所述图像处理装置。

具体地，上述图像传感器为电荷耦合器件CCD相机。CCD是电荷耦合器件(chargecoupled device)的简称，它能够将光线变为电荷并将电荷存储及转移，也可将存储之电荷取出使电压发生变化，因此是理想的CCD相机元件，以其构成的CCD相机具有体积小、重量轻、不受磁场影响、具有抗震动和撞击之特性而被广泛应用。

具体地，如图1所示，上述CCD相机可以设置在平面标准镜101的内部。在第一光线与第三光线发生干涉后，由该CCD相机采集干涉条纹，并将其转化为数字信号。之后，CCD相机将该数字信号发送至图像处理装置，由图像处理装置对该数字信号进行解析，确定待测器件103的待测面面形。

可选地，在本申请实施例中，为了能够准确的调整待测器件的位置和姿态，需要确定待测器件的调整方向。

示例性地，在调整待测器件之前，还需要选择合适的标准镜，确保第二光线的光照范围能够完全覆盖待测器件的待测面。具体地，所述标准镜包括多个镜片；所述待测器件的待测面为凸球面；所述标准镜靠近所述平面标准镜一侧的镜片为平面镜；所述标准镜靠近所述待测器件一侧的镜片为凹面镜。

示例性地，所述标准镜102包括多个镜片；其中，所述标准镜靠近所述待测器件一侧的凹面镜的第一曲率半径是根据所述待测器件的待测面的第二曲率半径确定的。

具体地，所述第一曲率半径大于所述待测面的所述第二曲率半径。

具体地，所述标准镜靠近所述待测器件一侧的凹面镜上的任一点与所述待测面的圆心的连线，均垂直于所述连线与所述待测面交点的切线。

举例说明，如图2所示，将上述标准镜102简化为如图2所示的凹透镜，为了确保第二光线的光照范围能够完全覆盖待测器件的待测面(图2中阴影区域)，且保证待测面反射的光线能够与第一光线发生干涉，凹透镜的球面的曲率半径需要大于待测面的曲率半径，且待测器件103与标准镜102之间的距离能够保证标准镜靠近所述待测器件的镜片上的任一点与所述待测面的圆心的连线，均垂直于所述连线与所述待测面交点的切线。以图2中连线c为例，连线c与待测面的交点处的切线与连线c垂直。

示例性地，所述平面镜反射所述平行光线，并使得所述第一光线按照所述平行光线的原光学传播路径进行传播。

具体地，标准镜102靠近平面标准镜101一侧的镜片为平面镜。该平面镜用于反射图像处理装置发出的平行光线，使其能够按照平行光线的原光学传播路径进行返回。

本申请实施例提供的大口径凸面面形检测系统，通过大口径平面干涉仪(即上述检测装置)与大口径球面标准镜相配合，实现对较大尺寸的凸球面的面形检测，这样的检测方式效率高、速度快。同时，在保证球面标准镜精度的基础上，能够获得极高的检测精度。

需要说明的是，本申请实施例中，上述检测装置用于发射平行光线以及接收标准镜和待测器件的反射光线产生的干涉条纹，并对该干涉条纹进行解析，进而得到待测器件的待测面的面形数据。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种大口径凸面面形检测系统，其特征在于，所述系统包括：标准镜和图像处理装置；

平行光线经过所述标准镜反射后得到第一光线；所述平行光线经过所述标准镜折射后得到第二光线，所述第二光线汇聚至所述标准镜的焦点处；所述第一光线按照所述平行光线的原光学传播路径返回；

将待测器件移动至所述第二光线的光照范围内的共焦位置，并调整所述待测器件的姿态，使得第三光线按照所述第二光线的原光学传播路径返回，并经所述标准镜折射后能够与所述第一光线发生干涉，形成干涉条纹；

所述图像处理装置接收并且解析所述干涉条纹后，确定所述待测器件的待测面面形；

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述标准镜包括多个镜片，所述待测器件的待测面为凸球面，所述标准镜靠近所述待测器件一侧的镜片为凹面镜。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括平面标准镜；所述图像处理装置为平面干涉仪，所述标准镜位于所述平面标准镜与所述待测器件之间的位置；所述标准镜靠近所述平面标准镜一侧的镜片为平面镜。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述平面干涉仪发射的光线经过所述平面标准镜过滤后得到所述平行光线；所述平行光线的光束横截面积等于所述标准镜靠近所述平面标准镜一侧的平面镜的直径。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述标准镜靠近所述待测器件一侧的所述凹面镜的第一曲率半径是根据所述待测器件的待测面的第二曲率半径确定的。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一曲率半径大于所述待测面的所述第二曲率半径。

7.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，

所述标准镜靠近所述待测器件一侧的所述凹面镜上的任一点与所述待测面的圆心的连线，均垂直于所述连线与所述待测面交点的切线。

8.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，

所述平面镜反射所述平行光线，并使得所述第一光线按照所述平行光线的原光学传播路径进行传播。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述图像处理装置发出所述平行光线。