CN116852177A - 基于数字光阑调制的刀口法环带误差定量检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于数字光阑调制的刀口法环带误差定量检测方法，首先将刀口仪沿待测光学元件主光轴方向移动，同时采集刀口阴影检测图。然后对待测镜面产生的轴向多幅刀口阴影检测图进行子环带分割，通过每个环带对应图像灰度沿轴向的演变特性来确定该环带对应的轴向焦点位置，从而实现整个面形的定量化求解。该数字化数字光阑加设方法优化了传统实体光阑受限于只有在固定位置开缝进而不能灵活使用且增加系统复杂度的问题，为光学车间检测提供了一种定量化检测的新思路，优化了光学加工与检测的效率。

Description

基于数字光阑调制的刀口法环带误差定量检测方法

技术领域：

本发明涉及光学车间检测和数字图像处理领域，特别是一种基于数字光阑调制的刀口法环带误差定量检测方法。

背景技术：

刀口法是一种传统的光学检测方法，利用点光源发出球面光照射在待测光学元件上，返回的光斑会包含光学元件的波前表面加工误差，在刀口横切下就可以观察到包含了误差信息的阴影图。在光学车间检测中，刀口法对于粗加工和初步加工的光学镜面具有很好的响应，可以定性地检测出其加工误差。传统的在焦点处横向切割刀口进行定量化检测方法确实可以很好地进行定量化检测，但仍需人工操作，检测效率较低，并且不能定量化求解待测镜面的面形。现有的一些关于刀口法的专利主要聚焦于刀口法中刀口仪装置的改进，如：CN210375623U，CN214163177U，CN116164664A，这些专利从某种程度上优化了刀口仪的使用和方便了刀口法的执行，但仍没有从根本上解决刀口法检测依赖经验和难以定量化检测的问题。而传统的加光阑方法虽然优化了环带误差的检测，但受限于光阑的形状和图像处理等因素的制约，并且传统实体光阑不能灵活使用，只能在固定位置开缝，而光阑开缝的边缘会产生部分硬边衍射效应，不利于检测结果的准确性，而且增加了系统复杂度。基于数字光阑调制的刀口法环带误差定量检测方法使用了先前已发表的专利的装置系统，专利公开号为CN114001676A，该专利提出了一种在刀口法检测系统中自动对准光轴的方法，但仍无法使得刀口法有效地进行定量化检测。为此我们提出了基于数字光阑调制的刀口法环带误差定量检测方法，可以使刀口法较好地实施检测，提高检测效率，并给出定量化的参考检测结果。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种基于数字光阑调制的刀口法环带误差定量检测方法。该方法可以显著提升刀口仪定量化检测的效率。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于数字光阑调制的刀口法环带误差定量检测方法，该方法的实验系统包括刀口仪及其位移系统，CCD相机及镜头，待测光学元件，计算机。所述的刀口仪及其位移系统由刀口仪和二维电动调节机构组成，刀口仪安装在二维电动调节机构上，所述的CCD相机及镜头组成的成像系统位于刀口仪刀口的后侧，成像系统和刀口仪相对固定，作为一个整体进行后续的二维移动，所述的刀口放置在光学元件的曲率中心附近，所述的CCD相机输出端与所述的计算机的输入端相连，计算机的输出端与所述的二维电动调节机构的控制端相连。

其特点在于该方法包含如下步骤：

(1)将刀口仪沿待测光学元件光轴方向移动，并利用CCD采集刀口阴影检测图，记为P(z₁),P(z2)…P(z_m)。

(2)设环状光阑函数为f_n(x)，条件如下：

式中，N为全口径等分的环带数目，n为第n个露出环带，R为待测元件的半径大小，通过将刀口阴影检测图的全口径等分，由外而内依次露出不同的环带，从而获取环状光阑f_n(x)。

(3)利用所述环状光阑f₁(x)，对每个刀口阴影检测图进行掩盖和目标环带的露出操作，获取环带滤波后的刀口阴影图Pδ1(z1)，Pδ1(z2)…Pδ1(zm)；若这一系列图中灰度方差最小的图为Pδ1(zR1)，则说明R1环带对应的聚焦点在光轴上zR1处。以此类推，使用由外而内露出不同环带的光阑滤波后，处理刀口阴影图。共n×m，则可以获取不同环带Rn环带对应在轴上的焦点zRn。

(4)待测镜面的理论曲率半径R已知，并且待测镜面上环带所处位置的r值可以通过阴影图上环带相对位置及待测镜面口径换算出来。因此理论曲率中心到环带在主光轴上所对应位置的距离L可以通过环带在镜面表面的相对位置和待测镜面的表面的面形函数求解出来，

(5)缺陷环带的真实曲率中心，可以通过该环带对应在阴影图上的明暗转化位置zRn得到，由于阴影图是通过位移台匀速自动移动的同时由CCD相机等间距自动采集，因此每张阴影图都附带位置信息zRn，于是环带实际的曲率中心到待测镜面的距离L’也可以知道。于是待测环带的真实误差θ即可求出来，

θ即代表缺陷的真实程度，即缺陷位置法线与理想表面法线的夹角。将tanθ乘以该环带的真实宽度即为该环带缺陷的具体高度值。最后对所有缺陷位置的高度值由外环带到内环带进行积分即可得到待测镜面的表面面形。

与现有技术相比，本发明提高了刀口法光学检测的效率，减少了刀口法人工实施检测的过程中对于实施人经验的过高要求，降低了检测系统的复杂度，可以实现高效率而且准确的刀口法定量化光学检测。

附图说明：

图1是现有技术中数字光阑调制的刀口法环带误差定量检测装置的结构示意图

图2是本发明将沿光轴采集到的一系列阴影图加设掩膜光阑并寻找位于目标环带曲率中心的阴影图的原理示意图

图3是本发明方法步骤逻辑框图

图4是待测光学元件在商用泰曼格林干涉仪测试下的表面面形结果

图5是待测光学元件在本发明方法下测试出的表面面形结果

具体实施方式：

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

参阅图1，一种基于数字光阑调制的刀口法环带误差定量检测方法，其实验系统包括刀口仪及其位移系统3，CCD相机5及镜头4，待测光学元件1，计算机6。所述的刀口仪及其位移系统3由刀口仪和二维电动调节机构组成，刀口仪安装在二维电动调节机构上，所述的CCD相机5及镜头4组成的成像系统的像面落在刀口面上，成像系统和刀口仪相对固定，作为一个整体进行后续的二维移动，所述的刀口放置在光学元件1的曲率中心附近，所述的CCD相机5输出端与所述的计算机的输入端相连，计算机的输出端与所述的二维电动调节机构的控制端相连。该装置的光路可以应用于基于数字光阑调制的刀口法环带误差定量检测方法。

本发明使用的点光源2是白光光源。

所述光学元件1曲率半径为482mm，口径为50mm。

所述CCD相机5分辨率为2048pixel×2048pixel，每个像素边长为4μm。

所述刀口仪位移系统3的电机为每圈200个步进间距，计算机6的控制卡进行了16细分。

如图2所示，首先将刀口仪调节至光轴上，将刀口仪的刀口沿光轴纵向切割，会得到一系列明暗变化的刀口阴影图，根据环带误差的位置，刀口阴影图也会相应的有不同的变化，如第一排阴影图所示。用环状光阑经过平均划分待测镜面整个口径，分为了1，2，3一直到n区。在这里先露出了1区，因此沿光轴采集的一系列阴影图加设完掩膜会有如图2第二排阴影图所示的变化，该环带曲率中心所对应的轴向位置为b；然后按顺序露出来2区一直到n区，展示了加设掩膜的阴影图的变化，同时也展示了这一系列环带对应的曲率中心的位置。

如果直接观察阴影图，其中代表环带位置的明暗变化会受到阴影图中其它位置明暗关系的干扰，如果人为利用算法加入一个掩膜，只关注阴影图中环带位置处的明暗变化，可以很好地分辨特定位置上的环带误差，即在这一系列加设数字光阑掩膜的阴影图中，由于环带曲率中心对应的阴影图上露出的环带最接近全灰，因此该阴影图的整体方差最小。在计算阴影图方差之前，可以先对阴影图进行去噪声处理，这样计算结果更为可靠和精确。阴影图方差计算公式如下所示，a代表单个像素的灰度值，n代表总像素数，计算结果S表示该组阴影图的方差值。

环带掩膜光阑的定义公式如下，其中f_n(x)表示透过率函数，R为待测镜面半径大小，N为全口径等分的环带数目，n为第n个露出环带。

所述的基于数字光阑调制的刀口法环带误差定量检测需要如下步骤：

1.将刀口仪沿待测光学元件光轴方向移动，并利用CCD采集刀口阴影检测图，记为P(z₁),P(z2)…P(z_m)。

2.设环状光阑函数为f_n(x)，条件如下：

式中，N为全口径等分的环带数目，n为第n个露出环带，R为待测元件的半径大小，通过将刀口阴影检测图的全口径等分，由外而内依次露出不同的环带，从而获取环状光阑f_n(x)。

3.利用所述环状光阑f₁(x)，对每个刀口阴影检测图进行掩盖和目标环带的露出操作，获取环带滤波后的刀口阴影图Pδ1(z1)，Pδ1(z2)…Pδ1(zm)；若这一系列图中灰度方差最小的图为Pδ1(zR1)，则说明R1环带对应的聚焦点在光轴上zR1处。以此类推，使用由外而内露出不同环带的光阑滤波后，处理刀口阴影图。共n×m，则可以获取不同环带Rn环带对应在轴上的焦点zRn。

4.待测镜面的理论曲率半径R已知，并且待测镜面上环带所处位置的r值可以通过阴影图上环带相对位置及待测镜面口径换算出来。因此理论曲率中心到环带在主光轴上所对应位置的距离L可以通过环带在镜面表面的相对位置和待测镜面的表面的面形函数求解出来，

5.缺陷环带的真实曲率中心，可以通过该环带对应在阴影图上的明暗转化位置zRn得到，由于阴影图是通过位移台匀速自动移动的同时由CCD相机等间距自动采集，因此每张阴影图都附带位置信息zRn，于是环带实际的曲率中心到待测镜面的距离L’也可以知道。于是待测环带的真实误差θ即可求出来，

θ即代表缺陷的真实程度，即缺陷位置法线与理想表面法线的夹角。将tanθ乘以该环带的真实宽度即为该环带缺陷的具体高度值。最后对所有缺陷位置的高度值由外环带到内环带进行积分即可得到待测镜面的表面面形。

Claims (3)

1.一种基于数字光阑调制的刀口法环带误差定量检测方法，其实验设置和数据获取包含以下特征：采用刀口法环带误差定量检测系统，该系统包括刀口仪及其位移系统、CCD相机及镜头和计算机，所述的刀口仪及其位移系统由刀口仪和二维电动调节机构组成，刀口仪安装在二维电动调节机构上，所述的CCD相机及镜头组成的成像系统位于刀口仪刀口的后侧，成像系统和刀口仪相对固定，作为一个整体进行后续的二维移动，所述的刀口放置在光学元件的曲率中心附近，所述的CCD相机输出端与所述的计算机的输入端相连，计算机的输出端与所述的二维电动调节机构的控制端相连。使用这一系列设备首先将刀口仪调整至待测光学元件的主光轴上，使得刀口仪及其位移系统能够沿待测光学元件的主光轴运动。

2.一种基于数字光阑调制的刀口法环带误差定量检测方法，其数据处理特征在于，该图像数据处理过程包含如下步骤：

S1.将刀口仪沿待测光学元件光轴方向移动，并利用CCD采集刀口阴影检测图，记为P(z₁),P(z2)…P(z_m)；

S2.设环状光阑函数为f_n(x)，条件如下：

式中，N为全口径等分的环带数目，n为第n个露出环带，R为待测元件的半径大小，通过将刀口阴影检测图的全口径等分，由外而内依次露出不同的环带，从而获取环状光阑f_n(x)；

S3.利用所述环状光阑f₁(x)，对每个刀口阴影检测图进行掩盖和目标环带的露出操作，获取环带滤波后的刀口阴影图Pδ1(z1)，Pδ1(z2)…Pδ1(zm)；若这一系列图中灰度方差最小的图为Pδ1(zR1)，则说明R1环带对应的聚焦点在光轴上zR1处；

以此类推，使用由外而内露出不同环带的光阑滤波后，处理刀口阴影图。共n×m，则可以获取不同环带Rn环带对应在轴上的焦点zRn。

S4.计算理论曲率中心到环带在主光轴上所对应位置的距离L，公式如下：

式中，R为待测镜面的理论曲率半径，r为测镜面上环带所处位置；

S5.缺陷环带的真实曲率中心通过该环带对应在阴影图上的明暗转化位置zRn得到，由于阴影图是通过位移台匀速自动移动的同时由CCD相机等间距自动采集，因此每张阴影图都附带位置信息zRn，得到环带实际的曲率中心到待测镜面的距离L’；

计算待测环带的真实误差θ，公式如下：

θ即代表缺陷的真实程度，即缺陷位置法线与理想表面法线的夹角；

将tanθ乘以该环带的真实宽度即为该环带缺陷的具体高度值；

最后对所有缺陷位置的高度值由外环带到内环带进行积分即可得到待测镜面的表面面形。

3.根据权利要求1所述的基于数字光阑调制的刀口法环带误差定量检测方法，其特征在于，由刀口仪及其位移系统在主光轴上通过点光源发出球面波经过待测光学元件反射回到刀口仪及其位移系统的刀口位置，经过成像镜头将刀口阴影检测图成像于CCD相机的接收面上。