CN1563943A - 多功能光学质量检测装置 - Google Patents

Abstract

一种多功能光学质量检测装置，其特征在于它共光轴地依次设有标准平行光管、扫描式哈特曼光阑、聚焦镜、CCD摄像机，所述的扫描式哈特曼光阑安装在光阑支架上，该支架上方固定有编码器，下方装有步进电机，还有计算机，所述的CCD摄像机、编码器和步进电机均与计算机相连；在计算机的控制下，通过步进电机驱动扫描式哈特曼光阑绕光轴旋转，另一方面该计算机接收CCD摄像机输出的图像和编码器给出的扫描式哈特曼光阑的位置信息，并对图像进行数据处理。本发明可用于指导光学元件加工、光路调整，评价入射光束与焦斑的质量等，具有检测精度高、速度快、功能多的优点。

Description

多功能光学质量检测装置

技术领域：

本发明涉及光学元件，特别是一种多功能光学质量检测装置。

背景技术：

在先技术中，传统的哈特曼检验装置结构如图1所示，光源1发出的光线经聚光镜2照明小孔光阑3，从而获得点光源；小孔光阑3位于平行光管4的焦点处，由小孔光阑3射出的光束经平行光管4准直为平行光束后，照射到哈特曼光阑5上，该平行光束被分割成许多具有不同高度的细光束对后射向被检元件6。通过照相方法在7、8位置处测量细光束中心与光轴的距离，通过分析得到像差信息。哈特曼光阑5的结构如图2所示，哈特曼光阑5上的小孔对与平行光管4的光轴呈对称分布。

上述在先技术的缺点是：

1、对光阑制造精度要求高。由于是对被检元件的环带进行取样，所以光阑上同一高度的小孔要严格对称，从而对光阑的加工提出了很高的要求。

2、无法测量元件局部误差。所测得的误差只是被检元件不同环带的面形误差，而元件的各个局部小区域的误差信息难以获得。

3、取样密度受限。光阑上小孔之间的间距固定，只能以一定的密度进行取样，以致于不能检测到光阑上小孔之间的间隔位置所对应环带区域的误差信息，从而导致测量精度低。

4、测量时间长。传统方法通常采用照相方法，在测量过程中，需经过底片曝光、显影、光斑位置测量等一系列步骤，耗时较长，同时在此过程中可能引入振动等随机因素，这会造成很大的测量误差。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述在先技术的缺点，提供了一种多功能光学质量检测装置，可用于指导光学元件加工、光路调整，评价入射光束与焦斑的质量等，具有检测精度高、速度快、功能多的优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种多功能光学质量检测装置，其特征在于它共光轴地依次设有标准平行光管、扫描式哈特曼光阑、聚焦镜、CCD摄像机，所述的扫描式哈特曼光阑安装在光阑支架上，该支架上方固定有编码器，下方装有步进电机，还有计算机，所述的CCD摄像机、编码器和步进电机均与计算机相连；在计算机的控制下，通过步进电机驱动扫描式哈特曼光阑绕光轴旋转，另一方面该计算机接收CCD摄像机输出的图像和编码器给出的扫描式哈特曼光阑的位置信息，并对图像进行数据处理。

所述的扫描式哈特曼光阑在水平径向和垂直径向各开有一系列周期排列的小孔，水平方向各小孔之间的间距为c，垂直方向各小孔之间的间距为d，且c＝d，水平方向的第一个小孔与光阑轴心的间距a为垂直方向上第一个小孔与轴心间距b的2倍，两方向的各小孔半径R均相等，且满足关系R＝a/2＝c/2，而且垂直方向的最外侧一个小孔恰好位于扫描式哈特曼光阑的边缘处，在扫描式哈特曼光阑10的中心位置设有一个小孔。

在所述的CCD摄像机之前设有显微镜物镜。所述的CCD摄像机位于显微镜物镜的焦点。

换一句话说，本发明多功能光学质量检测装置可以看作由标准平行光管、扫描式哈特曼光阑、聚焦镜和图像接收处理系统四部分组成。

所述的哈特曼光阑由步进电机驱动，具有两排相互垂直排列的小孔，且两排小孔在径向相互错位补充；绕光轴旋转后，将入射到被检元件上的光束相应地分割成若干个子光束。

所述的图像接收处理系统包括CCD摄像机、计算机及处理软件组成，主要用于接收焦斑图像，并对图像进行分析和处理。哈特曼光阑的转动和CCD摄像机的采集过程都受计算机控制，以保证两者同步进行。

所述的显微镜物镜安放在CCD摄像机之前，如果焦斑很小，则可用该显微镜物镜将经过聚焦镜后形成的光斑尺寸放大，再入射到CCD摄像机上，以提高检测精度。

本发明与在先技术相比具有下列技术效果：

1、对光阑的制造精度要求低。哈特曼光阑的运动由步进电机驱动，在互相垂直的两个方向上开有等间距排列且相互间错开半个间距的小孔。采用这种布局结构，并配合哈特曼光阑的转动，可达到对被检元件的所有环带进行扫描测量的目的。与在先技术中的哈特曼光阑相比，本发明的哈特曼光阑只需两排小孔，小孔数量少，制造精度低。

2、可测量元件的局部误差。在被测元件的通光孔径内，转动哈特曼光阑后可得到通过其各个局部小区域的子光束形成的焦斑位置，根据这些焦斑位置的分布，可以获得局部误差及其在被检元件上的准确位置。

3、取样密度高，不受限制。对被检聚焦镜表面取样的完成，是由扫描式哈特曼光阑的转动实现的，在步进电机的驱动下，光阑可实现预定的较小间隔的转动，所以取样密度高，且可对被检元件实现全孔径采样，从而获得较高的检测精度。

4、测量时间短，速度快。采用CCD摄像机来获取子光束焦点的位置信息，进一步由计算机控制检测并进行数据处理，所需时间短、速度快，使哈特曼检测实现了自动化、数字化。

5、功能多。除可直接检测分析焦斑能量分布外，还可对光学系统的制造与调整误差进行检测，且可获得误差在垂直于光轴的平面内的二维分布；如果聚焦镜质量是完善的，还可用于通过分析焦斑质量来检测入射于该被检聚焦镜元件上的平行光束的质量。

附图说明：

图1是在先技术哈特曼检验装置结构示意图。

图2是在先技术中采用的哈特曼光阑结构示意图。

图3是本发明多功能光学质量检测分析装置一个实施例的结构示意图。

图4是本发明采用的扫描式哈特曼光阑结构示意图。

图5是本发明采用的扫描式哈特曼光阑垂直径向的上半部分横截面的局部剖视图。

具体实施方式：

请参阅图3，图3是本发明多功能光学质量检测分析装置一个实施例的结构示意图。由图可以看出，本发明多功能光学质量检测装置，其构成在于它共光轴地依次设有标准平行光管9、扫描式哈特曼光阑10、被检聚焦镜11、显微镜物镜12、CCD摄像机13，所述的扫描式哈特曼光阑10安装在光阑支架上，该支架上方固定有编码器15，下方装有步进电机16，还有计算机14，所述的CCD摄像机13位于显微镜物镜12的焦点位置，所述的CCD摄像机13、编码器15和步进电机16均与计算机14相连；在计算机14的控制下，通过步进电机16驱动扫描式哈特曼光阑10绕光轴旋转，另一方面该计算机14接收CCD摄像机13输出的图像和编码器15给出的扫描式哈特曼光阑10的位置信息，并对图像进行数据处理。

所述的扫描式哈特曼光阑10是在水平径向和垂直径向开有周期排列的小孔，水平方向各小孔之间的间距为c，垂直方向各小孔之间的间距为d，且c＝d，水平方向的第一个小孔与光阑轴心的间距a为垂直方向上第一个小孔与轴心间距b的2倍，两方向的各小孔半径R均相等，且满足关系R＝a/2＝c/2，而且垂直方向的最外侧一个小孔恰好位于扫描式哈特曼光阑10的边缘处，在扫描式哈特曼光阑10的中心位置设有一个小孔。

所述的标准平行光管9、扫描式哈特曼光阑10、被检聚焦镜11、CCD摄像机13和图像接收处理系统，分别用于将光束投射到哈特曼光阑10上，对到达被检聚焦镜11的波面进行分割取样，再对CCD摄像机13所接收到的图像进行分析和处理，得到误差信息。

所述的标准平行光管9发出的平行光束入射到达扫描式哈特曼光阑10。测量过程中扫描式哈特曼光阑10在步进电机16的驱动下绕光轴旋转，将光束分割成一个个子光束，子光束由被检聚焦镜11聚焦，同时CCD摄像机13连续采集多个环带上的子光束焦点位置，得到焦斑能量分布，在此基础上得到误差的具体位置和大小。

所说的图像接收处理系统由和CCD摄像机13相连接的计算机14及其中的处理软件组成，主要用于接收CCD摄像机13输出的图像及确定对应的子光束位置，并对图像进行分析和处理。由CCD摄像机的工作原理可知，CCD摄像机13采集到的一幅图像是一个子光束的焦斑的图像，当对一个环带的多个子光束进行多次采集的时候，得到了多幅焦斑图像的叠加，通过所述处理软件，可以精确记录各个焦斑的坐标位置，根据焦斑的分布稀疏情况，可求得到能量集中度，即反映焦斑光强分布情况，再将光强分布进行傅立叶逆变换，若入射光束质量是好的，就可以知道被检元件该环带的质量好坏，即给出其上存在误差的环带位置，乃至局部误差位置；若被检元件质量是好的，就可以得到入射光束质量的好坏。如果焦斑尺寸较小的话，可在CCD摄像机13前面加显微镜物镜12，可将子光束焦斑及其中心距离光轴的距离放大，充分利用CCD摄像机13靶面的像素，以使测量定位精度大大提高。

扫描式哈特曼光阑10的结构参见图4，在光阑10的水平径向和垂直径向开有周期排列的小孔，水平方向各小孔之间的间距为c，垂直方向各小孔之间的间距为d，且c＝d。水平方向的第一个小孔(其与轴心距离最近)与光阑轴心的间距a为垂直方向上第一个小孔(其与轴心距离最近)与轴心间距b的2倍，且两方向的各小孔半径R均相等，满足关系R＝a/2＝c/2。此外，垂直方向的最外侧一个小孔恰好位于扫描式哈特曼光阑10的边缘处。这样的设计是为了使扫描式哈特曼光阑10在步进电机16的驱动下，可以不遗漏地采集到全孔径表面的信息，有效地提高了检测精度。在扫描式哈特曼光阑10的中心位置设有一个小孔，用来确定光轴位置。扫描式哈特曼光阑10的支架的上方固定有一个编码器15，下方装有步进电机16，扫描式哈特曼光阑10的扫描转动靠步进电机16的驱动来完成，而其转动角度由编码器15测定；编码器15和步进电机16与计算机14相连，步进电机16的转动和CCD摄像机13的采集均在计算机14的控制下进行。在步进电机16转动过程中，通过编码器15可知道扫描式哈特曼光阑10转过的确切角度。

与在先技术相比较，本发明的特点在于哈特曼光阑的制造难度小，对同一高度上的小孔在制造上没有严格对称的要求；CCD摄像机13的采集和扫描式哈特曼光阑10的转动受计算机14的同步控制；采用CCD摄像机13进行数据采集，时间短，速度快；通过焦斑能量分布，可以定量、定位、定区域地得到多种被测信息：如被检元件的环带加工误差、局部误差和其他复杂的误差的大小和具体位置，测量结果直观，为元件加工和修改提供了方便直接的依据。本发明采用的图像接收处理系统包括由和CCD摄像机13相连的计算机14及处理软件组成，主要用于接收CCD摄像机13输出的采集图像，并对图像进行分析和处理，将哈特曼检测方法自动化、数字化。

本发明可以测量多种元件，可以是置于平行光路中的平行平板元件或组件，如望远镜、单个片状放大器或放大器组件等，此时需用高质量聚焦透镜代替被检聚焦镜11进行聚焦；可以检测聚焦透镜，如靶镜、空间滤波器中的聚焦镜等。

为了提高检测精度，可以有选择地在CCD摄像机13前放一个显微镜物镜12，如果焦斑尺寸比较小，对焦点中心位置的确定就比较困难，误差大，这时可以采用显微镜物镜12。

本发明多功能光学质量检测分析装置的工作过程分为两种情况：

第一、对于被检元件为聚焦透镜，如靶镜、空间滤波器中的聚焦镜等情况，参见图3。从标准平行光管9发出的平行激光束入射到扫描式哈特曼光阑10上。扫描式哈特曼光阑10的使用状况参见图5，该图为哈特曼光阑10垂直径向上半部分的横截面的局部剖视图。当测量某一个环带的信息时，只将扫描式哈特曼光阑10上对应的一个小孔打开，其他的小孔用图5中所示的挡光塞子101塞住。测量过程中扫描式哈特曼光阑10在步进电机16的驱动下绕光轴旋转，将光束分割成一个个子光束，哈特曼光阑10的支架的上方固定有编码器15，下方装有步进电机16，扫描式哈特曼光阑10的扫描转动靠步进电机16的驱动来完成，步进电机16与计算机14相连，由计算机14控制，同时CCD摄像机13在计算机14的控制下完成采集。当计算机14发出一个脉冲控制信号时，则驱动步进电机16走一步，与此同时，哈特曼光阑10在步进电机16的驱动下转动一定的角度。在转动过程中，转过的确切角度可通过编码器15测量得到，此时步进电机16反馈回信号送回计算机14，由计算机14发出指令来启动CCD摄像机13采集数据。如果转角位置出现偏差，则编码器发出错误信号，送回计算机14，计算机14发出指令停止驱动电机16。通过闭环反馈回路的控制，保证了CCD摄像机13采集到的焦斑信息与哈特曼光阑10上的小孔位置一一对应。计算机14每发出一个脉冲信号，使得哈特曼光阑10转动一定的角度，相应地，由其上对应那个小孔透过的子光束由被检聚焦镜11聚焦后由CCD摄像机13来采集得到一幅图像。当哈特曼光阑10转动一周后，CCD摄像机13便完成了连续采集一个环带上的子光束焦点图像的功能，然后由与CCD摄像机13相连的计算机14和处理软件对CCD摄像机13输出的图像进行处理，给出焦点位置、定量误差及其准确的位置信息。完成一个环带的测量后，用挡光塞子101将该环带上对应的小孔塞住，打开哈特曼光阑10上的另一个孔，重复上述测量过程，则可得到另一个环带上的子光束焦点位置的二维坐标，由此可得到焦斑的能量分布。如果一个被测环带上没有局部误差，那么得到的各个子光束的焦斑应该成圆状分布；否则，焦斑位置可能偏离到圆的里侧和外侧，知道了焦斑的能量分布情况后，由于焦斑是入射波面经被检元件后形成的夫朗和费衍射图样，被检元件相当于傅立叶变换器，若焦斑质量不好，而入射波面是高质量的，则可推断出被件元件存在缺陷，对光强分布进行逆傅立叶变换就可以评价被测元件的质量。由此原理，可以准确知道被检元件的环带误差和各个局部的误差，也就是说获得了被测元件11定量、定位、定区域的信息；根据上述信息，基于焦斑光强傅立叶变换原理，还可以推算出被检元件的面形误差和入射平行光束的波面误差等。此外，当被检元件发生偏转时，其光轴会与整个光学系统的光轴交叉，不完全重合，此时，会将误差引入测量结果中。在这种情况下，本发明多功能光学质量分析装置利用光强傅立叶变换原理，可以将此误差检测出来。

第二、对于被检元件是光焦度为零的平面元件或组件的情况，如望远镜、单个片状放大器或放大器组件等，此时，被检元件位于哈特曼光阑10的前面，在哈特曼光阑10之后采用高质量聚焦透镜代替被检聚焦镜11。当入射的平面波经过被检元件后，出射的平面波波面发生畸变，则说明其表面或内部存在一定的缺陷，经过测量和分析，可以获得缺陷所处的环带位置，并可进一步得到通过被检元件或组件后的平面波波面的二维误差分布。

图3是本发明的一个实施例，其具体结构和参数概述如下：

标准平行光管9发出的平行光束口径为Φ300mm。扫描式哈特曼光阑10的中心孔直径为Φ8mm，水平径向开有7个间距为20mm的周期排列的小孔，且第一个离光阑轴心最近的小孔与轴心距离为20mm，垂直径向开有8个间距为20mm的周期排列的小孔，且第一个离光阑轴心最近的小孔与轴心距离为10mm，两径向的小孔直径均为Φ10mm。被检聚焦镜11的通过口径为Φ300mm，焦距为900mm。显微镜物镜12的放大倍率为10^x，CCD摄像机13为1/3″黑白CCD摄像机，像素尺寸为6.5μm×6.3μm。步进电机16采用KH56KM2-801型号混合式步进电机。

采用本发明的多功能光学质量分析检测装置对通光口径为Φ300mm，焦距为900mm的被检聚焦镜进行检测，测得的焦斑尺寸为Φ23μm。

Claims (3)

1、一种多功能光学质量检测装置，其特征在于它共光轴地依次设有标准平行光管(9)、扫描式哈特曼光阑(10)、聚焦镜(11)、CCD摄像机(13)，所述的扫描式哈特曼光阑(10)安装在光阑支架上，该支架上方固定有编码器(15)，下方装有步进电机(16)，还有计算机(14)，，所述的CCD摄像机(13)、编码器(15)和步进电机(16)均与计算机(14)相连；在计算机(14)的控制下，通过步进电机(16)驱动扫描式哈特曼光阑(10)绕光轴旋转，另一方面该计算机(14)接收CCD摄像机(13)输出的图像和编码器(15)给出的扫描式哈特曼光阑(10)的位置信息，并对图像进行数据处理。

2、根据权利要求1所述的多功能光学质量检测装置，其特征在于所述的扫描式哈特曼光阑(10)是在水平径向和垂直径向开有周期排列的小孔，水平方向各小孔之间的间距为c，垂直方向各小孔之间的间距为d，且c＝d，水平方向的第一个小孔与光阑轴心的间距a为垂直方向上第一个小孔与轴心间距b的2倍，两方向的各小孔半径R均相等，且满足关系R＝a/2＝c/2，而且垂直方向的最外侧一个小孔恰好位于扫描式哈特曼光阑(10)的边缘处，在扫描式哈特曼光阑10的中心位置设有一个小孔。

3、根据权利要求1或2所述的多功能光学质量检测装置，其特征是在所述的CCD摄像机(13)之前设有显微镜物镜(12)，所述的CCD摄像机(13)位于显微镜物镜(12)的焦点位置。

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