CN2748898Y - 二维扫描型光学质量检测装置 - Google Patents

Abstract

一种用于透镜光学质量检测的二维扫描型光学质量检测装置，由照明系统、光束扫描机构、被检透镜、图像接受系统以及系统控制与数据处理软件组成，其特征在于：所述的照明系统是一输出光束口径可调的准直光源；所述的光束扫描机构由圆形屏、第一步进电机、一维电动调整架和支架组成；所述的图像接受系统包括CCD摄像机、导轨、第二步进电机、支架和计算机，所述的计算机与第一步进电机、第二步进电机、第三步进电机和CCD摄像机通过信号线相连。本实用新型能对被检透镜进行全面检测，可以得到被检透镜的局部误差。采样光束口径大小可以随意调节。检测波长可变。减小了照明系统的设计与加工难度，提高了检测的效率，实现了哈特曼光阑检测法的智能化和数字化。

Description

二维扫描型光学质量检测装置

技术领域

本实用新型涉及光学元件质量的检测，尤其涉及一种二维扫描型光学质量检测装置。

背景技术

哈特曼检测法是通过被检透镜的会聚光束偏离同心程度来确定被检透镜质量的定量检测方法。其主要部件是一个不透明的哈特曼光阑，利用光阑上不同位置的小孔对检测光束进行分割，以得到照射在被检透镜不同区域的子光束会聚点位置的差异。传统的哈特曼检测装置结构如图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的前焦点处，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上并被哈特曼光阑5分割成许多子光束射向被检透镜6。利用照相方法在位置7和8处测量子光束中心与光轴的距离，最后通过分析得到被检透镜6的像差信息。在先技术中，哈特曼光阑5上的小孔分布是非连续的，根据小孔的分布形式，哈特曼光阑可以分为径向式、螺旋式和矩形列阵式等多种类型。其中矩形列阵式哈特曼光阑结构如图2所示，该光阑上的小孔位于与两坐标轴分别平行的许多等间隔直线的交点处。

上述在先技术的缺点是：

1、无法测量局部误差。由于光阑上分布的小孔是非连续的，使被检透镜表面上有些区域不能被采样到。

2、非连续性的采样，给计算带来误差。在计算波像差时一般采用梯形积分来代替连续积分，即 $w_x=\frac{1}{2\mathrm{f\λ}}\underset{0}{\overset{x}{\∫}}\mathrm{\Δ}\left(x\right)\mathrm{dx}=\underset{x=0}{\overset{x}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\mathrm{\Δ}\left(x\right)d}{2\mathrm{f\λ}}$ (其中w_x为由X方向积分得到的波前，d为X方向上相邻两孔之间的距离)。由于哈特曼光阑是固定的，当被检透镜口径较小时，小孔间隔d就相对较大，由梯形法则代替连续积分所引起的误差就不容忽视。

3、哈特曼光阑上小孔的大小不可调，测量灵活性差。小孔的大小即采样子光束口径的大小需要与被检透镜的焦距和数值孔径相匹配，才能得到较好的检测结果。所以在先技术为了检测不同参数的被测透镜，就必须设计与之相应的哈特曼光阑，导致测量灵活性差。

4、对平行光管有很高的要求。该装置要求照射在光阑上的光束为大口径高质量的平行光束，且其口径必须大于或等于被检透镜的口径，这就对平行光管提出了极高的设计和加工要求，提高了仪器的造价。

5、检测光的波长是唯一的。由于大口径平行光管的复杂性，更换检测光源几乎不可能，因此就不能用被检透镜的工作波长对其进行检测，导致检测结果不直接。

发明内容：

本实用新型的目的在于克服上述在先技术的缺点，提供一种新的二维扫描型光学质量检测装置，以提高检测的精度和效率。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种用于透镜光学质量检测的二维扫描型光学质量检测装置，由照明系统、光束扫描机构、被检透镜、图像接受系统以及系统控制与数据处理软件组成，其特征在于：

所述的照明系统是一输出光束口径可调的准直光源；

所述的光束扫描机构由圆形屏、第一步进电机、一维电动调整架和支架组成，该圆形屏安放在一支架上，该支架的一方固定该第一步进电机，第一步进电机驱动该圆形屏绕其轴旋转，该一维电动调整架的两导轨沿径向固定在该圆形屏上，该导轨上设置一滑块，该滑块上承载所述的照明系统，所述滑块受第三步进电机驱动在导轨上移动；

所述的图像接受系统包括CCD摄像机、导轨、第二步进电机、支架和计算机，所述的CCD摄像机通过支架置于导轨上，该导轨的方向与被检透镜的光轴平行，CCD摄像机光轴与被检透镜光轴和圆形屏的转轴三者同轴，所述的计算机与第一步进电机、第二步进电机、第三步进电机和CCD摄像机通过信号线相连。

所述的圆形屏最好是有一径向空槽，该一维电动调整架的两导轨沿该空槽固定在该圆形屏上，该导轨上设置一滑块，该滑块上载有所述的照明系统并使其恰好位于该空槽内，所述的径向空槽是一过该圆形屏轴心的空槽。

所述的被检透镜在照明系统的光束前进方向，其光轴与圆形屏的转轴同轴。

二维扫描型光学质量检测装置，照明系统安装在光束扫描机构上，其出射光束口径大小与在先技术中小孔的口径相当；光束扫描机构能绕轴转动，其转轴与被检透镜的光轴重合；被检透镜对光束具有会聚作用；图像接收系统在像方的不同位置采集光斑图像；系统控制与数据处理软件能控制照明系统沿被检透镜的径向移动，控制光束扫描机构绕光轴转动，以及处理光斑图像数据。

1、所述的照明系统用于提供采样光束，由光源、准直透镜组、扩束镜组和可变光阑组成。光源产生的光束经过准直透镜的准直、扩束镜组的扩束以及可变光阑对光束口径的调节后，成为高质量的平行光束。

2、所述的光束扫描机构由圆形屏、一维调整架和第一步进电机组成。照明系统被安装在一维调整架上，一维调整架沿圆形屏径向安装在圆形屏上，一维调整架可以使照明系统沿圆形屏径向移动，步进电机可以驱动圆形屏绕转轴转动。这种机构可以用来实现对被检透镜整个通光口径的二维扫描采样，其中二维扫描指半径与圆周两个方向相结合的扫描方式。首先调整一维调整架使照明系统离圆形屏转轴中心一定距离处，然后步进电机驱动圆形屏转动一圈，这样就完成对被检透镜一个环带的检测。一维调整架与步进电机以上述方式配合就实现了对被检透镜任意位置的采样。

3、图像接收系统包括CCD摄像机、步进电机、计算机等组成。其中CCD摄像机用于采集像方空间的光斑图像，并把图像传递给计算机，由软件对图像进行处理。初始化条件下，CCD摄像机以小的离焦量位于焦后。系统开始工作时，照明系统沿被检透镜的径向移动与光束扫描机构的转动相结合完成对被检透镜整个通光口径的采样，同时CCD摄像机记录下这些图像；然后CCD摄像机在步进电机的驱动下沿轴向着被检透镜移动一定距离，再对被检透镜进行全口径采样；重复上述步骤，直到CCD摄像机在几个位置完成采集为止。在整个检测过程中CCD摄像机对图像的采集、光束扫描机构的旋转及照明系统的径向移动都受系统软件的控制，保证了CCD摄像机采集到的光斑信息与被检透镜采样点一一对应。

4、系统控制与数据处理软件用于控制照明系统沿被检透镜径向的移动、光束扫描机构的转动、采样光束在像方的光斑图像的采集、CCD摄像机轴向位置的精密移动以及检测结果的处理。

本实用新型与在先技术相比具有下列优点：

1、本实用新型最显著的特点是采用细光束扫描机构，代替了传统哈特曼检测装置中的大口径高质量平行光管和小孔排列结构固定的哈特曼光阑。

2、能对被检透镜进行全面检测。连续采样使得被检透镜的每个区域都能被检测到，可以得到透镜的局部误差。

3、减少了计算中带来的误差。可以根据被检透镜的不同口径设置照明系统沿被检透镜径向的单步移动量，以使装置对不同的被检透镜都能得到较高的采样频率，使计算时由梯形法则积分代替连续积分引起的误差可以忽略。

4、采样光束口径大小可以随意调节。可以根据被检透镜的焦距及数值孔径调节照明系统的可变光阑，以得到较合适的采样光束的口径。

5、检测波长可变。可以通过更换不同波长的光源，实现对在被检透镜的工作波长下对其进行检测，使检测结果直接、实用。

6、减小了照明系统的设计与加工难度，因为本实用新型采用小孔径准直平行光束代替传统的大口径高质量平行光束。

7、提高了检测的效率，实现了哈特曼光阑检测法的智能化和数字化。

附图说明：

图1是在先技术哈特曼检测装置结构示意图。

图2是在先技术采用的哈特曼光阑结构示意图。

图3是本实用新型二维扫描型光学质量检测装置的结构示意图。

图4是本实用新型采用的照明系统结构示意图。

图5是本实用新型采用的光束扫描机构结构示意图。

图6是本实用新型采用的系统控制与数据处理软件流程图。

具体实施方式：

先请参阅图3，图3是本实用新型二维扫描型光学质量检测装置具体实施例的结构示意图。由图可以看出，本实用新型由照明系统9、光束扫描机构10、被检透镜11、图像接收系统12和系统控制与数据处理软件组成。所述的照明系统9固定在光束扫描机构10中的一维电动调整架103上，一维电动调整架103受计算机125控制。所述的光束扫描机构10安装在支架104上，支架104的一方固定有一个受计算机125控制的第一步进电机102，光束扫描机构10能在第一步进电机102的驱动下绕被检透镜11的光轴转动；所述的被检透镜11对光束具有会聚作用。所述的图像接收系统12中的CCD摄像机121通过支架置于导轨122上，导轨122移动方向与被检透镜11的光轴平行，与计算机125相连的第二步进电机123用于控制CCD摄像机121沿光轴移动。CCD摄像机121的靶面与光轴垂直，而且通过信号线与计算机125相连，能够将接收到的光斑图像传递给计算机125。所述的系统控制与数据处理软件安装在计算机125上，用于控制照明系统9沿被检透镜11的径向移动、光束扫描机构10绕光轴的转动，CCD摄像机121沿光轴的移动，处理光斑图像以及计算被检透镜的性能参数。

本实用新型的照明系统9用于产生平行光束，其结构如图4所示，由半导体激光器91、准直透镜组92、扩束镜组93和可变光阑94组成。所述的半导体激光器91产生的光束具有一定的发散角且垂直方向和水平方向发散角不同。所述的准直透镜组92由一个负透镜和一个正透镜组成，用于将发散光束变为平行光束。所述的扩束镜组93由聚焦镜931和准直镜932组成，用于扩大平行光束的口径并减小其发散角，其中聚焦镜931的像方焦点与准直镜932的物方焦点重合，光束口径扩大倍数等于准直镜932焦距与聚焦镜931焦距之比。所述的可变光阑94用于调节出射光束的口径大小，其口径连续可变。本照明系统工作过程是：半导体激光器91发出的发散光束被准直透镜组92准直后变为高质量的平行光束，该平行光束经过扩束镜组93的扩束以及可变光阑94限定口径后，以一定口径出射。

光束扫描机构10是本实用新型最重要的部件，用来实现对被检透镜11整个口径的二维连续扫描采样，其结构如图5所示，由圆形屏101、第一步进电机102、一维电动调整架103和支架104组成。所述的圆形屏101有一个通过轴心的径向空槽，其余部分均被涂黑，并且在光束扫描机构10的转轴中心处刻有一个白色竖线作为标记。所述的第一步进电机102受系统软件控制，用于驱动光束扫描机构10绕转轴转动。所述的一维电动调整架103包括导轨1031、载有照明系统的滑块1032和第三步进电机1033。导轨1031沿着空槽固定在圆形屏101上，以使照明系统9刚好位于该空槽内。在滑块1032的一侧刻有一个竖形标记，若该标记与圆形屏上的标记重合，则说明此时照明系统出射的光束中心光线与转轴重合。这种机构可以用来实现对被检透镜整个通光口径的二维扫描采样，其中二维扫描指半径与圆周两个方向相结合的扫描方式。首先系统软件控制一维电动调整架使照明系统移动到离转轴中心一定距离处，然后第一步进电机102驱动光束扫描机构10转动一圈，这样就完成对被检透镜一个环带的采样。一维电动调整架103使照明系统9沿径向的移动与光束扫描机构的转动以上述方式相配合，就能实现对被检透镜11任意位置的采样。为了实现上述功能本机构在装调时需要满足以下条件：光束扫描机构10的转轴要与被检透镜11的光轴重合、圆形屏101要与被检透镜11的光轴垂直、空槽要过光束扫描机构10的转轴中心、采样光束中心光线能够与光束扫描机构10的转轴重合，这样就保证了当光束扫描机构转动时检测的为被检透镜的同一环带。

本实用新型的图像接收系统12由CCD摄像机121、与光轴平行的导轨122、第二步进电机123、支架124以及计算机125组成。CCD摄像机121通过支架124置于导轨122上，在支架124下方安装有步进电机123，CCD摄像机121能够在第二步进电机123驱动下沿导轨122运动。导轨122与光轴的平行保证了CCD摄像机121移动方向与光轴重合，第二步进电机驱动CCD摄像机121移动，使接收面之间的距离能够精确测定，提高了后继计算的精度。检测过程中CCD摄像机121采集光斑图像并把它传递给计算机125，由系统软件对图像进行初步处理得到光束中心光线交在CCD摄像机靶面上的坐标值。当被检透镜11全口径检测完成后，第二步进电机123驱动CCD摄像机121沿光轴移动一段距离，重新对被检透镜11全口径进行采样。重复上述过程直到CCD摄像机121已经在几个位置完成了图像的采集。

本实用新型的系统控制与数据处理软件的流程如图6所示，系统开始工作前的初始条件为：圆形屏101、及CCD摄像机121的靶面都与被检透镜11的光轴垂直，光束扫描机构10的转轴中心与被检透镜11的光轴重合，CCD摄像机121的靶面位于理想焦面后方一定距离处，照明系统9出射光束的光轴与光束扫描机构10的转轴重合。系统对被检透镜11的检验过程如下所述：

(1)软件控制光束扫描机构10绕其轴转动θ角，从照明系统9出射的小口径平行光束投射在被检透镜11的某一区域，经被检透镜11会聚后射向CCD摄像机121，CCD摄像机121将接收到的光斑图像传递给计算机125，软件对图像进行处理，得到采样光束的中心光线交到靶面上的位置坐标(x₁，y₁，z₁)(该坐标系的XOY面是以CCD摄像机121靶面左上角第一个像素作为坐标原点，以垂直纸面向外为X轴正向以在纸面内竖直向下为Y轴正向，以像素为单位，该坐标系的Z轴与光轴平行，以CCD摄像机121初始位置为零点，沿光路行径方向为正向)；

(2)重复步骤(1)，直到光束扫描机构10刚好已经转动一圈；

(3)软件控制第二步进电机使照明系统沿被检透镜11径向移动一定距离，重复步骤(1)和(2)。

(4)当被检透镜11的整个通光口径都被采样过后，软件控制CCD摄像机121向着光路的反方向轴向移动一段距离，重复步骤(1)、(2)、(3)；

(5)重复上述步骤，当CCD摄像机121已经被移动4次时，系统采样过程结束。此时检测被检透镜11同一位置的采样光束已经在像方的5个位置被CCD摄像机121采集下来，同时软件对其处理，得到采样光束中心光线分别在这5个位置与CCD摄像机121的靶面相交的坐标，分别记为被检测时采样光束中心光线与靶面的交点坐标分别记为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)、(x₃，y₃，z₃)、(x₄，y₄，z₄)、(x₅，y₅，z₅)。

最后计算机通过软件开始进行数值计算以得到被检透镜11的一些质量评价参数。数值计算过程如下：首先将CCD摄像机121在位置Z₁时，装置对被检透镜11某个环带采样时得到的一些坐标值用最小二乘法进行圆拟和，得到拟和圆半径R₁，记为(R₁，Z₁)，然后将CCD摄像机021在其他4个位置时，装置对被检透镜11同一环带采样时得到的坐标值进行拟和，结果记为(R₂，Z₂)、(R₃，Z₃)、(R₄，Z₄)和(R₅，Z₅)。对这5个点用最小二乘法进行直线拟和得到直线方程Z＝f(R)，令R＝0，解方程得Z₀，Z₀与理想焦面位置差值便是该环带的平均纵向球差。用同样的方法可以得到被检透镜11任意环带的平均纵向球差δL′。最后环带平均波像差可由公式 $w_h=\underset{0}{\overset{h}{\mathrm{\Σ}}}\frac{-\mathrm{\δ}{L}^{\′}\·h}{f^{\′2}}\·\mathrm{\Δh}$ 算得，其中f’为被检透镜11的理想像方焦距，h为环带离透镜中心的距离，Δh为相邻环带之间的距离。

图3是本实用新型的一个实施例，其具体结构参数叙述如下：

照明系统9中半导体激光器91的波长为1.06μm，光束发散角垂直方向为40°，水平方向为10°。准直透镜组92由一个正透镜和一个负透镜组成，出射的高质量平行光束的口径是Φ2mm。扩束镜组903中的准直透镜932与聚焦镜931的焦距之比为5，则通过扩束镜组后光束口径被放大5倍，变为Φ10mm。可变光阑94的口径是连续可调的，最大口径为Φ15mm，根据被检透镜的参数，我们调节可变光阑使出射光束的口径为Ф6mm。光束扫描机构10的圆形屏101口径为Φ400mm，其上的空槽宽20mm，长420mm，空槽的轴线过光束扫描机构10的转轴中心。第一步进电机102为四相线混合式步进电机，驱动光束扫描机构10每次转动0.9°或者根据测量需要每次转动0.9°的整数倍。一维电动调整架103行程为400mm，采样过程中一维电动调整架103每次驱动照明系统9移动2mm(可以根据需要得到的检测精度自行设定)。被检透镜11的通光口径为Φ300mm，焦距为900mm，工作波长为1.06μm。CCD摄像机121为1/3″黑白CCD摄像机，像素尺寸为6.5μm ×6.3μm。第二步进电机123驱动CCD摄像机121每次轴向移动距离为1mm。系统控制与数据处理软件用VC++语言编写，安装在计算机125上，其通过计算机上的图像采集卡对CCD摄像机121进行控制，通过计算机125上的并行口对装置中的步进电机发出时序脉冲进行控制。

Claims (3)

1、一种用于透镜光学质量检测的二维扫描型光学质量检测装置，由照明系统(9)、光束扫描机构(10)、被检透镜(11)、图像接受系统(12)以及系统控制与数据处理软件组成，其特征在于：

所述的照明系统(9)是一输出光束口径可调的准直光源；

所述的光束扫描机构(10)由圆形屏(101)、第一步进电机(102)、一维电动调整架(103)和支架(104)组成，该圆形屏(101)安放在一支架(104)上，该支架(104)的一方固定该第一步进电机(102)，第一步进电机(102)驱动该圆形屏(101)绕其轴旋转，该一维电动调整架(103)的两导轨(1031)沿径向固定在该圆形屏(101)上，该导轨(1031)上设置一滑块(1032)，该滑块(1032)上承载所述的照明系统(9)，所述滑块(1032)受第三步进电机(1033)驱动在导轨(1031)上移动；

所述的图像接受系统(12)包括CCD摄像机(121)、导轨(122)、第二步进电机(123)、支架(124)和计算机(125)，所述的CCD摄像机(121)通过支架(124)置于导轨(122)上，该导轨(122)的方向与被检透镜(11)的光轴平行，CCD摄像机(121)光轴与被检透镜(11)光轴和圆形屏(101)的转轴三者同轴，所述的计算机(125)与第一步进电机(102)、第二步进电机(123)、第三步进电机(1033)和CCD摄像机(121)通过信号线相连。

2.根据权利要求1所述的二维扫描型光学质量检测装置，其特征在于所述的圆形屏(101)有一径向空槽，该一维电动调整架(103)的两导轨(1031)沿该空槽固定在该圆形屏(101)上，该导轨(1031)上设置一滑块(1032)，该滑块(1032)上载有所述的照明系统(9)并使其恰好位于该空槽内，所述的径向空槽是一过该圆形屏(101)轴心的空槽。

3.根据权利要求1所述的二维扫描型光学质量检测装置，其特征在于所述的被检透镜(11)在照明系统(9)的光束前进方向，其光轴与圆形屏(101)的转轴同轴。

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