專利名稱：大口徑光學鏡面Ronchi光柵定量檢測儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于先進光學制造與檢測技術領域，涉及一種光學檢測系統(tǒng)，特別涉及一種大口 徑、大相對口徑、大誤差范圍的光學鏡面檢測系統(tǒng)。
技術背景大型的光學儀器和裝備，無論是空間的還是地面的，近幾年來都呈現(xiàn)日益迫切的需求。 隨著科學技術的不斷發(fā)展，所需光學鏡面的口徑越來越大，對大口徑光學鏡面的制造需要相 應的檢測技術也要求越來越高。對大口徑光學鏡面定量檢測，尤其是對其加工初期較大誤差 的定量檢測仍然是光學加工制造也急需解決的重要難題之一。工藝過程的檢測不同于其他的檢測，它不要求全面，但要有效地指導下一步工藝進行， 檢測一次的時間應盡可能短。應知道主要誤差的大小、主要誤差的正負、主要誤差的位置； 應考慮到每次檢測的操作周期(包括準備、過程、得結論)，力求省時。因此不同的工藝階段， 應當選擇最合理的檢測工具和檢測方法，要考慮到已有的和最有可能得到的檢測工具。在大型光學鏡面加工過程中，現(xiàn)在國內外常用精磨階段的檢測方式主要有三坐標測量儀、 紅外干涉儀等檢測方法。三坐標測量儀是用測頭對整個被測面進行接觸式測量，因此非常費 事、費時，并且精度受測頭、運動機構影響特別大，測量的口徑也受到限制，對大于使用范 圍的鏡面就沒有辦法使用了。紅外干涉儀由于大量采用紅外材料，這些材料不僅制造費用非 常高，而且部分還有毒性；同時，紅外干涉儀在檢測非球面時需要使用補償器，由于要進行 圖像傳輸和數(shù)據(jù)的采集，因此對機械的振動和空氣的擾動也就比價敏感，這樣對使用的環(huán)境 有較高的要求，不利于光學車間的檢驗。1984年，日本的T.YATAGAI利用正弦朗契光柵,根據(jù)幾何光學原理和相位檢測技術,獲得 了非球面波像差的一維分布(YATAGAI T. Fringe scanning Ronchi test for a spherical surfaces[J].Applied Optics，1984,23(20):3676-3679.)。 1988年T.YATAGAI用一般的方波Ronchi 光柵,根據(jù)Ronchi檢驗的物理光學原理,用十步移相法得到了十幅朗契圖,獲得了非球面鏡波像 差的 二 維分布 (YATAGAI T. Phase measuring Ronchi test[J].Applied Optics,1988,27(3):523-528)。日本的T.YATAGAI雖然將Ronchi光柵用于非球面檢驗，但是他 僅局限理性研究和實驗驗證，沒有做出檢測裝置。并且只是適用于小口徑的非球面，也沒有能夠擬合出三維波面。1996年南京的林桂粉等在T.YATAGAI工作的基礎上，通過Zernike多項式擬合算法求得了 光學系統(tǒng)的波像差(林桂粉，陳磊，陳進榜.朗契檢驗相位探測和波面恢復.光子學 報,1996，25(12):1125-1130.)，但是基本原理上就決定了林桂粉等搭建的實驗裝置只是測量透射 系統(tǒng)的波像差，從而無法對大口徑的非球面及射鏡進行測量。1998年，周晨波教授(Ronchi 線條法檢驗大非球面鏡的理論計算.應用光學，1997， 18(5): 8-12)給出了一種用于檢驗大 非球面的Ronchi線條的理論計算方法，他雖然給出計算補償Ronchi光柵的算法，卻沒有進 行波面擬合，從而無法進行定量測量。同年，鐘金剛推導了定量分析朗契圖的四步移相算法, 為朗契檢測法定量進行像質評價提供了一種簡單有效的方法(鐘金剛,凌敢，王鳴，等.用定量分 析朗契圖的四步相移算法.南昌大學學報(工科版)),1998，20(4》97-102),但是他們同林桂粉等人 的基本原理一樣，只是算法改進一下，同樣只適合透射系統(tǒng)的測量，而無法對大口徑的非球 面反射鏡進行測量。綜上所述，盡管國內外理論研究的比較多，但這些都只是做一些基礎性理論研究和驗證 性實驗，沒有形成檢測設備，無法實際使用于光學車間大口徑非球面的檢驗，更不能對現(xiàn)在 的大口徑非球面進行定量檢測。 發(fā)明內容本發(fā)明要解決的技術問題是為有效的彌補三坐標測量儀、紅外干涉儀兩種測量方式的不足，提供一種大口徑光學鏡面Ronchi光iJ定量檢測儀，該裝置制作簡單，成本低廉，遠遠 低于三坐標測量儀、紅外干涉儀的成本；該裝置彌補了三坐標測量儀限制測量口徑的不足，有效地解決了大口徑光學元件在加工過程中的實時定量測量問題，它不僅拓寬了傳統(tǒng)干涉儀 的動態(tài)測量范圍，也為紅外干涉儀等一些新興發(fā)展的大誤差測量方法提供對比依據(jù)，在簡化 了測量過程的同時，也增加其數(shù)據(jù)的可靠性。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案大口徑光學鏡面Ronchi光柵定量檢測儀，其 特征在于包括計算機系統(tǒng)、高精度數(shù)字彩色CCD、大數(shù)值孔徑光纖光源、可更換式Ronchi 光柵，被測光學鏡面，反射鏡；計算機系統(tǒng)與高精度數(shù)字彩色CCD連接，大數(shù)值孔徑光纖光 源發(fā)出的光將可更換式Ronchi光柵投影到待測光學鏡面上，并由待測光學鏡面反射回到可更 換式Ronchi光柵上，這樣反射回的投影與可更換式Ronchi光柵自身發(fā)生疊加而產生陰影圖， 這個陰影圖經過反射鏡反射后通過高精度數(shù)字彩色CCD采集后傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)里，由安裝 在計算機系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)處理軟件把可分辨陰影條紋對應的面形數(shù)據(jù)信息提取出來，從而獲得被測待測光學鏡面的面形信息。4采用光纖輸出端面作為大數(shù)值孔徑光纖光源，其光纖入口處的照度最大值能達500， 0001ux，并采用直流可調式，使用光纖的數(shù)值孔徑為0.22或者0.37。 所述的可更換式Ronchi光柵根據(jù)不同的誤差范圍可以更換。
所采用可更換式Ronchi光柵可以是直條紋的Ronchi光柵，也可以是彎曲條紋的補償 Ronchi光柵。
所述的計算機系統(tǒng)中裝有光柵計算分析軟件和光柵面形分析處理軟件；光柵計算分析軟 件能夠根據(jù)不同的測量要求自動計算所需要使用的Ronchi光柵頻率；光柵面形分析處理軟件 能夠自動繪制光柵圖形，并能根據(jù)探測到的陰影圖計算待測鏡面面形和重建波前。
在測量非球面時，可更換式Ronchi光柵釆用水平方向和垂直方向的補償光柵對，可以不 用更換Ronchi光柵而只移動光柵的位置來實現(xiàn)待測鏡面的精確測量。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于
(1) 本發(fā)明的檢測儀中使用光纖作為光源，不僅發(fā)光點非常小，而且其相對口徑比較大； 通過直流可調式穩(wěn)壓電源，光源的亮度可以調節(jié)，光纖入口處的照度最大值能達500， 0001ux， 光纖的數(shù)值孔徑為0.22或者0.37，能滿足所有現(xiàn)有的大口徑光學鏡面加工檢測的要求；
(2) 本發(fā)明的檢測儀采用一跟裸光纖作為光源，在實際測量中，需要的離焦量非常??；
(3) 本發(fā)明的檢測儀中使用一小的反射棱鏡將反射回的像點與光纖光源點區(qū)分開來，在 滿足光源與像點盡量靠近的同時，又保證CCD采集到了像點，避免了因為使用分光鏡而引入 了像散和能量的損失；
(4) 本發(fā)明的檢測儀采用可更換式Ronchi光柵來檢測光學鏡面形，根據(jù)不同的誤差范 圍來使用不同的Ronchi光柵，解決了傳統(tǒng)的干涉儀無法對大誤差進行精確定量測量的問題；
(5) 本發(fā)明的檢測儀中還對光柵的參數(shù)與可測量誤差范圍進行了研究，編寫了相應的光 柵靈敏度計算分析軟件，在節(jié)約大量硬件資源的同時又實現(xiàn)了對大口徑光學鏡面較高效率檢 測，非常適合大口徑光學鏡面鏡的制造過程檢測；
(6) 本發(fā)明的檢測儀由于采用水平方向和垂直方向的補償光柵對，可以不用更換Ronchi 光柵而只平行移動就可以實^i待測非球面面形的精確測量，大大提高了檢測效率
(7) 本發(fā)明的檢測儀中采用了自行編制的非球面面形分析處理軟件，通過采集到的光柵 陰影圖來分析計算出待測鏡面的一維剖面線、二維等高曲線和面形的波前重建；
(8) 本發(fā)明的檢測儀結構簡單、易于操作，主要適用于大口徑、超大口徑和大相對口徑 的光學鏡面制造過程的面形誤差檢測，且具有比較底的檢測成本和非常高的檢測效率；
(9)本發(fā)明的檢測儀采用的是幾何測量的方法，對光源只要求在空,間上具有相干性，而不許要時間相干性，因而不僅僅普通的白光就可以做光源，而且對環(huán)境的配置要求相當?shù)牡停?br>
非常適合光學生產車間里的光學鏡面檢驗。
圖l為檢測系統(tǒng)構成示意圖中l(wèi)為計算機系統(tǒng)，2為高精度數(shù)字彩色CCD、 3為大數(shù)值孔徑光纖光源、4為可更 換式Ronchi光柵，5為待測光學鏡面，6為反射鏡；
圖2為光柵頻率與測量誤差范圍分析處理軟件界面圖3為計算機軟件繪制的Ronchi光柵與補償光柵，其中彎曲條紋的為補償光柵； 圖4為檢測時光柵分布結構示意圖； 圖5為數(shù)字圖像分析處理軟件操作界面示意圖； 圖6為數(shù)字圖像分析處理軟件的數(shù)據(jù)處理流程圖。
具體實施例方式
下面結合附圖及具體實施方式
詳細介紹本發(fā)明。
如圖1所示，本發(fā)明的大口徑光學鏡面Ronchi光柵定量檢測儀由計算機系統(tǒng)l、高精度 數(shù)字彩色CCD2、大數(shù)值孔徑光纖光源3、可更換式Ronchi光柵4以及反射鏡6構成；計算 機系統(tǒng)1與高精度數(shù)字彩色CCD2連接，大數(shù)值孔徑光纖光源3發(fā)出的光將可更換式Ronchi 光柵4投影到待測光學鏡面5上，并由待測光學鏡面5反射回到可更換式Ronchi光柵4上， 這樣反射回的投影與可更換式Ronchi光柵4自身發(fā)生疊加而產生陰影圖，這個陰影圖經過反 射鏡6反射后通過高精度數(shù)字彩色CCD2采集后傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)1里，由安裝在計算機系 統(tǒng)1上的數(shù)據(jù)處理軟件把可分辨陰影條紋對應的面形數(shù)據(jù)信息提取出來，從而獲得被測待測 光學鏡面5的面形信息。
其中，計算機系統(tǒng)1中安裝有兩個軟件光柵靈敏度計算分析軟件和非球面面形圖像分 析處理軟件。在對待測光學鏡面5的實際測量中，本檢測系統(tǒng)中除計算機系統(tǒng)1外，其余的 都可以放置在一個二維平移臺上面，以便于系統(tǒng)的調整和移動，高精度數(shù)字彩色CCD2通過 視頻傳輸線與計算機中圖像采集卡相連，用于光柵陰影圖的采集；所采用的可更換式Ronchi 光柵4根據(jù)不同的誤差范圍可以更換，且可更換式Ronchi光柵4可以是直條紋的Ronchi光 柵，也可以是彎曲條紋的補償Ronchi光柵；在測量非球面時，使用的可更換式光柵4為水平 方向和垂直方向的補償光柵對，可以不用更換Ronchi光柵而只移動光柵的位置來實現(xiàn)待測光 學鏡面5的精確測量。
本發(fā)明檢測儀的工作過程及檢測步驟如下第一步如圖r所示，先擬訂檢測系統(tǒng)的空間光路安排，根據(jù)待測光學鏡面5的鏡面方程， 估計加工殘差；
第二步根據(jù)上面估計的加工殘差，選擇合適的Ronchi光柵4;為了實現(xiàn)這一步，在計算 機系統(tǒng)l中編制了一個光柵的靈敏度分析軟件，這個軟件的界面如圖2所示，只要在輸入相應 的參數(shù)，這個軟件就能自動計算出其誤差測量的范圍。顯然，只要上面估計的加工殘差屬于 這個測量的范圍內，則該光柵就能滿足測量的要求，否則就重新輸入相應的參數(shù)，再次計算， 直到滿足要求。
光柵靈敏度計算分析軟件是一個為了研究等間距直線條光柵的周期及其他相關參數(shù)的 變化對大非球面鏡朗奇檢驗法的影響而專門編寫的軟件。檢驗靈敏度是指為一個光柵周期所 能檢測到的鏡面偏差大小能力；主要是利用光線追跡法研究討論了鏡面偏差與朗奇光柵周期 之間的關系，并以此推導出檢驗靈敏度公式，利用這些公式就可以計算非球面鏡的朗奇檢測 靈敏度，分析結果表明了如果給定鏡子的規(guī)格參數(shù)及檢驗光路，朗奇檢驗靈敏度分別隨著光 柵周期間隔和半通光口徑的變大而減小。
第三步在計算機系統(tǒng)l中編制了非球面面形圖像分析處理軟件，如圖5所示。圖5是自行 編制的這個非球面面形圖像分析處理軟件的界面，這個軟件具有兩大功能<1)根據(jù)輸入的 相關參數(shù)計算和繪制標準Ronchi光柵圖或者補償光柵條紋圖，這些光柵的參數(shù)是由上面第二 步中計算出來的。(2)根據(jù)采集到Ronchi陰影圖，通過Zernike多項式進行波面擬合，根據(jù)條 紋的變形計算出被測非球面的面形誤差。非球面面形圖像分析處理軟件根據(jù)輸入的參數(shù)，自 動計算和繪制出光柵條紋，如圖3所示。如果光柵的刻劃精度很高或者是由于測量的誤差是比 較大而光柵的制造誤差相比較而言可以忽略不記，則計算機生成的光柵條紋就可以作為標準 條紋，否則，需要將刻劃后光柵條紋通過CCD成像后保存到計算機里作為標準條紋。
大口徑非球面Ronchi光柵檢測技術的圖像處理軟件是實現(xiàn)定量測量的必要手段。其主要 特點有(1)根據(jù)大口徑非球面的鏡面方程或者基本參數(shù)，能夠計算和繪制出Ronchi補償光 柵；(2)能夠根據(jù)探測到的Ronchi光柵陰影圖擬合出被測非球面的波面，重建波前；(3)根 據(jù)擬合的波面，能夠計算出被測非球面的面形誤差，能夠繪制出一維曲線、二維等高線以及 被測面形的PV值和RMS值。其操作界面如圖5所示，而其處理主要流程如圖6所示，其基 本原理就是根據(jù)X方向和Y方向上的檢測到條紋與標準條紋的偏差，通過Zemike多項式擬 合來重構三維波像差，從而實現(xiàn)非球面面形的定量檢測。其主要處理步驟為首先讀入采集 到的Ronchi光柵陰影圖，然后對陰影圖進行預先處理，并將圖形轉換成灰度矩陣，之后將條 紋變?yōu)榫€條，然后分別對比x， y方向的理想Ronchi圖與模擬Ronchi圖的偏差，分別擬合和重構x方向與y方向的波像差，最后進行繪出被測波面的三維圖，重建波前。
第四步根據(jù)上面的光柵條紋圖，刻畫光柵。
第五步將刻劃后的光柵放置于檢測儀(圖l)中相應的位置。最好一個模板刻劃至少兩個光柵，這樣可以分別采集兩個方向上的面形信息?；蛘咭淮问褂脙蓚€不同頻率的光柵，以便即使在誤差變化非常大的情況下，依然能夠精確的定性測量出面形的誤差。
第六步將待測光學鏡面5置于本發(fā)明系統(tǒng)中進行面形的檢測，測量的光路圖如圖l所示。為了確保光柵的投影能夠充滿待測鏡面5的全口徑，最好在光柵刻劃的時候在光柵條紋的外圍加刻一個圓。當這個圓的口徑剛好充滿待測鏡面5的口徑時，表明光柵是正確的位置。調整檢測儀的左右位置，直至能夠在計算機上觀察到完整的光柵陰影圖。為了提高精度，可以在同一位置多采集幾副陰影圖。
第七步調節(jié)光柵移動位置的小手輪，如圖4所示，換另一個光柵進行光柵陰影圖的采集。
第八步數(shù)字圖像處理，進行面形誤差分析。首先根據(jù)鏡面方程計算光柵參數(shù)。檢測過程結束后，數(shù)據(jù)處理軟件將采集到的光柵陰影圖像先轉化為數(shù)字灰度矩陣，然后通過與標準的光柵圖像做比較，從而得出待測鏡面的面形誤差，并計算通常的面形誤差評價參數(shù)峰谷值(PV)和均方根(RMS)值，最后給出被測鏡面面形誤差波前信息，圖6是非球面面形圖
像分析處理軟件的數(shù)據(jù)處理流程圖。
權利要求
1、大口徑光學鏡面Ronchi光柵定量檢測儀，其特征在于包括計算機系統(tǒng)(1)、高精度數(shù)字彩色CCD(2)、大數(shù)值孔徑光纖光源(3)、可更換式Ronchi光柵(4)，被測光學鏡面(5)，反射鏡(6)；計算機系統(tǒng)(1)與高精度數(shù)字彩色CCD(2)連接，大數(shù)值孔徑光纖光源(3)發(fā)出的光將可更換式Ronchi光柵(4)投影到待測光學鏡面(5)上，并由待測光學鏡面(5)反射回到可更換式Ronchi光柵(4)上，這樣反射回的投影與可更換式Ronchi光柵(4)自身發(fā)生疊加而產生陰影圖，這個陰影圖經過反射鏡(6)反射后通過高精度數(shù)字彩色CCD(2)采集后傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)(1)里，由安裝在計算機系統(tǒng)(1)上的數(shù)據(jù)處理軟件把可分辨陰影條紋對應的面形數(shù)據(jù)信息提取出來，從而獲得被測待測光學鏡面(5)的面形信息。
2、 根據(jù)權利要求1所述的大口徑光學鏡面Ronchi光柵定量檢測儀，其特征在于所述 的大數(shù)值孔徑光纖光源(3)采用光纖輸出端面，其光纖入口處的照度最大值能達500， 00 Olux， 并采用直流可調式，使用光纖的數(shù)值孔徑為0.22或者0.37。
3、 根據(jù)權利要求1所述的大口徑光學鏡面Ronchi光柵定量檢測儀，其特征在于所述 的可更換式Ronchi光柵(4)根據(jù)不同的誤差范圍可以更換。
4、 根據(jù)權利要求3所述的可更換式Ronchi光柵(4),其特征在于所述的可更換式Ronchi 光柵(4)可以是直條紋的Ronchi光柵，也可以是彎曲條紋的補償Ronchi光柵。
5、 根據(jù)權利要求1所述的大口徑光學鏡面Ronchi光柵定量檢測儀，其特征在于所述 的計算機系統(tǒng)(1)中裝有光柵靈敏度計算分析軟件和非球面面形分析處理軟件；光柵靈敏度 計算分析軟件能夠根據(jù)不同的測量要求自動計算所需要使用的Ronchi光柵頻率；非球面面形 圖像分析處理軟件能夠自動繪制光柵圖形，并能根據(jù)探測到的陰影圖.計算待測鏡面面形和重 建波前。
6、 根據(jù)權利要求1所述的大口徑光學鏡面Ronchi光柵定量檢測儀，其特征在于在測 量非球面時，可更換式Ronchi光柵(4)采用水平方向和垂直方向的補償光柵對，可以不用 更換Ronchi光柵而只移動光柵的位置來實現(xiàn)待測光學鏡面(5)的精確測量。
全文摘要
大口徑光學鏡面Ronchi光柵定量檢測儀，包括計算機系統(tǒng)、高精度數(shù)字彩色CCD、大數(shù)值孔徑光纖光源、可更換式Ronchi光柵，反射鏡；計算機系統(tǒng)與高精度數(shù)字彩色CCD連接，大數(shù)值孔徑光纖光源發(fā)出的光將可更換式Ronchi光柵投影到待測光學鏡面上，并被反射回到可更換式Ronchi光柵上，反射回的投影與可更換式Ronchi光柵自身發(fā)生疊加產生陰影圖，此陰影圖經過反射鏡反射后通過高精度數(shù)字彩色CCD采集后傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)里，由安裝在計算機系統(tǒng)上的數(shù)據(jù)處理軟件把可分辨陰影條紋對應的面形數(shù)據(jù)信息提取出來，從而獲得被測待測光學鏡面的面形信息。本發(fā)明為大口徑光學鏡面的研制提供了一種非常有效的低成本檢測裝置，在大誤差的定性測量方面有非常顯著的優(yōu)勢，具有較大的應用價值。
文檔編號G01B11/24GK101504276SQ200910079380
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月9日 優(yōu)先權日2009年3月9日
發(fā)明者凡 伍, 雷柏平 申請人:中國科學院光電技術研究所