專利名稱：一種大口徑非球面朗奇檢測方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種光學檢測技術(shù)，特別是涉及旋轉(zhuǎn)對稱的大口徑非球面鏡在細磨和初拋光階段的檢測，屬于先進光學制造與檢測技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
非球面鏡具有增加光學設計的自由度、簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、減輕重量、以及改善光學系統(tǒng)的像質(zhì)等優(yōu)點。隨著先進光學制造技術(shù)的發(fā)展以及對成像質(zhì)量要求的提高，非球面鏡正在廣泛地應用于空間通訊、天體觀察、軍事及民用工業(yè)中。然而，相對于球面鏡而言，非球面鏡的制造要困難得多，這對其加工和檢測技術(shù)提出了更高的要求。目前，非球面鏡的檢測技術(shù)主要有面形輪廓法、零位補償法和朗奇檢驗法等。三坐標測量儀是面形輪廓法中的一種檢測儀器，它采用測量頭直接作用在非球面鏡表面上，直接測出非球面鏡表面各點的三維坐標值，這種測量方法精度高，但是測量頭容易損傷被測鏡表面，測量效率較低，而且測量的口徑也受到限制。零位補償法需要在檢測系統(tǒng)中放置補償器，以補償被測非球面產(chǎn)生的球差。其原理是干涉儀發(fā)出的各光線經(jīng)過補償系統(tǒng)后沿非球面的法線入射到非球面上，被鏡面反射后沿原路返回，與參考波進行干涉。如果補償后的波前與參考波前完全匹配，那么干涉條紋就是直條紋，否則，干涉條紋為彎曲條紋，條紋的彎曲程度反映了被測非球面相對其理想面形的偏差。雖然零位檢測法的精度很高，但是對于每一種類型非球面鏡必須專門設計和制作相應的補償器，缺乏通用性，而且補償器的制作、檢測和裝配精度將直接影響檢測結(jié)果。朗奇法既可定性也可以定量地檢測非球面鏡的面形。它主要是根據(jù)實際條紋相對其理想條紋的變形來計算被測鏡面相對其理想面形偏差。按照光柵上條紋是否彎曲朗奇檢測法可以分為標準朗奇檢測法和零朗奇檢測法。利用標準朗奇法檢測鏡面時，理想條紋是彎曲的，而用零朗奇法檢測鏡面時，理想條紋是直的。因此，零朗奇檢測法使技術(shù)人員更容易依據(jù)條紋的彎曲程度來定性判斷被測鏡面的偏差。另外，零朗奇檢測法還可以避免衍射效應引起的條紋擴散，從而提高了檢測精度。然而，傳統(tǒng)的零朗奇檢測法有一些缺陷，1)它不能提供足夠的測量數(shù)據(jù)，這主要是因為得不到各條紋之間區(qū)域的信息；2)同軸檢測形成的疊柵條紋圖會給測量結(jié)果帶來誤差；3)傳統(tǒng)的補償光柵上各個帶的邊緣有鋸齒形狀；4) 檢測不同的鏡面時，必須專門制作相應的補償光柵，給實際檢測帶來不便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提出一種使用離軸點光源的大口徑非球面朗奇檢測方法。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對大口徑非球面的非接觸全場檢測，它可以避免同軸朗奇檢測方法中疊柵條紋圖給測量結(jié)果帶來的誤差，消除補償光柵上每個條紋帶邊緣的鋸齒形狀，獲得鏡面上足夠多的待測點信息，無需為每一種類型的非球面鏡專門制作相應的補償光柵。本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案來實現(xiàn)的
3檢測裝置主要由被測鏡面、光纖、光纖照明光源、CXD攝像機、透射液晶顯示屏及計算機組成。其中透射液晶顯示屏用于顯示垂直和水平兩個方向的補償正弦光柵，并作為相移裝置，垂直于被測鏡面的光軸放置。補償正弦光柵上的彎曲條紋是根據(jù)理想面形上給定的直正弦條紋的相位信息和光線追跡設計的，選用正弦條紋是因為它上面的每一點都有相位， 那么設計的補償光柵上每一點也都帶有相位。對于不同位置的補償光柵，彎曲條紋的形狀不同，因此必須對某一給定的位置設計相應的補償光柵。由于非球面性的補償嚴重地依賴于補償光柵設計的位置，因此必須將補償光柵精確地放置在設計時所設定的位置。為此，在顯示光柵的屏上顯示一個環(huán)形的標記，使該標記與被測鏡面邊緣在屏上的投影重合，來確保補償正弦光柵放在設計的位置。檢測前需要標定攝像機內(nèi)、外參數(shù)。首先用相位標靶和傅里葉條紋分析技術(shù)標定攝像機內(nèi)參數(shù)，然后在鏡面中心放置一面垂直與光軸的棋盤格標定靶，標定攝像機外參數(shù)。 在檢測過程中，光纖照明光源發(fā)出的光經(jīng)過單模光纖傳輸?shù)奖粶y鏡面頂點曲率中心的一側(cè)，形成點光源，為了確保全口徑測量，光纖的相對口徑必須不小于被測鏡面的相對口徑， 亮度由直流調(diào)壓光纖照明光源控制。這個點光源照明整個被測鏡面，由調(diào)焦在鏡面上的攝像機透過補償光柵記錄攜帶鏡面偏差信息的相移條紋圖。通過相移技術(shù)以及相應的相位展開技術(shù)可以計算出采集條紋圖的連續(xù)相位分布0，這個相位稱為相對相位。檢測過程中，將一個標記編碼在補償光柵上，以這個標記作為參考，將相對相位轉(zhuǎn)化為絕對相位。為了重建被測面形，首先通過找攝像機的每個像素點在光柵上和棋盤格標定靶上的同名點來確定被測鏡面的實際橫向像差以及過光柵上每一點的實際反射光線，接著由光線追跡得到實際反射光線與理想面形的交點對應的理想橫向像差，然后基于朗奇檢測的幾何原理得到被測鏡面相對于其理想面形的偏差梯度，對其積分獲得被測鏡面的偏差，進而重建被測鏡面的三維面形。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點
1.本發(fā)明是非接觸的全場檢測，與三坐標測量儀和干涉儀相比，該檢測結(jié)構(gòu)簡單，操作方便快捷，所需器件容易制造、價格相對低廉。2.本發(fā)明將采用透射液晶顯示屏生成補償正弦光柵，可以方便地改變補償光柵的條紋數(shù)和方向，精密地控制光柵的相移，避免了測量不同類型的鏡面時多次刻畫補償光柵的麻煩。3.本發(fā)明與傳統(tǒng)的零朗奇檢測法相比，可以消除補償光柵上每個條紋帶邊緣的鋸齒形狀，而且可以獲得鏡面上足夠多的待測點信息。4.本發(fā)明使用一個離軸點光源避免了同軸朗奇檢測法中疊柵條紋圖對檢測造成的誤差。


圖1本發(fā)明所述檢測方法的裝置示意圖。圖2本發(fā)明中補償正弦光柵的設計示意圖。圖3本發(fā)明所述檢測方法的原理圖。圖4在實際檢測過程中本發(fā)明設計的補償正弦光柵，其中4(a)為垂直方向的補償正弦光柵，4(b)為水平方向的補償正弦光柵。
4
圖5本發(fā)明使用CCD攝像機采集的條紋圖，其中5(a)為垂直方向的條紋圖，5 (b) 水平方向的條紋圖。圖6本發(fā)明重建實際檢測的鏡面面形。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖、工作原理及實施例對本發(fā)明作進一步詳細的說明。圖1是檢測裝置的示意圖，其中1為被測鏡面，2為光纖，3為光纖照明光源，4為 CXD攝像機，5為透射液晶顯示屏，6為計算機。在檢測時，透射液晶顯示屏5上需要顯示補償正弦光柵。補償正弦光柵的設計如圖2所示，在設計補償正弦光柵時，先假定理想面形上有給定的直正弦條紋，利用光線追跡和條紋的相位信息來計算補償光柵上的彎曲條紋。在圖 2中以理想面形的中心ο為坐標原點建立了一個直角坐標系，ζ軸與理想面形的光軸重合。 #為理想面形上的一點4為離軸點光源d為過點#的反射光線與顯示屏的交點，Z為過鏡面原點ο的反射光線與顯示屏的交點，JZ是橫向像差。根據(jù)反射定律，可以得到過鏡面上任意一點#的反射光線的單位矢量。已知理想面形上點N的坐標和過點N反射光線的單位矢量，可以確定過點N的反射光線，以及這條反射光線與顯示屏的交點X。設點Z是顯示屏的中心，那么根據(jù)點Z的坐標和顯示屏的像素尺寸，可以確定顯示屏上每一個像素點的坐標。利用給定直正弦條紋圖上的等網(wǎng)格點(乂，義)和顯示屏上的同名點0^()，通過插值就可以找到顯示屏上每一個像素點在給定直正弦條紋圖上的同名點Cr，_F)，顯示屏上每個像素的相位就是在給定直正弦條紋圖上同名點的相位。因此，顯示屏上彎曲條紋圖即補償正弦光柵的強度分布可以表示為
Kijc-(1)
和馬為常數(shù)，Φ (x,y)為相位。當理想面形上給定垂直條紋時，；當理想面形上給定水平條紋時，0=2 π_7//72。和/72分別為垂直正弦條紋和水平正弦條紋的周期。將設計的補償正弦光柵用于檢測非球面鏡，檢測前，首先用相位標靶和傅里葉條紋分析技術(shù)標定攝像機的內(nèi)參數(shù)，然后在鏡面中心放置一面垂直與光軸的棋盤格標定靶， 標定攝像機的外參數(shù)。標定時所選的世界坐標系與圖2建立的笛卡爾坐標系相同，ζ=0的平面就是棋盤格標定靶面，χ軸和軸分別平行與靶面上特征點的橫縱方向。圖3是檢測的幾何原理，如圖3所示，W是點J在平面ifoz上的投影點，廠是顯示屏中心點Z在平面ifoz上的投影點。顯示屏顯示垂直和水平兩個方向的補償正弦光柵， 這兩個光柵分別對應理想面形上給定的垂直和水平正弦條紋。在檢測中，從點光源發(fā)出的光被鏡面反射后通過補償光柵，由此產(chǎn)生攜帶鏡面偏差信息的條紋圖被攝像機記錄。通過相移技術(shù)以及相應的相位展開技術(shù)可以計算出采集條紋圖的連續(xù)相位分布0，這個相位稱為相對相位，它相對于相位展開的起始點。在本發(fā)明中，以調(diào)制度的不同在每個光柵中添加一個標記，這個標記可以將相對相位轉(zhuǎn)化為絕對相位。朗奇檢測法的實質(zhì)是測量橫向像差，為了得到被測鏡面的實際橫向像差，需要找到攝像機上的每個像素點在光柵上的同名點。找同名點的過程可以分為兩步，首先，利用同相位的信息，通過插值找到攝像機上的每個像素點在給定直條紋圖上的同名點見然后用光線追跡，找到點#在光柵上的同名點兒因而確定了被測鏡面的實際橫向像差也。由攝像機的標定可知攝像機坐標系已標定在世界坐標系中，因此可以找到攝像機上的每個像素點在棋盤格標定靶面上的同名點凡已知點J和點凡可以確定實際反射光線擬。用實際反射光線擬和理想面形的表達式，可以計算出它們的交點I。利用光線追跡，可以算出通過點I的理想反射光線，以及這條理想反射光線與顯示屏的交點G因此得到理想橫向像差α。點c在平面ifoz上的投影點為廣，如果點廣在徑向的分量記作<
，點α'在徑向的分量記作4，那么兩徑向分量之差《=烏-《，這個差值與被測鏡面相對其理想面形的偏差有關(guān)。假定被測鏡面的偏差是小的，基于朗奇檢測的幾何原理從鏡面的法線方向可以測量鏡面的偏差。假設理想非球面的面形為/(r)，那么理想面形的梯度為\m^^lf{x)/dr。 如果沿法線方向的被測鏡面偏差用來表示，則在點光源離軸的情況下，可以推導出沿法線方向鏡面偏差的梯度為
dgjr^W
dr ~ 2cos伐(r C；)2 I [Ζ> - /(r)]3}( }
汐為透射液晶顯示屏與鏡面中心之間的距離，r=Cr2+/)1/2。從式(2)可以推導出鏡面兩個方向的梯度，積分這兩個方向的梯度，可以恢復沿法線方向的鏡面偏差g(r)，進而重建被測鏡面面形
F{r)= ^ +f{r)(3)
cosp
圖4是在實際檢測中，根據(jù)正弦條紋的相位信息和光線追跡設計的補償正弦光柵，其中圖4(a)為垂直方向的補償光柵，圖4(b)為水平方向的補償光柵。兩個方向的補償光柵將分別顯示在透射液晶顯示屏上。圖5是利用設計的補償光柵檢測一個凹面鏡的過程中，攝像機采集的攜帶鏡面偏差信息的相移條紋圖中的兩幅，其中圖5(a)是垂直方向的條紋圖，圖5(b)是水平方向的條紋圖。圖6是利用本發(fā)明重建的實際檢測鏡面面形。
權(quán)利要求
1.一種大口徑非球面朗奇檢測方法，其特征是，包括以下步驟a)通過光線追跡和理想面形上給定直正弦條紋的相位信息設計補償正弦光柵上的彎曲條紋，將彎曲條紋顯示在透射液晶顯示屏上；b)利用一個離軸點光源發(fā)出的光照明整個被測鏡面，其反射光透過補償正弦光柵；c)通過攝像機記錄攜帶鏡面相對其理想面形的偏差信息的條紋圖；d)分析采集條紋圖，得到被測鏡面的偏差梯度，對偏差梯度積分，恢復被測鏡面的偏差，進而重建被測鏡面的三維面形。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述顯示彎曲條紋圖的透射液晶顯屏被用作補償正弦光柵，并作為相移裝置，使補償正弦光柵產(chǎn)生相移。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述補償正弦光柵包括垂直方向的補償光柵和水平方向的補償光柵，它們分別對應了理想面形上給定的垂直正弦條紋和水平正弦條紋。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述一個離軸點光源使檢測系統(tǒng)更方便，不存在同軸朗奇檢測中疊柵條紋圖對測量結(jié)果造成的誤差。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述分析采集條紋圖是通過找攝像機的每個像素點在光柵上的同名點來確定實際橫向像差，以及由光線追跡計算過光柵的實際反射光線與理想面形交點對應的理想橫向像差，然后利用朗奇檢測的幾何原理得到在點光源離軸的情況下沿非球面法線方向的鏡面偏差梯度。
全文摘要
一種大口徑非球面朗奇檢測方法，利用光線追跡和正弦條紋的相位信息設計補償正弦光柵，將其顯示在透射液晶顯示屏上，透射液晶顯示屏同時也是一個相移裝置，可以使顯示在它上面的補償正弦光柵產(chǎn)生相移，一個離軸點光源發(fā)出的光被鏡面反射后通過補償光柵，攝像機記錄攜帶鏡面相對其理想面形的偏差信息的相移條紋圖。通過分析相移條紋圖，確定被測鏡面的實際橫向像差以及對應的理想橫向像差，基于朗奇檢測的幾何原理得到被測鏡面的偏差梯度，對其積分獲得被測鏡面的偏差，進而重建被測鏡面的三維面形。本發(fā)明無需為每一種類型的非球面鏡專門制作補償光柵，具有靈活方便、檢測精度高的優(yōu)點，在大口徑非球面的檢測中具有重要的應用前景。
文檔編號G01B11/25GK102506759SQ20111036235
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月16日
發(fā)明者劉元坤, 向立群, 張啟燦, 曹益平, 蘇顯渝, 郭春鳳, 陳文靜 申請人:四川大學