采用部分相干光場式漫反射屏的面形檢測裝置及檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種采用部分相干光場式漫反射屏的面形檢測裝置及檢測方法，部分相干光源發(fā)出部分相干光束，經(jīng)空間光調(diào)制器調(diào)制，入射至石英平板，石英平板將調(diào)制后的部分相干光束漫反射至實驗平臺上的被檢元件，經(jīng)被檢元件反射，將攜帶被檢元件面形信息的部分相干光束反射至成像物鏡，經(jīng)成像物鏡成像后，被探測器的靶面接收，探測器將采集到的相位分布信息輸入計算機，經(jīng)計算機進行光場分析計算，利用得到的相位分布反演出被檢元件的面形。本發(fā)明的優(yōu)點在于利用部分相干光源的相干性，結合空間光調(diào)制器對光強的調(diào)制作用，使得石英平板漫反射的光同時具有相干性和可調(diào)控性。
【專利說明】
采用部分相干光場式漫反射屏的面形檢測裝置及檢測方法
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于光學元件面形檢測技術，具體涉及一種采用部分相干光場式漫反射屏的面形檢測裝置及檢測方法。
【背景技術】
[0002]相位偏折測量法(Phasemeasuring deflectometric method，簡稱PMD)最先在2004年由埃朗根紐倫堡大學馬庫斯?諾爾(Markus C.Knauer)等人提出。其基本思想是通過漫反射屏向被測元件表面投射某一調(diào)制光場，在光的反射方向上用CCD來接收該反射光，由于物體表面的起伏會造成在其表面反射的光場的相位發(fā)生改變，那么通過測量計算光場相位的改變量從而得到物體表面的形貌。
[0003]相比與其他測量方法，該方法的優(yōu)勢主要是:①非接觸式測量，對被測件做到無損檢測，可以適應于光學鏡面的面形測量;②全面形測量，投射光場覆蓋被測件全口徑，無需經(jīng)過拼接就能獲取全部面形數(shù)據(jù)，測量效率高;③不受被測件表面梯度的限制，可以適合大梯度變化的面形測量，如非球面和自由曲面;④適合測量大口徑元件。目前，德國、日本、新加坡還有國內(nèi)的一些高校對鏡面反射法測量非球面均有大量的研究。德國薩爾州大學埃里克斯(Alexis Speck)等人研究了其在自由曲面眼內(nèi)鏡片面形測量上的應用，四川大學、天津大學都有基于PMD法的非球面等鏡面三維形貌的研究。
[0004]目前傳統(tǒng)的相位偏折測量系統(tǒng)都是建立在幾何光學的理論基礎上的，幾何光學近似是處理非相干光場的常用工具，在此近似下光線的傳播可以通過簡單地光線追跡實現(xiàn)，把成像系統(tǒng)成像鏡近似為針孔模型，把LCD顯示屏近似為理想平面，而市場常見顯示器的加工平面度只能達到微米量級，該種近似致使傳統(tǒng)相位偏折測量的精度始終維持在微米量級，陷入了瓶頸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種采用部分相干光場式漫反射屏的面形檢測裝置及檢測方法，將相位偏折術用于高精度大口徑光學元件面形檢測中，解決了現(xiàn)有方法中LCD顯示屏的平面度低限制測量精度的問題。
[0006]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為:一種采用部分相干光場式漫反射屏的面形檢測裝置，包括部分相干光場式漫反射屏系統(tǒng)、檢測平臺系統(tǒng)、成像系統(tǒng)和計算機，成像系統(tǒng)與計算機相連;其中，部分相干光場式漫反射屏系統(tǒng)作為物方，包括部分相干光源、空間光調(diào)制器和石英平板;檢測平臺系統(tǒng)包括實驗平臺和放置在實驗平臺上的被檢元件，成像系統(tǒng)包括沿光路依次放置的成像物鏡和探測器，空間光調(diào)制器設置在部分相干光源的出光口，石英平板設置在部分相干光源的光路上，被檢元件位于石英平板的漫反射光路上，成像物鏡位于被檢元件的反射光路上;探測器與計算機連接部分相干光源發(fā)出部分相干光束，經(jīng)空間光調(diào)制器調(diào)制，入射至石英平板，石英平板將調(diào)制后的部分相干光束漫反射至實驗平臺上的被檢元件，經(jīng)被檢元件反射，將攜帶被檢元件面形信息的部分相干光束反射至成像物鏡，經(jīng)成像物鏡成像后，被探測器的靶面接收，探測器將采集到的相位分布信息輸入計算機，經(jīng)計算機進行光場分析計算，利用得到的相位分布反演出被檢元件的面形。
[0007]所述石英平板的平面度為納米量級，經(jīng)石英平板漫反射的光能夠完全覆蓋被檢元件。
[0008]所述被檢元件為高反射物體。
[0009]—種采用部分相干光場式漫反射屏的面形檢測裝置的檢測方法，方法步驟如下: 第一步，部分相干光源發(fā)出的部分相干光束進入空間光調(diào)制器，利用空間光調(diào)制器對光強進行調(diào)控；
第二步，通過空間光調(diào)制器調(diào)制的部分相干光束投射到石英平板上；
第三步，經(jīng)石英平板漫反射，漫反射的部分相干光束能夠完全覆蓋被檢元件，經(jīng)被檢元件反射，將攜帶被檢元件面形信息的部分相干光束反射至成像物鏡，經(jīng)成像物鏡成像后，被探測器的靶面接收；
第四步，探測器將采集到的相位分布信息輸入計算機；
第五步，計算機對上述相位分布進行光場分析計算，利用得到的相位分布反演出被檢元件的面形。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點在于:(I)利用部分相干光源的相干性，結合空間光調(diào)制器對光強的調(diào)制作用，使得石英平板漫反射的光同時具有相干性和可調(diào)控性。[0011 ] (2)將相位偏折術用于高精度大口徑光學元件面形檢測中，能夠對大口徑光學元件的面形進行高精度的測量。
【附圖說明】
[0012]圖1為本發(fā)明采用部分相干光場式漫反射屏的面形檢測裝置的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0013]
下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。
[0014]結合圖1，一種采用部分相干光場式漫反射屏的面形檢測裝置，包括部分相干光場式漫反射屏系統(tǒng)1、檢測平臺系統(tǒng)2、成像系統(tǒng)3和計算機4，成像系統(tǒng)3與計算機4相連;其中，部分相干光場式漫反射屏系統(tǒng)I作為物方，包括部分相干光源1-1、空間光調(diào)制器1-2和石英平板1-3;檢測平臺系統(tǒng)2包括實驗平臺2-1和放置在實驗平臺2-1上的被檢元件2-2，成像系統(tǒng)3包括沿光路依次放置的成像物鏡3-1和探測器3-2，空間光調(diào)制器1-2設置在部分相干光源1-1的出光口，石英平板1-3設置在部分相干光源1-1的光路上，被檢元件2-2位于石英平板1-3的漫反射光路上，成像物鏡3-1位于被檢元件2-2的反射光路上;探測器3-2與計算機4連接。其中探測器3-2的靶面位于成像物鏡3-1的后焦平面處。
[0015]部分相干光源1-1發(fā)出部分相干光束，經(jīng)空間光調(diào)制器1-2調(diào)制，得到便于面形重構的光場分布，該光場分布具有部分相干性和可調(diào)控性，調(diào)制后的部分相干光束入射至石英平板1-3，用這套光路代替?zhèn)鹘y(tǒng)相位偏折測量中的LCD顯示屏，石英平板1-3是一個平面度非常高的漫反射屏，相當于物方，結合其上分布的光場信息則相當于一個相位物體。石英平板1-3將調(diào)制后的部分相干光束漫反射至實驗平臺2-1上的被檢元件2-2，被檢元件2-2是一個高反射的物體，經(jīng)被檢元件2-2反射，將攜帶被檢元件2-2面形信息的部分相干光束反射至成像物鏡3-1，(其中石英平板1-3、被檢元件2-2、成像系統(tǒng)3之間滿足反射定律)，經(jīng)成像物鏡3-1成像后，被探測器3-2的靶面接收，探測器3-2將采集到的相位分布信息轉換為電信號并輸入計算機4，經(jīng)計算機4進行光場分析計算，利用得到的相位分布反演出被檢元件2-2的面形。
[0016]所述石英平板1-3的平面度為波長量級，經(jīng)石英平板1-3漫反射的光能夠完全覆蓋被檢兀件2-2。
[0017]所述被檢元件2-2為高反射物體。
[0018]—種采用部分相干光場式漫反射屏的面形檢測裝置的檢測方法，方法步驟如下: 第一步，部分相干光源1-1發(fā)出的部分相干光束進入空間光調(diào)制器1-2，利用空間光調(diào)制器1-2對光強進行調(diào)控，為光場理論的引入提供具有部分相干性、可調(diào)控的光源。
[0019]第二步，通過空間光調(diào)制器1-2調(diào)制的部分相干光束投射到石英平板1-3上，此處的石英平板是一個平面度非常高的漫反射屏，由部分相干光源、空間光調(diào)制器、高精度石英平板構成部分相干光場式漫反射屏，結合其上分布的光場信息則相當于一個相位物體。
[0020]第三步，經(jīng)石英平板1-3漫反射，漫反射的部分相干光束能夠完全覆蓋被檢元件2-2，經(jīng)被檢元件2-2反射，將攜帶被檢元件2-2面形信息的部分相干光束反射至成像物鏡3-1，經(jīng)成像物鏡3-1成像后，被探測器3-2的靶面接收；
第四步，探測器3-2將采集到的相位分布信息輸入計算機4;
第五步，計算機4對上述相位分布進行光場分析計算，利用得到的相位分布反演出被檢元件2-2的面形。
【主權項】
1.一種采用部分相干光場式漫反射屏的面形檢測裝置，其特征在于:包括部分相干光場式漫反射屏系統(tǒng)(I)、檢測平臺系統(tǒng)(2)、成像系統(tǒng)(3)和計算機(4)，成像系統(tǒng)(3)與計算機(4)相連;其中，部分相干光場式漫反射屏系統(tǒng)(I)作為物方，包括部分相干光源(1-1)、空間光調(diào)制器(1-2)和石英平板(1-3);檢測平臺系統(tǒng)(2)包括實驗平臺(2-1)和放置在實驗平臺(2-1)上的被檢元件(2-2)，成像系統(tǒng)(3)包括沿光路依次放置的成像物鏡(3-1)和探測器(3-2)，空間光調(diào)制器(1-2)設置在部分相干光源(1-1)的出光口，石英平板(1-3)設置在部分相干光源(1-1)的光路上，被檢元件(2-2)位于石英平板(1-3)的漫反射光路上，成像物鏡(3-1)位于被檢元件(2-2)的反射光路上;探測器(3-2)與計算機(4)連接； 部分相干光源(1-1)發(fā)出部分相干光束，經(jīng)空間光調(diào)制器(1-2)調(diào)制，入射至石英平板(1-3)，石英平板(1-3)將調(diào)制后的部分相干光束漫反射至實驗平臺(2-1)上的被檢元件(2-2)，經(jīng)被檢元件(2-2)反射，將攜帶被檢元件(2-2)面形信息的部分相干光束反射至成像物鏡(3-1)，經(jīng)成像物鏡(3-1)成像后，被探測器(3-2)的靶面接收，探測器(3-2)將采集到的相位分布信息輸入計算機(4)，經(jīng)計算機(4)進行光場分析計算，利用得到的相位分布反演出被檢元件(2-2)的面形。2.根據(jù)權利要求1所述的采用部分相干光場式漫反射屏的面形檢測裝置，其特征在于:所述石英平板(1-3)的平面度為納米量級，經(jīng)石英平板(1-3)漫反射的光能夠完全覆蓋被檢元件(2-2)。3.根據(jù)權利要求1所述的采用部分相干光場式漫反射屏的面形檢測裝置，其特征在于:所述被檢元件(2-2 )為高反射物體。4.如權利要求1所述的采用部分相干光場式漫反射屏的面形檢測裝置的檢測方法，其特征在于，方法步驟如下: 第一步，部分相干光源(1-1)發(fā)出的部分相干光束進入空間光調(diào)制器(1-2)，利用空間光調(diào)制器(1-2)對光強進行調(diào)控； 第二步，通過空間光調(diào)制器(1-2)調(diào)制的部分相干光束投射到石英平板(1-3)上； 第三步，經(jīng)石英平板(1-3)漫反射，漫反射的部分相干光束能夠完全覆蓋被檢元件(2-2)，經(jīng)被檢元件(2-2)反射，將攜帶被檢元件(2-2)面形信息的部分相干光束反射至成像物鏡(3-1)，經(jīng)成像物鏡(3-1)成像后，被探測器(3-2)的靶面接收； 第四步，探測器(3-2)將采集到的相位分布信息輸入計算機(4); 第五步，計算機(4)對上述相位分布進行光場分析計算，利用得到的相位分布反演出被檢元件(2-2)的面形。
【文檔編號】G01B11/25GK105973166SQ201610299365
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月9日
【發(fā)明人】沈華, 高金銘, 朱榮剛, 孫越, 矯苛蓉, 朱日宏, 李嘉, 王念, 謝馨
【申請人】南京理工大學