专利名称：一种大型镜面大误差范围相位恢复检测装置与方法
技术领域：
本发明涉及一种光学测试技术，特别是涉及一种对凹面非球面反射镜检 测的大型镜面大误差范围相位恢复检测装置与方法。
背景技术：
随着大口径非球面镜在天文、空间光学和军事等领域得到了愈来愈广泛 的应用，而且它们口径和相对口径越来越大，通常的像差法和补偿器零检验 法已经不能满足大口径非球面镜的抛光加工时的检测要求，因此基于光波衍 射图像测量光学镜面成为当今各国研究的新课题。基于光波衍射图像测量光学镜面的原理是根据相干光波在自由空间衍 射传播的理论，当一束光沿光轴传播时，入射光波面的复振幅分布决定了出 射光波面的复振幅分布。并且如果入射光波面的相俾分布发生变化，会造成 相应的出射光波面强度分布的变化。衍射图像测量技术就是通过测量出射光 波面的强度来反算入射波面相位的一种方法。同样对于汇聚入if的球面波， 如果其波面面形存在误差，会在焦点附近前后形成相应的强度分布。这些焦 点前后附近的衍射光强图像包含了入射光波面的相位信息。利用这些强度图 像并通过一定的软件算法处理可以准确地对入射光婢面进行重构。干涉检验法是在镜面加工中广泛使用的检测方法。干涉仪已经成为市场上一种成熟的产品。干涉检测的精度也很高，如Zygo干涉仪的测量精度达 到了 PV(peak-to-valley)O.Ol波长。但干涉检验法在大型镜面，如1米口径以 上，检测中存在以下几方面问题。首先是当镜面存在较大误差时，在一定空 间范围内，误差可能变化较快，也就是误差的陡度和梯度可能很大，以至于 干涉条纹会很密。这样有可能超出干涉仪的空间分，范围，使得干涉仪无法 进行干涉条纹解算，例如普通民用干涉仪的分辨率f、有1024X1024，当检验l米口径镜面时，每lmm有一个采样点，当镜面上存有大于每毫米0.25波 长的局部误差时，反射波面将存有大于每毫米0.5波长的误差，此时干涉条 纹的解相位程序无法正确的解算出连续的波面面形。为了提高干涉仪的分辨 率，M. Tricard 等在 "Sub-pixel spatial resolution interferometry wkh interlaced stitching" , SP正，5869,0Z1 2005 中提出基于亚象素 的干涉测量方法，该方法的实质是将采样千涉条纹的CCD相机通过上下左 右移动半个CCD象素距离，分别拍摄四张干涉条纹并综合起来实现亚象素 级分辨率的条纹采样。但这种方法只能提高一倍的采样分辨率，且需要引入 复杂的硬件支持，实用性不强。另外，干涉仪在检验大型镜面时对环境振动 要求较高，很难在加工在位的条件下应用，给测量和加工带来了诸多不便以 及移动镜面带来的风险。发明内容本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于图像的非干涉 的方法，采用数码相机等简单的设备实现大型镜面大误差范围相位恢复检测 装置与方法。本发明的目的通过下述技术方案予以实现大型镜面大误差范围相位恢复检测装置包括激光源、分光棱镜、数码相机、带支架的平台和计算机，所述激光源、分光摔镜和数码相机都安装在平台上；所述分光棱镜安装在激光源的正前方，并与激光源的光的射出方向呈45度夹角；所述数码相机安装在激光源的一侧，且与分光镜按照光学成 像原理布置；所述计算机装载专用软件，通过电缆与激光源、数码相机和平台的支架的运动机构电连接。所述平台安装在支架上，支架上安装沿X、 Y、 Z轴平移和绕Y、 Z轴 转动的受计算机控制的五自由度运动机构，运动机构与计算机用电缆电连 接。 '所述激光源的波长为400nm-760nm。所述数码相机的分辨率不低于100万象素。大型镜面大误差范围相位恢复检测方法包括开始步骤检测准备(101)和结束步骤输出检测结果(115)，所述检测准备(101)和输出检测结果(115) 步骤之间，首先进行循环参数设置(104)，然后获取现场数码照片(102) 或者历史数码照片(103)，并进行m次循环的滤波处理，每次滤波处理再进 行n次循环迭代处理，最后输出检测结果(115)。所述m次循环滤波处理的步骤m次数循环滤波处理开始(105)， m值 判断(106)，如果判断结果为否，进入n次循环迭代处理后经过放开滤波器 频点(114)步骤后回到m值判断(106)进行下一轮循环处理，当判断结果 为是，进入步骤输出检测结果(115)。所述n次循环迭代处理的步骤第一次迭代处理从m值加一 (107)后 面的n次数循环迭代处理开始(108)开始，n值判断(109)，如果判断结果 为否，进入步骤n值加一(llO)，被测波面(lll)，相位恢复迭代运算(112)， 滤波图形(113)，然后再返回步骤n值判断(109)，如果判断结果为是，进 入步骤放开滤波器频点(114)，然后进行下一轮滤波处理。与现有技术相比，本发明具有以下优点测量精度高、效率高，避免了 采用特殊和专门的光学器件和设备，简化了测量系统的配置，降低了加工制 造的难度，降低了检测成本。适合于大口径非球面偉的生产企业、科研和检 测单位使用。
图1为本发明装置一实施例结构示意图， 图2为图1的A—A视图， 图3为本发明方法的流程图。图中1—激光源，2—平台，3 —分光棱镜，4—数码相机，5 —电缆，6 一计算机，7—被测镜面，8—支架，101—检测准备，102—现场数码照片， 103 —历史数码照片，104—循环参数设置，105—巧次数循环滤波处理开始，6106—m值判断，107—m值加一，108—n次数循环迭代处理开始，109—n 值判断，110—n值加一，lll一被测波面，112—相位恢复迭代运算，113 — 滤波图形，114一放开滤波器频点，115—输出检测结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进爿步说明参照附图1、 2，本发明的装置包括激光源1、分光棱镜3、数码相机4、 带支架8的平台2和计算机6，所述激光源1、分光棱镜3和数码相机4都 安装在平台2上；所述分光棱镜3安装在激光源1的正前方，并与激光源l 的光的射出方向呈45度夹角；所述数码相机4安装在激光源1的一侧，且 与分光镜3按照光学成像原理布置；所述计算机6装载专用软件，通过电缆 5与激光源1、数码相机4和平台2的支架8的运动机构电连接。三维坐标系设置激光源1面向被测镜面7并且布置在被测镜面7的 曲率中心上，激光源1的光源的射线为X轴，同时垂直于地面和X轴的为Z 轴，Y轴是在X轴的水平面上且垂直于X、 Z两轴的直线，三轴的原点设在 激光源1的光源出口处。所述平台2安装在支架8上，支架8上安装沿X、 Y、 Z轴平移和绕Y、 Z轴转动的受计算机6控制的五自由度运动机构，运动机构与计算机6用电 缆5电连接。所述激光源1的波长为400nm-760nm。所述数码相机4的分辨率不低于100万象素。参照附图3，为本发明的方法。包括开始步骤检测准备101和结束步骤 输出检测结果115，所述检测准备101和输出检测结果115步骤之间，首先 进行循环参数设置104，然后获取现场数码照片102或者历史数码照片103， 并进行m次循环的滤波处理，每次滤波处理再进行n次循环迭代处理，最后 输出检测结果115。所述m次循环滤波处理的步骤m次数循环滤波处理开始105， m值判断106，如果判断结果为否，进入n次循环迭代处理后经过放开滤波器频点 li4歩骤后回到m值判断106进行下一轮循环处理，当判断结果为是，进入 步骤输出检测结果115。如果设置的滤波处理循环次数^a，循环方式为从 m=l到m=a， m值判断106就是判断m=a是否成立。所述n次循环迭代处理的步骤第一次迭代处理从m值加一 107后面 的n次数循环迭代处理开始108开始，n值判断109，如果判断结果为否， 进入步骤n值加一 110，被测波面111，相位恢复迭代运算112，滤波图形 113，然后再返回步骤n值判断109，如果判断结果为是，进入步骤放开滤波 器频点114，然后进行下一轮滤波处理。如果设置的迭代处理循环次数二b， 循环方式为从n=l到n=b， n值判断109就是判断n=b是否成立。循环参数设置104的参数为滤波处理循环参数m二20—40，迭代处理 循环参数11=10_30，放开滤波器频点f二0.1—0々。本实施例111=30， n= 20， f=0.3。计算机6配置专门的控制软件和计算分析软件。计算机6为普通PC机。 本发明装置的工作原理激光源1在被测镜面7的曲率中心处发出球面 波可见光束，光束透过分光棱镜3后照射在被测镜两7上形成含有像差的球 面波反射光波反射回分光棱镜3后折射到数码相机4，调节五自由度运动机 构，调整光束传播方向，选取合适的位置拍摄衍射光强数码照片， 一般在焦 点前后各拍摄2 3张图片即可。保存到计算机6中的数码照片，既可以作 现场检测使用，也可以供将来作进一步研究时使用。 本发明的装置还可以用于在位检测。本发明方法的工作原理计算机6配备专用的分析软件，以数码照片为 处理对象，针对大误差下图像含有高频信号分量的特点，进行m次循环的滤 波处理，每次滤波处理再进行n次循环迭代处理，最后输出检测结果115。 检测结果115出具的报告就是被测镜面7的特征数据。计算机6配备专用的分析软件，用改进约束方式的GS算法对多幅不同光强的数码照片图像进行处理，通过波面重构算法计算恢复出面形误差。改进约束方式的GS算法将图像进行低通滤波，获取面形中的低频缓变部分。然后逐步放开滤波频点，通过一步的循环累积，最终逼近原始图像下 的相位分布。具体做法为，先设定较低的滤波截止频点f，将滤波后图像带入相位恢复算法，得到初步的相位恢复结果，GS迭代算法进fi1 n次数循环处理后，提高滤波截止频点f，重新对原图像进行滤波。并将上一步得到的初步面形数据作为已知量连同新的滤波图像带入相位恢复算法，获取新的相位分布数据。这样可以进一步得到新的相位数据，作为对上一步相位恢复数据的补充。这样经第m次滤波器变频点后，GS迭代算法中的镜面光场函数^'"，力可表达为g附"力=lg挑IexpOF1) expOf2)... exp(/々细) (i )其中Pn ~ P^为已经得到的相位分布。这种相位恢复方法的本质在于使用逐步滤波的方法缓和施加光强约束 的过程，使算法不陷入局部最优解。同时每一步滤波后只获得一部分相位分 布^"，可以将^"的初始值设为0，经过几步迭代运算后&*的幅度将大于0， 只要控制外部循环和内部迭代次数，使得^A的PV值不大于一个波长，这样 可以免除相位解包络运算，最终相位恢复的结果 可以表示为一系列&*的 直接求和。另外，有可能数码照片图像的采样分辨率在某些局部区域上不满足采样 定理的条件，这时无法完全正确的得到此处的相位数据。但经过图像滤波后， 图像上的亮点还是亮点，且位置不会变化，因此相位误差分布的位置和方向 不会改变。同时，局部图像的欠采样只会影响局部的相位恢复结果，对其它 区域的相位分布不会造成明显影响。9
权利要求
1.一种大型镜面大误差范围相位恢复检测装置，包括激光源(1)、分光棱镜(3)、数码相机(4)、带支架(8)的平台(2)和计算机(6)，其特征在于所述激光源(1)、分光棱镜(3)和数码相机(4)都安装在平台(2)上；所述分光棱镜(3)安装在激光源(1)的正前方，并与激光源(1)的光的射出方向呈45度夹角；所述数码相机(4)安装在激光源(1)的一侧，且与分光镜(3)按照光学成像原理布置；所述计算机(6)装载专用软件，通过电缆(5)与激光源(1)、数码相机(4)和平台(2)的支架(8)的运动机构电连接。
2. 根据权利要求1所述的大型镜面大误差范,相位恢复检测装置，其 特征在于所述平台(2)安装在支架(8)上，支架(8)上安装沿X、 Y、 Z轴平移和绕Y、 Z轴转动的受计算机(6)控制的五自由度运动机构，运动 机构与计算机(6)用电缆(5)电连接。
3. 根据权利要求1所述的大型镜面大误差范围相位恢复检测装置，其 特征在于所述激光源(1)的波长为400nm-760nm。
4. 根据权利要求1所述的大型镜面大误差范围相位恢复检测装置，其 特征在于所述数码相机(4)的分辨率不低于100万象素。
5. —种大型镜面大误差范围相位恢复检测方法，包括开始步骤检测准 备(101)和结束步骤输出检测结果(115)，其特征在于所述检测准备(IOI) 和输出检测结果(115)步骤之间，首先进行循环参数设置(104)，然后获取 现场数码照片(102)或者历史数码照片(103)，并迸行m次循环的滤波处 理，每次滤波处理再进行n次循环迭代处理，最后输出检测结果(115)。
6. 根据权利要求5所述的大型镜面大误差范围相位恢复检测方法，其 特征在于所述m次循环滤波处理的步骤m次数循环滤波处理开始(105)， m值判断(106)，如果判断结果为否，进入n次循环迭代处理后经过放开滤波器频点(U4)步骤后回到m值判断(106)进行下一轮循环处理，当判断 结果为是，进入步骤输出检测结果(115)。
7.根据权利要求5或6所述的大型镜面大误差范围相位恢复检测方法， 其特征在于所述n次循环迭代处理的步骤第，次迭代处理从m值加一 (107)后面的n次数循环迭代处理开始(108)开始，n值判断(109)，如 果判断结果为否，进入步骤n值加一 (110)，被测波面(111)，相位恢复迭 代运算(112)，滤波图形(113)，然后再返回步骤n值判断(109)，如果判 断结果为是，进入步骤放开滤波器频点(114)，然后进行下一轮滤波处理。
全文摘要
本发明公开了一种大型镜面大误差范围相位恢复检测装置与方法，其装置包括激光源(1)、分光棱镜(3)、数码相机(4)、带支架(8)的平台(2)和计算机(6)，激光源(1)、分光棱镜(3)和数码相机(4)都安装在平台(2)上；分光镜(3)安装在激光源(1)的正前方，并与激光源(1)的光的射出方向45度夹角；数码相机(4)安装在激光源(1)的一侧，且与分光镜(3)按照光学成像原理布置；计算机(6)装载专用软件，通过电缆(5)与激光源(1)、数码相机(4)和平台(2)的支架(8)的运动机构电连接。本发明测量精度高、效率高，避免了采用特殊和专门的光学器件和设备，简化了测量系统的配置，降低了检测成本。
文档编号G01B11/24GK101266138SQ20081003081
公开日2008年9月17日 申请日期2008年3月14日 优先权日2008年3月14日
发明者吴宇列, 尹自强, 戴一帆, 李圣怡, 王贵林, 胡晓军, 郑子文 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学