专利名称：一种大口径非球面朗奇检测方法
技术领域：
本发明涉及一种光学检测技术，特别是涉及旋转对称的大口径非球面镜在细磨和初抛光阶段的检测，属于先进光学制造与检测技术领域。
背景技术：
非球面镜具有增加光学设计的自由度、简化系统结构、减轻重量、以及改善光学系统的像质等优点。随着先进光学制造技术的发展以及对成像质量要求的提高，非球面镜正在广泛地应用于空间通讯、天体观察、军事及民用工业中。然而，相对于球面镜而言，非球面镜的制造要困难得多，这对其加工和检测技术提出了更高的要求。目前，非球面镜的检测技术主要有面形轮廓法、零位补偿法和朗奇检验法等。三坐标测量仪是面形轮廓法中的一种检测仪器，它采用测量头直接作用在非球面镜表面上，直接测出非球面镜表面各点的三维坐标值，这种测量方法精度高，但是测量头容易损伤被测镜表面，测量效率较低，而且测量的口径也受到限制。零位补偿法需要在检测系统中放置补偿器，以补偿被测非球面产生的球差。其原理是干涉仪发出的各光线经过补偿系统后沿非球面的法线入射到非球面上，被镜面反射后沿原路返回，与参考波进行干涉。如果补偿后的波前与参考波前完全匹配，那么干涉条纹就是直条纹，否则，干涉条纹为弯曲条纹，条纹的弯曲程度反映了被测非球面相对其理想面形的偏差。虽然零位检测法的精度很高，但是对于每一种类型非球面镜必须专门设计和制作相应的补偿器，缺乏通用性，而且补偿器的制作、检测和装配精度将直接影响检测结果。朗奇法既可定性也可以定量地检测非球面镜的面形。它主要是根据实际条纹相对其理想条纹的变形来计算被测镜面相对其理想面形偏差。按照光栅上条纹是否弯曲朗奇检测法可以分为标准朗奇检测法和零朗奇检测法。利用标准朗奇法检测镜面时，理想条纹是弯曲的，而用零朗奇法检测镜面时，理想条纹是直的。因此，零朗奇检测法使技术人员更容易依据条纹的弯曲程度来定性判断被测镜面的偏差。另外，零朗奇检测法还可以避免衍射效应引起的条纹扩散，从而提高了检测精度。然而，传统的零朗奇检测法有一些缺陷，1)它不能提供足够的测量数据，这主要是因为得不到各条纹之间区域的信息；2)同轴检测形成的叠栅条纹图会给测量结果带来误差；3)传统的补偿光栅上各个带的边缘有锯齿形状；4) 检测不同的镜面时，必须专门制作相应的补偿光栅，给实际检测带来不便。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术中存在的不足，提出一种使用离轴点光源的大口径非球面朗奇检测方法。该方法能够实现对大口径非球面的非接触全场检测，它可以避免同轴朗奇检测方法中叠栅条纹图给测量结果带来的误差，消除补偿光栅上每个条纹带边缘的锯齿形状，获得镜面上足够多的待测点信息，无需为每一种类型的非球面镜专门制作相应的补偿光栅。本发明的目的是采用下述技术方案来实现的
3检测装置主要由被测镜面、光纤、光纤照明光源、CXD摄像机、透射液晶显示屏及计算机组成。其中透射液晶显示屏用于显示垂直和水平两个方向的补偿正弦光栅，并作为相移装置，垂直于被测镜面的光轴放置。补偿正弦光栅上的弯曲条纹是根据理想面形上给定的直正弦条纹的相位信息和光线追迹设计的，选用正弦条纹是因为它上面的每一点都有相位， 那么设计的补偿光栅上每一点也都带有相位。对于不同位置的补偿光栅，弯曲条纹的形状不同，因此必须对某一给定的位置设计相应的补偿光栅。由于非球面性的补偿严重地依赖于补偿光栅设计的位置，因此必须将补偿光栅精确地放置在设计时所设定的位置。为此，在显示光栅的屏上显示一个环形的标记，使该标记与被测镜面边缘在屏上的投影重合，来确保补偿正弦光栅放在设计的位置。检测前需要标定摄像机内、外参数。首先用相位标靶和傅里叶条纹分析技术标定摄像机内参数，然后在镜面中心放置一面垂直与光轴的棋盘格标定靶，标定摄像机外参数。 在检测过程中，光纤照明光源发出的光经过单模光纤传输到被测镜面顶点曲率中心的一侧，形成点光源，为了确保全口径测量，光纤的相对口径必须不小于被测镜面的相对口径， 亮度由直流调压光纤照明光源控制。这个点光源照明整个被测镜面，由调焦在镜面上的摄像机透过补偿光栅记录携带镜面偏差信息的相移条纹图。通过相移技术以及相应的相位展开技术可以计算出采集条纹图的连续相位分布0，这个相位称为相对相位。检测过程中，将一个标记编码在补偿光栅上，以这个标记作为参考，将相对相位转化为绝对相位。为了重建被测面形，首先通过找摄像机的每个像素点在光栅上和棋盘格标定靶上的同名点来确定被测镜面的实际横向像差以及过光栅上每一点的实际反射光线，接着由光线追迹得到实际反射光线与理想面形的交点对应的理想横向像差，然后基于朗奇检测的几何原理得到被测镜面相对于其理想面形的偏差梯度，对其积分获得被测镜面的偏差，进而重建被测镜面的三维面形。本发明与现有技术相比有如下优点
1.本发明是非接触的全场检测，与三坐标测量仪和干涉仪相比，该检测结构简单，操作方便快捷，所需器件容易制造、价格相对低廉。2.本发明将采用透射液晶显示屏生成补偿正弦光栅，可以方便地改变补偿光栅的条纹数和方向，精密地控制光栅的相移，避免了测量不同类型的镜面时多次刻画补偿光栅的麻烦。3.本发明与传统的零朗奇检测法相比，可以消除补偿光栅上每个条纹带边缘的锯齿形状，而且可以获得镜面上足够多的待测点信息。4.本发明使用一个离轴点光源避免了同轴朗奇检测法中叠栅条纹图对检测造成的误差。
图1本发明所述检测方法的装置示意图。图2本发明中补偿正弦光栅的设计示意图。图3本发明所述检测方法的原理图。图4在实际检测过程中本发明设计的补偿正弦光栅，其中4(a)为垂直方向的补偿正弦光栅，4(b)为水平方向的补偿正弦光栅。
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图5本发明使用CCD摄像机采集的条纹图，其中5(a)为垂直方向的条纹图，5 (b) 水平方向的条纹图。图6本发明重建实际检测的镜面面形。
具体实施例方式下面结合附图、工作原理及实施例对本发明作进一步详细的说明。图1是检测装置的示意图，其中1为被测镜面，2为光纤，3为光纤照明光源，4为 CXD摄像机，5为透射液晶显示屏，6为计算机。在检测时，透射液晶显示屏5上需要显示补偿正弦光栅。补偿正弦光栅的设计如图2所示，在设计补偿正弦光栅时，先假定理想面形上有给定的直正弦条纹，利用光线追迹和条纹的相位信息来计算补偿光栅上的弯曲条纹。在图 2中以理想面形的中心ο为坐标原点建立了一个直角坐标系，ζ轴与理想面形的光轴重合。 #为理想面形上的一点4为离轴点光源d为过点#的反射光线与显示屏的交点，Z为过镜面原点ο的反射光线与显示屏的交点，JZ是横向像差。根据反射定律，可以得到过镜面上任意一点#的反射光线的单位矢量。已知理想面形上点N的坐标和过点N反射光线的单位矢量，可以确定过点N的反射光线，以及这条反射光线与显示屏的交点X。设点Z是显示屏的中心，那么根据点Z的坐标和显示屏的像素尺寸，可以确定显示屏上每一个像素点的坐标。利用给定直正弦条纹图上的等网格点(乂，义)和显示屏上的同名点0^()，通过插值就可以找到显示屏上每一个像素点在给定直正弦条纹图上的同名点Cr，_F)，显示屏上每个像素的相位就是在给定直正弦条纹图上同名点的相位。因此，显示屏上弯曲条纹图即补偿正弦光栅的强度分布可以表示为
Kijc-(1)
和馬为常数，Φ (x,y)为相位。当理想面形上给定垂直条纹时，；当理想面形上给定水平条纹时，0=2 π_7//72。和/72分别为垂直正弦条纹和水平正弦条纹的周期。将设计的补偿正弦光栅用于检测非球面镜，检测前，首先用相位标靶和傅里叶条纹分析技术标定摄像机的内参数，然后在镜面中心放置一面垂直与光轴的棋盘格标定靶， 标定摄像机的外参数。标定时所选的世界坐标系与图2建立的笛卡尔坐标系相同，ζ=0的平面就是棋盘格标定靶面，χ轴和轴分别平行与靶面上特征点的横纵方向。图3是检测的几何原理，如图3所示，W是点J在平面ifoz上的投影点，厂是显示屏中心点Z在平面ifoz上的投影点。显示屏显示垂直和水平两个方向的补偿正弦光栅， 这两个光栅分别对应理想面形上给定的垂直和水平正弦条纹。在检测中，从点光源发出的光被镜面反射后通过补偿光栅，由此产生携带镜面偏差信息的条纹图被摄像机记录。通过相移技术以及相应的相位展开技术可以计算出采集条纹图的连续相位分布0，这个相位称为相对相位，它相对于相位展开的起始点。在本发明中，以调制度的不同在每个光栅中添加一个标记，这个标记可以将相对相位转化为绝对相位。朗奇检测法的实质是测量横向像差，为了得到被测镜面的实际横向像差，需要找到摄像机上的每个像素点在光栅上的同名点。找同名点的过程可以分为两步，首先，利用同相位的信息，通过插值找到摄像机上的每个像素点在给定直条纹图上的同名点见然后用光线追迹，找到点#在光栅上的同名点儿因而确定了被测镜面的实际横向像差也。由摄像机的标定可知摄像机坐标系已标定在世界坐标系中，因此可以找到摄像机上的每个像素点在棋盘格标定靶面上的同名点凡已知点J和点凡可以确定实际反射光线拟。用实际反射光线拟和理想面形的表达式，可以计算出它们的交点I。利用光线追迹，可以算出通过点I的理想反射光线，以及这条理想反射光线与显示屏的交点G因此得到理想横向像差α。点c在平面ifoz上的投影点为广，如果点广在径向的分量记作<
，点α'在径向的分量记作4，那么两径向分量之差《=乌-《，这个差值与被测镜面相对其理想面形的偏差有关。假定被测镜面的偏差是小的，基于朗奇检测的几何原理从镜面的法线方向可以测量镜面的偏差。假设理想非球面的面形为/(r)，那么理想面形的梯度为\m^^lf{x)/dr。 如果沿法线方向的被测镜面偏差用来表示，则在点光源离轴的情况下，可以推导出沿法线方向镜面偏差的梯度为
dgjr^W
dr ~ 2cos伐(r C；)2 I [Ζ> - /(r)]3}( }
汐为透射液晶显示屏与镜面中心之间的距离，r=Cr2+/)1/2。从式(2)可以推导出镜面两个方向的梯度，积分这两个方向的梯度，可以恢复沿法线方向的镜面偏差g(r)，进而重建被测镜面面形
F{r)= ^ +f{r)(3)
cosp
图4是在实际检测中，根据正弦条纹的相位信息和光线追迹设计的补偿正弦光栅，其中图4(a)为垂直方向的补偿光栅，图4(b)为水平方向的补偿光栅。两个方向的补偿光栅将分别显示在透射液晶显示屏上。图5是利用设计的补偿光栅检测一个凹面镜的过程中，摄像机采集的携带镜面偏差信息的相移条纹图中的两幅，其中图5(a)是垂直方向的条纹图，图5(b)是水平方向的条纹图。图6是利用本发明重建的实际检测镜面面形。
权利要求
1.一种大口径非球面朗奇检测方法，其特征是，包括以下步骤a)通过光线追迹和理想面形上给定直正弦条纹的相位信息设计补偿正弦光栅上的弯曲条纹，将弯曲条纹显示在透射液晶显示屏上；b)利用一个离轴点光源发出的光照明整个被测镜面，其反射光透过补偿正弦光栅；c)通过摄像机记录携带镜面相对其理想面形的偏差信息的条纹图；d)分析采集条纹图，得到被测镜面的偏差梯度，对偏差梯度积分，恢复被测镜面的偏差，进而重建被测镜面的三维面形。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述显示弯曲条纹图的透射液晶显屏被用作补偿正弦光栅，并作为相移装置，使补偿正弦光栅产生相移。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述补偿正弦光栅包括垂直方向的补偿光栅和水平方向的补偿光栅，它们分别对应了理想面形上给定的垂直正弦条纹和水平正弦条纹。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一个离轴点光源使检测系统更方便，不存在同轴朗奇检测中叠栅条纹图对测量结果造成的误差。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述分析采集条纹图是通过找摄像机的每个像素点在光栅上的同名点来确定实际横向像差，以及由光线追迹计算过光栅的实际反射光线与理想面形交点对应的理想横向像差，然后利用朗奇检测的几何原理得到在点光源离轴的情况下沿非球面法线方向的镜面偏差梯度。
全文摘要
一种大口径非球面朗奇检测方法，利用光线追迹和正弦条纹的相位信息设计补偿正弦光栅，将其显示在透射液晶显示屏上，透射液晶显示屏同时也是一个相移装置，可以使显示在它上面的补偿正弦光栅产生相移，一个离轴点光源发出的光被镜面反射后通过补偿光栅，摄像机记录携带镜面相对其理想面形的偏差信息的相移条纹图。通过分析相移条纹图，确定被测镜面的实际横向像差以及对应的理想横向像差，基于朗奇检测的几何原理得到被测镜面的偏差梯度，对其积分获得被测镜面的偏差，进而重建被测镜面的三维面形。本发明无需为每一种类型的非球面镜专门制作补偿光栅，具有灵活方便、检测精度高的优点，在大口径非球面的检测中具有重要的应用前景。
文档编号G01B11/25GK102506759SQ20111036235
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月16日 优先权日2011年11月16日
发明者刘元坤, 向立群, 张启灿, 曹益平, 苏显渝, 郭春凤, 陈文静 申请人:四川大学