检测非球面的相位测量偏折方法
【专利摘要】本发明涉及一种检测非球面的相位测量偏折方法，该方法基于朗奇检测的几何原理对改进的非球面相位测量偏折检测方法进行逆向光路分析，获得待测镜面相对于其理想面形的偏差梯度，积分这些梯度恢复待测镜面偏差，进而重建待测面形，从而实现对非球面进行非接触的全场检测。该方法避免了现有相位测量偏折术或朗奇检测中需通过移动显示屏、标定或近似来得到入射光线，给非球面的检测带来较大的方便。
【专利说明】
检测非球面的相位测量偏折方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种光学检测技术，特别涉及一种检测非球面的相位测量偏折方法。
【背景技术】
[0002] 非球面镜光学元件具有改善成像质量、减少系统的光学元件数目和重量等优点， 广泛地应用在多种光学系统中。然而，非球面镜的广泛应用受到了加工技术和检测方法的 制约。在非球面镜的制造过程中，不同的加工阶段对面形精度的要求是不同的，很难有一种 同时具有检测精度高、使用方便、通用性好、成本低等优点的检测方法应用于非球面镜加工 的各个阶段，因此必须形成一套完整的多样化的检测方案，从而适应不同加工阶段和不同 精度的检测要求。
[0003] 目前已有多种非球面检测方法，根据是否接触待测面形表面，可以将这些检测方 法划分为两类:接触式和非接触式技术。三坐标测量机是比较成熟的一种接触式测量仪器， 其测量精度可以达到微米量级，可用于精磨阶段的检测。但是，这种检测方法会损伤待测镜 面表面，而且当检测一个比较大而重的镜面时，操作和校准的时间比较长。非接触式测量方 法主要分为两类:干涉法和偏折法。干涉法具有较高的测量精度，但是干涉仪价格昂贵。偏 折法由于结构简单、成本低等优点被作为一种检测非球面的方法，偏折法即梯度测量是一 类重要的面形检测方法，具有结构简单、成本低等优点，被光学领域的许多专家和学者广泛 研究，目前已发展了多种偏折法，如:莫尔偏折术、傅科刀口法、朗奇法、哈特曼测试法和相 位测量偏折术等。基于相位测量偏折术，美国亚利桑那大学光学研究中心研发出可软件配 置的光学检测系统(SCOTS)和便携式斜率测量光学检测系统(SPOTS)。在现有的相位测量偏 折术中，利用测量获得的入射光线和反射光线计算待测面形的梯度，积分这些梯度重建待 测面形。然而，入射光线不能简单的直接得到，需要通过移动显示屏、标定或近似得到，从而 给非球面的检测带来一定的难度。开发一种无需确定入射光线的检测方法将提升实际非球 面的检测效率。
【发明内容】
[0004] 本发明是针对非球面检测方法存在的问题，提出了一种检测非球面的相位测量偏 折方法，该方法基于朗奇检测的几何原理对改进的非球面相位测量偏折检测方法进行逆向 光路分析，获得待测镜面相对于其理想面形的偏差梯度，积分这些梯度恢复待测镜面偏差， 进而重建待测面形，从而实现对非球面进行非接触的全场检测。该方法避免了现有相位测 量偏折术或朗奇检测中需通过移动显示屏、标定或近似来得到入射光线，给非球面的检测 带来较大的方便。
[0005] 本发明的技术方案为:一种检测非球面的相位测量偏折方法，具体包括如下步骤：
[0006] 1)建立检测光路:待测镜面的镜面正对液晶显示屏，即待测镜面顶点与液晶显示 屏中心的连线垂直于液晶显示屏面，半透半反镜倾斜置于待测镜面和液晶显示屏之间，从 液晶显示屏发出的光经过半透半反镜照亮整个待测镜面，经待测镜面反射的光再次被半透 半反镜反射，最终由相机接收，信号经相机送入计算机；
[0007] 2)将液晶显示屏、待测镜面和相机坐标统一在一个坐标系下，建立的笛卡尔坐标 系，计算机编译直正弦条纹送液晶显示屏显示；
[0008] 3)相机采集经过待测镜面反射的直正弦条纹，送计算机中分析；
[0009] 4)计算机分析获得待测镜面相对其理想面形的偏差梯度，再对偏差梯度进行积 分，恢复待测镜面的偏差，最后利用此偏差和理想面形之间的关系重建待测镜面的三维面 形。
[0010] 所述步骤3)直正弦条纹的液晶显示屏被作为正弦光栅和相移装置，使正弦条纹产 生相移。
[0011] 所述直正弦条纹包括垂直正弦条纹和水平正弦条纹，垂直正弦条纹与水平正弦条 纹的方向不同，周期、相位、幅值都相同。
[0012] 所述计算机分析获得待测镜面相对其理想面形的偏差梯度具体包括:通过找采集 条纹和正弦光栅的同名相位点来确定过像平面上每一像素点光线的实际横向像差，再利用 相机像平面上像素点与光线关系，由光线追击得到这条光线和理想面形的交点来确定理想 横向像差，然后基于朗奇检测的几何原理得到沿非球面法线方向的待测镜面偏离其理想面 形的偏差梯度。
[0013] 本发明的有益效果在于:本发明检测非球面的相位测量偏折方法，本发明与使用 三坐标测量机和干涉仪检测非球面的方法相比，具有检测装置结构简单、成本低、操作方便 等优点；与现有的相位测量偏折检测方法相比，仅需确定反射光线，无需通过移动显示屏、 标定或近似得到入射光线，在一定程度上提高了非球面的检测精度;与朗奇检测法相比，避 免了确定理想横向像差时所用的近似或标定。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明检测非球面的相位测量偏折方法的检测装置示意图；
[0015] 图2为本发明检测非球面的相位测量偏折方法的几何原理图；
[0016] 图3为本发明在液晶显示屏上生成的直正弦条纹图；
[0017]图4为本发明使用相机采集的条纹图；
[0018] 图5为本发明重建待测镜面面形图。
【具体实施方式】
[0019] 图1是检测装置示意图，其中1为液晶显示屏，2为半透半反镜，3为待测镜面，4为相 机，5为计算机。在检测时，液晶显示屏1上生成正弦条纹，此正弦条纹由计算机编译出。待测 镜面3的镜面正对液晶显示屏1，即待测镜面3顶点与液晶显示屏1中心的连线垂直于液晶显 示屏1面，半透半反镜2倾斜置于待测镜面3和液晶显示屏1之间，从液晶显示屏1发出的光经 过半透半反镜2照亮整个待测镜面3，经镜面3反射的光再次被半透半反镜反射，最终由相机 4接收，信号经相机4送入计算机5。
[0020] 所述半透半反镜的使用避免了相机对液晶显示屏中心区域发出光线的阻挡，以及 避免了因液晶显示屏的阻挡而使得相机不能采集变形条纹，实现了同轴全场测量。
[0021] 在面形检测前，需将液晶显示屏、待测镜面和相机坐标统一在一个坐标系下，建立 的笛卡尔坐标系如图2所示，原点ο为待测镜面的顶点，oz为待测镜面光轴，or与oz轴垂直。 为了清楚地显示光线与液晶显示屏的空间关系，图2右半部分以一定角度显示了光线与液 晶显示屏的交点，其中xy平面表示液晶显示屏，xy平面垂直于oz轴，并与平面相交于οι，οιχ、 〇1y分别沿水平和竖直方向。检测时，在液晶显示屏上分别显示如图3所示在液晶显示屏上 生成的直正弦条纹图，其中图3中（a)是垂直正弦条纹，图3中（b)是水平正弦条纹，垂直正弦 条纹与水平正弦条纹的方向不同，周期、相位、幅值都相同。垂直条纹垂直与X轴，水平条纹 平行与X轴。显示正弦条纹的液晶显示屏被作为正弦光栅和相移装置，使正弦条纹产生相 移。首先将垂直条纹生成在液晶显示屏上，其强度分布可以表示为：
(1)
[0023]上式中&1和&2为常数，X是液晶显示屏像素坐标的X分量，p是正弦条纹的周期，2JIX/ P是相位，狗)是正弦条纹的初始相位。这些条纹被待测镜面3反射后由相机4采集，采集条纹 的相位记作办，此相位可以由相移算法求解。目前已有的相移算法很多，相移步数越多求解 的相位精度越高，但是检测的时间越长。因此，本发明采用一个四步相移技术获得相位分 布，这个相位分布被截断在反三角函数的主值范围内，因而是不连续的。利用一个空间或时 间相位展开算法可以获得连续的相位分布。在本发明中，因为非球面表面是光滑的和连续 的，使用一个简单的空间相位展开算法便可得到采集条纹图的连续相位分布朽。通过找采 集条纹图和在显示屏上生成垂直条纹图的同名相位点，确定过成像平面上任意像素点光线 对应的实际横向像差的X分量 Xa。接着将水平条纹生成在显示屏上，按上述步骤，可以得到 过成像平面上任意像素点光线对应的实际横向像差的y分量y a。
[0024]在本发明中，假定相机是一个针孔模型，即相机的光阑缩小为一点，经镜面反射的 光线通过这一点后成像在像平面上，那么过像平面上每一个像素点的光线是已知的，由光 线追击，可以得到这条光线和理想面形的交点，以及相应入射光线和显示屏的交点T( Xl，yi， 0)。从图2可以看出，51 = 1￡1^，57 = 7￡11^以及实际横向像差与理想横向像差之差513，
(2)
[0026]上式中Sb的大小依赖与待测镜面相对其理想面形的偏差，假定理想面形的表达式 为f(r)，待测镜面的偏差为g(r)，基于朗奇检测的几何原理，沿法线方向待测镜面的偏差梯 度为
⑶
[0028] 上式中D是液晶显示屏和镜面顶点之间的距离，N是理想面形法线和oz轴的交点与 镜面顶点之间的距离。积分公式(3)中待测镜面偏差梯度的x，y分量，恢复沿法线方向的待 测镜面偏差，利用待测镜面偏差和理想面形之间的关系，重建待测镜面。
[0029] 图4是利用直的正弦条纹实际检测一个凹的抛物面镜的过程中，相机采集携带待 测镜面相对其理想面形偏差信息的8幅相移条纹图中的2幅，其中图4(a)为垂直方向的条纹 图，图4(b)为水平方向的条纹图。
[0030]图5是利用本发明重建的待测镜面面形。
【主权项】
1. 一种检测非球面的相位测量偏折方法，其特征在于，具体包括如下步骤： 1) 建立检测光路:待测镜面的镜面正对液晶显示屏，即待测镜面顶点与液晶显示屏中 心的连线垂直于液晶显示屏面，半透半反镜倾斜置于待测镜面和液晶显示屏之间，从液晶 显示屏发出的光经过半透半反镜照亮整个待测镜面，经待测镜面反射的光再次被半透半反 镜反射，最终由相机接收，信号经相机送入计算机； 2) 将液晶显示屏、待测镜面和相机坐标统一在一个坐标系下，建立的笛卡尔坐标系，计 算机编译直正弦条纹送液晶显示屏显示； 3) 相机采集经过待测镜面反射的直正弦条纹，送计算机中分析； 4) 计算机分析获得待测镜面相对其理想面形的偏差梯度，再对偏差梯度进行积分，恢 复待测镜面的偏差，最后利用此偏差和理想面形之间的关系重建待测镜面的三维面形。2. 根据权利要求1所述检测非球面的相位测量偏折方法，其特征在于，所述步骤3)直正 弦条纹的液晶显示屏被作为正弦光栅和相移装置，使正弦条纹产生相移。3. 根据权利要求1或2所述检测非球面的相位测量偏折方法，其特征在于，所述直正弦 条纹包括垂直正弦条纹和水平正弦条纹，垂直正弦条纹与水平正弦条纹的方向不同，周期、 相位、幅值都相同。4. 根据权利要求3所述检测非球面的相位测量偏折方法，其特征在于，所述计算机分析 获得待测镜面相对其理想面形的偏差梯度具体包括:通过找采集条纹和正弦光栅的同名相 位点来确定过像平面上每一像素点光线的实际横向像差，再利用相机像平面上像素点与光 线关系，由光线追击得到这条光线和理想面形的交点来确定理想横向像差，然后基于朗奇 检测的几何原理得到沿非球面法线方向的待测镜面偏离其理想面形的偏差梯度。
【文档编号】G01M11/00GK106017863SQ201610309060
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】郭春凤, 林晓艳, 邹军, 居家奇
【申请人】上海应用技术学院