基于光线追迹的面形三维测量系统的制作方法

本发明涉及高精度测量技术领域，特别是涉及一种光线追迹的面形三维测量系统。

背景技术

光学表面的测量已经成为航空、航天、医疗器械、通讯系统和微机电系统等领域的关键问题。高精度测量是光学表面加工质量的重要保证。对光学元件来说，测量表面的公差要求需达到微米甚至纳米量级。然而，随着光学元件的面形复杂度增高，目前的光学元件已经从传统的平面和球面光学元件，拓展到光学非球面和光学自由曲面。尤其是针对目前广泛应用的光学自由曲面无论是其加工效率还是制作成本都不能和传统的球面相比，其中最亟待解决的问题就是面形的精密检测。一般的测量方法分为接触式测量和非接触式测量。

接触式测量具有很大的垂直测量范围，垂直方向动态比率高，可以获取表面粗糙度、波纹度、形状误差及其他一些形貌特征等综合信息。但接触式测量会因测量压力过大损伤测量面，甚至引起探测针的变形和磨损。同时这种方法存在逐点测量、速度慢的特点，不利于进行快速三维面形数据的获取。

相对于传统的接触式三维测量技术而言，非接触式光学三维测量技术具有非接触性、精度高的优点，可以避免对被测物体造成损伤，因此更适合光学表面的测量。常用的非接触式光学表面的测量方法包括：激光干涉法、投影光栅测量法、反射光栅测量法、shack-hartmann波前像差传感器、扫描共焦显微镜法和白光干涉法等。但是，目前的非接触式光学测量很难测得大曲率、大斜率以及面形复杂自由的光学表面。并且非接触式测量的结果与实际的设计模型之间也很难进行比对和分析。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是克服现有技术的不足，结合光学设计模型采用的光线追迹理论，提供一种光线追迹的面形三维测量系统。

为实现本发明的目的，本发明提供了一种光线追迹的面形三维测量系统，包括光源、整形及准直透镜、微反射镜阵列dmd、tir棱镜、透镜组、待测样品、镜头和含有精密运动机构的探测器ccd，

基于光线追迹原理和光场表述方法，获得透射样品的波前信息；

搭建图示系统，首先移除待测样品，利用计算机控制光源和微反射镜阵列dmd，将入射光线进行结构光编码，通过精密运动机构控制探测器ccd沿主光线方向移动，获得入射光线的位置、角度和光强信息，完成系统标定；

在测量位置放置待测样品，控制光源和微反射镜阵列dmd，将入射光线进行扫描控制，该入射光线的分布和扫描方式可以逐点扫描，也可以根据待测面形特征设置扫描光的结构；

通过精密运动机构控制探测器ccd获得出射光线的位置、角度和光强信息，完成样品测量；

根据标定信息和测量信息，将出射光斜率重新构建为实际的波前信息，获得待测透射样品的波前。

本发明还提供了另外一种光线追迹的面形三维测量系统，包括光源、整形及准直透镜、微反射镜阵列dmd、tir棱镜、分光棱镜、透镜组和含有精密运动机构的探测器ccd，

基于光线追迹原理和光场表述方法，获得反射样品的波前信息和面形信息；

搭建图示系统，首先将待测样品位置放置标准反射镜，利用计算机控制光源和微反射镜阵列dmd，将入射光线进行结构光编码，通过精密运动机构控制探测器ccd沿主光线方向移动，获得入射光线的位置、角度和光强信息，完成系统标定；

在测量位置移除标准反射镜，放置待测样品，控制光源和微反射镜阵列dmd，将入射光线进行扫描控制，该入射光线的分布和扫描方式可以逐点扫描，也可以根据待测面形特征设置扫描光的结构；

通过精密运动机构控制探测器ccd获得出射光线的位置、角度和光强信息，完成样品测量；

根据标定信息和测量信息获得待测反射样品的波前和面形；

采用不同相位面的出射光斜率重新构建为实际的波前信息，采用相同光线的入射光和出射光的位置和角度根据反射定律计算待测样品的面形信息。

本发明还提供了另外一种光线追迹的面形三维测量系统，包括光源、整形及准直透镜、微反射镜阵列dmd、tir棱镜、分光棱镜、透镜组、镜头、含有精密运动机构的探测器ccd1和含有精密运动机构的探测器ccd2，

基于光线追迹原理和光场表述方法，获得透射样品的两个面的面形和位置信息；

搭建图示系统，首先将待测样品位置放置镀半透半反膜的标准平行平板，利用计算机控制光源和微反射镜阵列dmd，将入射光线进行结构光编码，通过精密运动机构控制探测器ccd1和ccd2分别沿主光线方向移动，获得入射光线的位置、角度和光强信息，完成系统标定；

在测量位置放置待测样品，控制光源和微反射镜阵列dmd，将入射光线进行扫描控制，该入射光线的分布和扫描方式可以逐点扫描，也可以根据待测面形特征设置扫描光的结构；

通过精密运动机构控制探测器ccd1和ccd2获得出射光线的位置、角度和光强信息，完成样品测量；其中第一个探测器ccd1可用相同光线的入射光和出射光的位置和角度根据反射定律计算待测样品第一个面的面形信息，第二个探测器ccd2可用相同光线的入射光和出射光的位置和角度根据折射定律、第一个面的面形和元件折射率计算待测样品第二个面的面形信息。

本发明由于采取所述技术方案，其具有以下优点：

(1)本发明采用微反射镜阵列dmd器件和光源可以精确的控制入射光线的位置。采用合适的光学透镜可以精确的控制入射光线的角度。由此可以满足光线追迹的入射光的多种需求，有效地提高了测量系统的适用范围。

(2)本发明采用高精度运动导轨和控制器作为探测器的定位。采用高分辨率ccd作为探测器。当两者结合时，可以测量获得光线位置，即光场原理表征出射光线的位置、角度和光强，有效地获得更多的测量信息。

(3)本发明通过入射光的扫描路径设置，可以准确追迹每一条光线的入射和出射信息，增大了光线的测量范围，为此增大光学元件的测量斜率和曲率范围，适用于更为面形复杂的光学元件。

(4)本发明可以测量多种类型的样品，包括透射样品的波前信息、反射样品的面形和波前信息以及镀半透半反膜透射样品两个表面之间的信息。

附图说明

图1是本发明的光线追迹系统测量透射样品的原理图。

图2是本发明的光线追迹系统测量反射样品的原理图。

图3是本发明的光线追迹系统测量镀半透半反膜透射样品的原理图。

图1中，1-光源、2-整形及准直透镜、3-微反射镜阵列dmd、4-tir棱镜、5-透镜组、6-待测样品、7-镜头、8-含有精密运动机构的探测器ccd；

图2中，1-光源、2-整形及准直透镜、3-含有精密运动机构的探测器ccd、4-透镜组、5-发射样品、6-分光棱镜、7-tir棱镜、8-微反射镜阵列dmd；

图3中，1-光源、2-整形及准直透镜、10-微反射镜阵列dmd、9-tir棱镜、8-分光棱镜、4-透镜组、5-镀半透半反膜的标准平行平板样品、6-镜头、7-含有精密运动机构的探测器ccd1和3-含有精密运动机构的探测器ccd2。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明基于光线调制元件dmd器件、高精度运动控制器和图像采集技术，能够增大光学元件的测量斜率和曲率范围，适用于更为面形复杂的光学元件。

实施例1

参见图1，本发明的一种光线追迹的面形三维测量系统测量透射样品，包括光源、整形及准直透镜、微反射镜阵列dmd、tir棱镜、透镜组、待测样品、镜头和含有精密运动机构的探测器ccd。该系统基于光线追迹原理和光场表述方法，获得透射样品的波前信息。

搭建图示系统，首先移除待测样品，利用计算机控制光源和微反射镜阵列dmd，将入射光线进行结构光编码，通过精密运动机构控制探测器ccd沿主光线方向移动，获得入射光线的位置、角度和光强信息，完成系统标定；在测量位置放置待测样品，控制光源和微反射镜阵列dmd，将入射光线进行扫描控制，该入射光线的分布和扫描方式可以逐点扫描，也可以根据待测面形特征设置扫描光的结构；通过精密运动机构控制探测器ccd获得出射光线的位置、角度和光强信息，完成样品测量；根据标定信息和测量信息，将出射光斜率重新构建为实际的波前信息，获得待测透射样品的波前。

结构设置以及传播路径：测量时，光源垂直设置在整形及准直透镜上方，整形及准直透镜下方为tir棱镜，tir棱镜的左侧为微反射镜阵列dmd，右侧依次为透镜组、镜头以及ccd，其中透射样品放置在透镜组和镜头之间；

光从光源发出，依次经过整形及准直透镜微、反射镜阵列dmd、tir棱镜、透镜组、透射样品、镜头、ccd。

实施例2

参见图2，本发明的一种光线追迹的面形三维测量系统测量反射样品，包括光源、整形及准直透镜、微反射镜阵列dmd、tir棱镜、分光棱镜、透镜组、待测样品和含有精密运动机构的探测器ccd。该系统基于光线追迹原理和光场表述方法，获得反射样品的波前信息和面形信息。

搭建图示系统，首先将待测样品位置放置标准反射镜，利用计算机控制光源和微反射镜阵列dmd，将入射光线进行结构光编码，通过精密运动机构控制探测器ccd沿主光线方向移动，获得入射光线的位置、角度和光强信息，完成系统标定；在测量位置移除标准反射镜，放置待测样品，控制光源和微反射镜阵列dmd，将入射光线进行扫描控制，该入射光线的分布和扫描方式可以逐点扫描，也可以根据待测面形特征设置扫描光的结构；通过精密运动机构控制探测器ccd获得出射光线的位置、角度和光强信息，完成样品测量；根据标定信息和测量信息获得待测反射样品的波前和面形；采用不同相位面的出射光斜率重新构建为实际的波前信息，采用相同光线的入射光和出射光的位置和角度根据反射定律计算待测样品的面形信息。

结构设置以及传播路径：测量时，光源垂直设置在整形及准直透镜上方，整形及准直透镜下方为tir棱镜，tir棱镜的左侧为微反射镜阵列dmd，右侧依次为分光棱镜、透镜组，分光棱镜上方为ccd，其中发射样品放置在透镜组右侧。

光从光源发出，依次经过整形及准直透镜微、反射镜阵列dmd、tir棱镜、分光棱镜、透镜组、反射样品，反射的光经过分光棱镜、ccd。

实施例3

参见图3，本发明的一种光线追迹的面形三维测量系统测量透射样品两个面的面形和位置信息，包括光源、整形及准直透镜、微反射镜阵列dmd、tir棱镜、分光棱镜、透镜组、待测样品、镜头、含有精密运动机构的探测器ccd1和含有精密运动机构的探测器ccd2。该系统基于光线追迹原理和光场表述方法，获得透射样品的两个面的面形和位置信息。

搭建图示系统，首先将待测样品位置放置镀半透半反膜的标准平行平板，利用计算机控制光源和微反射镜阵列dmd，将入射光线进行结构光编码，通过精密运动机构控制探测器ccd1和ccd2分别沿主光线方向移动，获得入射光线的位置、角度和光强信息，完成系统标定；在测量位置放置待测样品，控制光源和微反射镜阵列dmd，将入射光线进行扫描控制，该入射光线的分布和扫描方式可以逐点扫描，也可以根据待测面形特征设置扫描光的结构；通过精密运动机构控制探测器ccd1和ccd2获得出射光线的位置、角度和光强信息，完成样品测量；其中第一个探测器ccd1可用相同光线的入射光和出射光的位置和角度根据反射定律计算待测样品第一个面的面形信息，第二个探测器ccd2可用相同光线的入射光和出射光的位置和角度根据折射定律、第一个面的面形和元件折射率计算待测样品第二个面的面形信息。

结构设置以及传播路径：测量时，光源垂直设置在整形及准直透镜上方，整形及准直透镜下方为tir棱镜，tir棱镜的左侧为微反射镜阵列dmd，右侧依次为分光棱镜、透镜组、镜头以及ccd2，分光棱镜上方为cc,1，其中发射样品放置在透镜组和镜头之间。

光从光源发出，依次经过整形及准直透镜微、反射镜阵列dmd、tir棱镜、分光棱镜、透镜组、样品、镜头、ccd2，从样品发射的光通过透镜组、分光棱镜、ccd2。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。