專利名稱：等矢高系數(shù)比較法數(shù)字化無損檢測大曲率半徑檢測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是一種新穎的光學檢測系統(tǒng)，等矢高系數(shù)比較法數(shù)字化無損檢測系統(tǒng)特別適用于各類寬范圍大曲率半徑的測量。
背景技術：
球面曲率半徑的測量就其測量方法有接觸式及非接觸式。一般對小曲率半徑的測量有球面樣板法、球經(jīng)儀法及自準直顯微鏡法，而一般激光器諧振腔的曲率半均比較大，尤其是曲率半徑變化的范圍也越來越大，如從1-25米或更大。對于大曲率半徑測量，一般有自準直望遠鏡法、刀口儀法、牛頓環(huán)法、激光球面干涉儀法以及莫爾偏折術法。這些方法可以對某一范圍的曲率半徑進行測量，有些方法雖具有較高精度，但有較多的局限性，且結構都較龐大。
牛頓環(huán)測量的數(shù)學模式是測量其干涉環(huán)的半徑，對于大曲率半徑而言，測試可以達到較高的精度，已有利用非接觸的牛頓環(huán)測試方法，它是采用物象距滿足2f的1∶1光學干涉成象系統(tǒng)，對牛頓環(huán)進行人工判讀，精度為0.5％，其雖然達到了非接觸的測量目的，但是測量速度慢，效率低。如1∶1成象系統(tǒng)要快速數(shù)字化處理則必須有與被測口徑相應的高分辨率、大口徑的數(shù)字成象器件，在目前尚有困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是研究一種全新測量系統(tǒng)，以非接觸牛頓環(huán)測量為前提，利用一構思巧妙、簡潔的掃描體系，將CCD成象與計算機數(shù)據(jù)處理及判讀結合的新方法。其不但測量范圍大，而且能非接觸檢測凹、凸球面，同時對環(huán)境的要求不是太苛刻，是一個結構簡單、使用方便、實時快速新穎的曲率半徑非接觸的測量系統(tǒng)。
大曲率半徑測量系統(tǒng)的光學原理如附

圖1所示，He-Ne激光束經(jīng)擴束準直后垂直射入一偏振分光鏡(PBS)，反射光射入?yún)⒖济?，透射光線經(jīng)一五棱鏡后，垂直射入被檢面后返回，經(jīng)偏振分光鏡PBS后形成中疏邊密的同心圓環(huán)，又經(jīng)成象系統(tǒng)成象在CCD列陣上，為適應不同反射率的被測面，用偏振系統(tǒng)，旋轉1/2波片可調(diào)節(jié)雙光束的光強，即通過PBS的P、S分量，使得到更好的條紋對比度，測量方程為R=r2Nλ]]>或R=r22-r12(N2-N1)λ----(1)]]>式中ri——對應某一暗環(huán)的半徑；N——該暗環(huán)相對中心的條紋級次；λ——波長。
因為非接觸測量中心未必為零級，因此必須用兩個暗環(huán)半徑的后式計算。測試中，首先調(diào)試出理想的干涉條紋，圖2(a)(b)是利用圖1系統(tǒng)在CCD象面上得到的非接觸牛頓環(huán)圖象，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)先對如圖2(a)所示的第一幅干涉圖進行圖象采集及存儲，由計算機判讀確定O點，然后五棱鏡掃描系統(tǒng)沿平行于入射光軸方向移動，光束沿被測球面掃描，此時條紋中心O點移到如圖2(b)所示O′處，同理計算機判讀確定O′點，OO′之間的象素數(shù)是Pl。同時，精密測長系統(tǒng)在掃描的同時，測出五棱鏡系統(tǒng)的實際移動距離l。由此方程(1)可寫為R=r22-r12(N2-N1)λ=K2(Pr22-Pr12)(N2-N1)λ]]>=(lp1)2(Pr22-Pr12)(N2-N1)λ----(2)]]>式中l(wèi)——OO′之距，對應CCD象素數(shù)Pl；K——物面長度值與象面素數(shù)對應的比例系數(shù) ——對應的第i個暗環(huán)間的象素數(shù)掃描可以有兩種形式一個為圖1(a)所述的五棱鏡掃描系統(tǒng)。也可以用圖1(b)的形式。用反射鏡代替五棱鏡，而對樣品進行掃描并測出移動距離l。采用樣品掃描的前提是必須有一個精密移導系統(tǒng)，否則導軌的非直線性將使樣品傾斜，從而使沿被檢面中心的反射光線不能沿原路返回，在CCD成象面上引入誤差，同時也使l的計量引入一階阿貝誤差，而五棱鏡掃描系統(tǒng)的特點是入、出射光線基本上始終成90°角(這主要是由五棱鏡的加工角度的精度而定)。因此掃描過程中，沿被檢面中心的反射光線對導軌非直線性影響是不敏感的，則中心的反射光線始終沿原路返回。這樣就可以避免精密計算中由于導軌非直線性而引入的一階阿貝誤差，保證l的測試精度。
該干涉測試系統(tǒng)的特點是參考面與被檢面置于同一方向，且盡量靠得很近，以有效地抑制外界環(huán)境干擾，將牛頓法的接觸式改進成非接觸測量，以免面形受損，同時又可測凹面，五棱鏡掃描精密測長系統(tǒng)與CCD條紋定位技術結合，用計算機即可作出一系列的數(shù)據(jù)處理與判讀。
測量中，根據(jù)不同的曲率半徑按接近等矢高測量確定被測面口徑，使投影在CCD象面上有適量條紋，主要是為以下的干涉圖象的離散化處理滿足抽樣定理及多項式擬合，這樣對于不同半徑的被測球面，成象系統(tǒng)可變焦以滿足CCD上有適量的條紋數(shù)，以便于干涉條紋的解析法的數(shù)據(jù)處理及判讀。如對R＝25米時，當光束口徑為25mm時，視場中則有近10條條紋，有利于圖象的數(shù)據(jù)處理。
條紋圖象的數(shù)字化處理上述光學系統(tǒng)產(chǎn)生的干涉圖象CCD采樣及A/D轉換后，沿干涉圖中心所得到的理想曲線。這是一組沿X方向伸展的中疏邊密的每一周期內(nèi)按余弦規(guī)律變化的離散圖樣。由(2)式可知，必須求出任兩個暗環(huán)的半徑。觀察圖樣，在每一周期內(nèi)與拋物線的形狀類似。考慮在相鄰的峰一峰處于干涉條紋分區(qū)間進行多項式擬合，使離散圖樣連續(xù)化，求極值后可以和到N個暗環(huán)的精確值，最終求得R。
實測中，所得到的數(shù)據(jù)除信息外還包含有噪聲。這在干涉條紋的灰度圖中表現(xiàn)為波動及毛刺。圖3(a)是測量的離散數(shù)據(jù)圖?？梢娪休^大的噪聲，因此上述數(shù)據(jù)擬合中無法確定擬合區(qū)間，而區(qū)間有誤，將影響多項式的擬合，使暗環(huán)的極值點移位。數(shù)據(jù)處理中，利用移動平滑法的數(shù)字濾波器，濾去隨機噪聲得到較光滑的離散數(shù)據(jù)圖，其方程為Yj(n)=1NΣi=-mmXj+i(n)----(3)]]>式中N——平均數(shù)據(jù)點的點數(shù)，N＝2m+1；Xj+i(n)——不同j點的數(shù)據(jù)值；Yj(n)——i＝0點的平均值。處理中對Yj(n)采用9點平滑，由Z變換求出傳遞函數(shù)，其頻率響應H(ejω)=15[cos4(ω)+cos3(ω)+cos2(ω)+cos(ω)+1]----(4)]]>可見相當于一個低通濾波器，其對高頻分量即噪聲的平滑作用非常明顯。而牛頓環(huán)呈低頻變化規(guī)律，不受濾波器的影響。圖3(b)是用數(shù)字濾波器得到的光滑后的離散數(shù)據(jù)圖，該圖在一個周期內(nèi)符合拋物線變化規(guī)律。在數(shù)據(jù)處理中判讀區(qū)間，在每個區(qū)間內(nèi)用Y(x)＝a0+a1x+a2x2(5)式(5)在每一周期內(nèi)擬合，相應的法方程(加權為1)為9ΣxiΣxi2ΣxiΣxi2Σxi3Σxi2Σxi3Σi4a0a1a2=ΣyiΣxiyiΣxi2yi----(6)]]>式中求和∑是 的簡寫。用消去法解此方程組可以求得a0，a1，a2條紋中心在光強分布極小值處。令dydx=0,]]>可得某區(qū)間暗紋中心坐標xi=-a12a2i=1,2,3,K----(7)]]>則環(huán)半徑ri＝|xi-x0|·K (8)式(7)(8)中X0是中心點的坐標，Xi已是經(jīng)過擬合的在連續(xù)函數(shù)上的極值點的精確位置，可精確到1/5～1/10象素，最終曲率半徑可由視場中N個環(huán)中的任何兩個環(huán)半徑計算后的M個排列組合的均值得到R‾=1MΣi=1MRi=1MΣ1M(ri2-rj2(Ni-Nj)λ)----(9)]]>條紋級次i，j＝1，2，3，ΛN i≠j； 由于曲率半徑是多個R的平均，上述計算還可以降低由于局部變形引入的曲率半徑的測量誤差。
系統(tǒng)的誤差分析該測試方法的主要誤差來源和最終的相對精度ΔR/R可對(2)式進行微分(注r1與r2的測量誤差是相同的)得到ΔR=±2(∂R∂l)2Δl2+(∂R∂Pl)2ΔPl2+(∂R∂Pr)2ΔPr2+(∂R∂λ)2Δλ2----(10)]]>由于波長的誤差為一二階小量，忽略不計，則可導出ΔRR=±22(1l)2Δl2+(1Pr)2ΔPr2+(1Pl)2ΔPl2----(11)]]>從(11)式可看出，與相對誤差相關的參數(shù)有移動距離l的精確度Δl；與暗紋半徑r及移動距離l有關的參數(shù)Pr，Pl和它們的定位精度ΔPr，ΔPl?？梢?，l，Pr，Pl取大則誤差可降低。
由于利用了五棱鏡掃描系統(tǒng)，入、出射光線的角度由五棱鏡的加工精度而定，因此對于移導系統(tǒng)的非直線性要求大為降低。如控制精密測長系統(tǒng)的誤差Δl＝1μm，與圖象數(shù)字化抽樣網(wǎng)格N1×N1有關的象素值取pr＝pl＝320，暗紋的定位誤差ΔPr=ΔPl=1/5~1/10]]>象素。將上述參數(shù)代入(11)式可得R＝3m2l=3mm,ΔRR=0.00156]]>R＝25m2l=10mm,ΔRR=0.00128]]>可得其余R的 均小于0.2％，理論分析具有較高的相對精度。
初步實驗結果及分析CCD面陣的口徑是1/3英寸，采用經(jīng)圖象數(shù)字化后的象元數(shù)pr＝pl≥320。對一激光器諧振腔的曲率半徑用圖1(a)(b)兩種掃描系統(tǒng)進行測量及比較。圖2(a)(b)即為掃描前后的兩幅干涉圖。圖2(c)為沿X軸的過牛頓環(huán)中心理想的曲線圖。圖3(a)是測量的沿牛頓環(huán)中心的離散數(shù)據(jù)圖。圖3(b)是利用移動平滑法的數(shù)字濾波器濾去隨機噪聲得到光滑的離散數(shù)據(jù)圖。在圖3(b)的基礎上，利用方程(5)～(9)式進行數(shù)據(jù)處理。表1是兩種系統(tǒng)分別對名義尺寸為1m和2m的激光器諧振腔的曲率半徑的測量結果。
表1曲率半徑的測量結果及比較樣品掃描R＝1m 五棱鏡掃描1.044 1.941測量值(m) 1.137 2.0701.181 2.004均值R(m) 1.112 2.004相對誤差 11.2 0.2ΔR/R(％)從表1可見，平面反射鏡固定而樣品掃描移動的系統(tǒng)其測量的曲率半徑值均偏大，這是由于一階阿貝誤差的影響，即移導系統(tǒng)的非直線性而導致導軌移動方向與被測標準平面的方向不一致，有一微小傾角。則l的值總是大于實際的OO′，使曲率半徑的測量結果也偏大，而掃描系統(tǒng)在掃描時，五棱鏡的移動量與投影在被測面上是保持一致的，這是由五棱鏡的性質決定的，測長系統(tǒng)的移動方向與五棱鏡入射光線方向一致，消除了阿貝誤差，測量的結果相對理論值有大有小，符合計量中誤差的分布規(guī)律，與理論分析一致。
該系統(tǒng)用非接觸牛頓環(huán)法與現(xiàn)代CCD干涉條紋解析法計量技術結合，具有較高的相對精度，可測曲率半徑范圍大，不受凹、凸面限制，儀器結構緊湊，尤其不需要與半徑等長的移導系統(tǒng)及暗室條件，對環(huán)境要求不苛刻可利用多次采樣數(shù)據(jù)處理，降低系統(tǒng)隨機噪聲，自動化程度高。特別適用于各類大曲率半徑尤其是高精度激光器諧振腔的測量。
具體實施例方式
實施例1本發(fā)明的半徑測量的光學系統(tǒng)如附圖1所示，He-Ne激光束經(jīng)擴束后垂直射入一偏振分光鏡PBS，反射光射入?yún)⒖济?，透射光線經(jīng)一五棱鏡后，垂直射入被檢面后返回，經(jīng)PBS后形成中疏邊密的同心圓環(huán)，又經(jīng)成象系統(tǒng)成象在CCD列陣上。為適應不同反射率的被測面，用偏振系統(tǒng)，可調(diào)節(jié)雙光束的光強，旋轉1/2波片，可以調(diào)節(jié)通過PBS的P、S分量，使得到更好的條約對比度，可以對長曲率半徑1～25米的凹凸球面半徑進行高精度非接觸檢測。
利用等矢高系數(shù)比較法數(shù)字化無損檢測大曲率半徑系統(tǒng)，將光學系統(tǒng)產(chǎn)生的牛頓環(huán)與計算機數(shù)據(jù)圖象處理的最小二乘法多項式擬合技術相結合，利用計算機根據(jù)測量原理編制自動判讀軟件，最終求得大曲率半徑R。
實施例2偏振光路系統(tǒng)與樣品掃描系統(tǒng)的組合，如圖1。0.6328μm的He-Ne線偏振激光束經(jīng)可旋轉的1/2波片后，再經(jīng)準直擴束后射入偏振分光鏡PBS，旋轉1/2波片可調(diào)節(jié)偏振光束的P、S分量的大小，垂直于主截面振動的S分量沿路徑1/4波片——參考鏡——再經(jīng)1/4波片，偏振分量旋轉90°而透過偏振分光鏡PBS，同理P分量沿路經(jīng)1/4波片——被檢面——再經(jīng)1/4波片后偏振分量旋轉90°而被PBS反射。兩垂直分量經(jīng)檢偏器后形成干涉，干涉圖經(jīng)成象透鏡后被CCD所接受。檢測中，如圖1(b)所示，只需移動被檢面，移導系統(tǒng)正確記錄樣品移動的長度l，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計算出CCD上對應移動量的象素數(shù)，根據(jù)公式，就可求出相應的比例系數(shù)K。該系統(tǒng)為降低阿貝誤差，移導系統(tǒng)要具有較好的直線性。
實施例3偏振光路系統(tǒng)與五棱鏡掃描系統(tǒng)的組合。同樣在實施例2的偏振光路中，用五棱鏡掃描代替樣品掃描，如圖1(a)所示，即樣品固定，移動五棱鏡對樣品掃描，同樣可以求得比例系數(shù)K。由于五棱鏡的入、出射光線基本上始終成90°角，因此對移導系統(tǒng)導軌的非直線性不敏感，可以提高測量精度。
實施例4非偏振光路系統(tǒng)與樣品掃描系統(tǒng)的組合。在實施例2中，當被檢面與參考面的反射率接近時可以采用非偏振系統(tǒng)，即可以省去1/2波片、1/4波片和檢偏器這些偏振器件，用普通分光鏡替代偏振分光鏡。0.6328μm的He-Ne激光束經(jīng)準直擴束后射入普通分光鏡BS，一路經(jīng)參考鏡反射后透過BS；同理另一路經(jīng)被檢面反射后再被BS反射，兩束光會聚后形成干涉，曲率半徑干涉圖經(jīng)成象透鏡后被CCD所接受。檢測中，如圖1(b)所示，只需移動被檢面，移導系統(tǒng)正確記錄樣品移動的長度l，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計算出CCD上對應移動量的象素數(shù)，根據(jù)公式，就可求出相應的比例系數(shù)K。
實施例5非偏振光路系統(tǒng)與五棱鏡掃描系統(tǒng)的組合。同樣在實施例4的非偏振光路中，用五棱鏡掃描代替樣品掃描。即樣品固定，移動五棱鏡對樣品掃描，同樣可以求得比例系數(shù)K。由于五棱鏡的入、出射光線基本上始終成90°角，因此對移導系統(tǒng)導軌的非直線性不敏感，可以提高測量精度。
權利要求
1.一種半徑測量的光學檢測系統(tǒng)，如附圖1所示。其特征在于用He-Ne激光束經(jīng)擴束后垂直射入一偏振分光鏡PBS，反射光射入?yún)⒖济?，透射光線經(jīng)一五棱鏡后，垂直射入被檢面后返回，經(jīng)偏振分光鏡PBS后形成中疏邊密的同心圓環(huán)，又經(jīng)成象系統(tǒng)成象在象面(CCD)列陣上，利用偏振系統(tǒng)，可調(diào)節(jié)雙光束的光強，旋轉1/2波片，調(diào)節(jié)通過偏振分光鏡PBS的P、S分量，使得到更好的條紋對比度，將光學系統(tǒng)產(chǎn)生的牛頓環(huán)與計算機數(shù)據(jù)圖象處理及最小二乘法多項式擬合技術相結合，利用計算機根據(jù)測量原理編制自動判讀軟件，利用等矢高系數(shù)比較法數(shù)字化無損檢測系統(tǒng)最終求得曲率半徑R。
2.根據(jù)權利要求1所述的檢測系統(tǒng)，其特征在于檢測系統(tǒng)利用光學雙光束干涉方法產(chǎn)生非接觸牛頓環(huán)。
3.根據(jù)權利要求1所述的檢測系統(tǒng)，其特征在于利用等矢高系數(shù)比較法檢測長曲率半徑。
4.根據(jù)權利要求1或3所述的檢測系統(tǒng)，其特征在于不同半徑的被檢面可在成象面(CCD)上形成適當?shù)攘康母缮媾ｎD環(huán)，便于數(shù)據(jù)處理。
5.根據(jù)權利要求1或4所述的檢測系統(tǒng)，其特征在于利用掃描系統(tǒng)求取物面掃描移動長度l與象面(CCD)象素數(shù)對應的比例系數(shù)K，作為判讀不同級次的干涉環(huán)暗環(huán)位置的依據(jù)，用于曲率半徑R的計算。
6.根據(jù)權利要求1或5所述的檢測系統(tǒng)，其特征在于采用二種掃描系統(tǒng)來求取比例系數(shù)K。
7.根據(jù)權利要求6所述的檢測系統(tǒng)，其特征在于一是樣品直接移動的掃描系統(tǒng)，另一為樣品固定，五棱棱移動掃描系統(tǒng)。
8.根據(jù)權利要求1所述的檢測系統(tǒng)，其特征在于可對長曲率半徑1～25米的凹凸球面進行高精度非接觸檢測。
全文摘要
本發(fā)明是一種非接觸的測量技術，等矢高系數(shù)比較法數(shù)字化無損檢測系統(tǒng)特別適用于各類寬范圍大曲率半徑的測量。用激光偏振干涉體系產(chǎn)生非接觸的牛頓環(huán)，并與CCD圖象處理技術相結合的測量方法，可測量的曲率半徑為1－25米，具有很寬的測量范圍，非接觸測量不會損壞高精度表面，并可測試任意反射率的凹、凸球面，而測試體系結構都非常緊湊。干涉條紋經(jīng)計算機數(shù)據(jù)處理可自動、快速獲得測量結果。
文檔編號G01B9/02GK1438468SQ03114760
公開日2003年8月27日 申請日期2003年1月5日 優(yōu)先權日2003年1月5日
發(fā)明者楊甬英, 卓永模 申請人:浙江大學