專利名稱：電子虛擬樣板非球面檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于先進(jìn)光學(xué)制造與檢測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種檢測光學(xué)非球面反射元件的新方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)非球面元件表面面形最通用的測量方法是干涉檢測技術(shù)，在該項(xiàng)技術(shù)當(dāng)中，零位補(bǔ)償干涉檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于非球面拋光階段的面形測量，所謂的零位補(bǔ)償法即設(shè)計(jì)一種帶有特定波象差的光學(xué)系統(tǒng)(稱之為零位補(bǔ)償器)，其中的零位補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)是基于理想非球面的，檢驗(yàn)光束經(jīng)由數(shù)字波面干涉儀出射至補(bǔ)償器，光束經(jīng)過補(bǔ)償器再經(jīng)被檢驗(yàn)非球面反射，再次經(jīng)過補(bǔ)償器后回到干涉儀，此時(shí)包含有被檢驗(yàn)非球面面形誤差信息的檢驗(yàn)光與參考光相互干涉形成干涉條紋，對干涉條紋進(jìn)行分析、處理即可得到被檢驗(yàn)非球面的面形誤差。
簡言之，即通過補(bǔ)償器的波面補(bǔ)償作用，將平面波前或者球面波前變成與被檢驗(yàn)非球面的理想面形相一致的波前，以此波前與被檢驗(yàn)波前進(jìn)行比較，并通過數(shù)字干涉技術(shù)觀察二者之間的差異，從而確定被檢驗(yàn)非球面元件的面形。
但是此類零位補(bǔ)償干涉檢測方法具有一定的缺點(diǎn)，具體表現(xiàn)在針對于不同面形的非球面元件，需要設(shè)計(jì)不同的零位補(bǔ)償器，同時(shí)為了獲得高精度的測量結(jié)果，要求在設(shè)計(jì)補(bǔ)償器時(shí)，一方面使之能夠很好地校正非球面波前，使殘余誤差最小，另一方面要求補(bǔ)償元件的厚度、曲率半徑、空氣間隔、同心度等公差分配合理。如此一來，補(bǔ)償系統(tǒng)的誤差極易產(chǎn)生不正確的成像而導(dǎo)致衍射環(huán)的出現(xiàn)，并由于補(bǔ)償器中某些元件的反射光與參考光發(fā)生相互干涉，從而在像面上出現(xiàn)一些偽干涉條紋，由于這些偽條紋與檢驗(yàn)光同時(shí)發(fā)生位相移動，因此其對檢驗(yàn)結(jié)果影響很大。此外，在考慮環(huán)境因素的影響時(shí)，如空氣湍流、震動、電壓波動等不但使測量數(shù)據(jù)的采集十分困難，同時(shí)將引入隨機(jī)誤差。這是由于此類相位測量技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，其相移裝置自身精度的影響較大，較典型的相移裝置采用壓電陶瓷晶體(PZT)，其工作原理是將PZT粘貼于標(biāo)準(zhǔn)反射鏡后，利用施加于其上的直流電壓產(chǎn)生微小位移，移動標(biāo)準(zhǔn)反射鏡從而實(shí)現(xiàn)改變光程并達(dá)到改變參考光相位的目的。該裝置的缺點(diǎn)在于光線與反射鏡表面法線夾角1°的角度偏差將產(chǎn)生1％的相移誤差，同時(shí)，由于需要高的電壓源以及其電壓——位移非線性而難以獲得高的測量精度且不易于應(yīng)用。如圖1所示的就是一個(gè)傳統(tǒng)的零位補(bǔ)償干涉檢驗(yàn)裝置，包括有數(shù)字波面干涉儀1、零位補(bǔ)償器2和被檢驗(yàn)非球面3。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)非球面零位補(bǔ)償干涉檢驗(yàn)技術(shù)中存在針對不同面形非球面需要設(shè)計(jì)不同的零位補(bǔ)償器，同時(shí)零位補(bǔ)償器的制造精度及裝配精度難于實(shí)現(xiàn)、測量受諸多因素影響等不足，提供一種不需要設(shè)計(jì)專門的補(bǔ)償器及相移裝置就可對非球面面形進(jìn)行檢測的電子虛擬樣板檢測方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種電子虛擬樣板非球面檢測方法，該方法首先利用數(shù)字波面干涉儀直接檢測被檢驗(yàn)非球面得到實(shí)際條紋一維印板，其特征在于該方法還包括如下后續(xù)步驟使所述實(shí)際條紋一維印板與一個(gè)高分辨率CCD攝像頭的發(fā)射光束同光軸且平行對焦；將所述高分辨率CCD攝像頭拍攝到的實(shí)際條紋一維印板的信息通過圖像采集卡實(shí)時(shí)傳輸至計(jì)算機(jī)，并存儲起來；利用計(jì)算機(jī)中的程序依次進(jìn)行如下處理1)利用數(shù)字相移技術(shù)進(jìn)行疊柵處理，即模擬出理想非球面的三幅等位相差面形光柵作為參考光柵，存儲于計(jì)算機(jī)中；將存儲于計(jì)算機(jī)中的由圖像采集卡獲取的實(shí)際條紋一維印板的信息光柵與所述的參考光柵分別進(jìn)行實(shí)時(shí)同步放大、疊柵處理，產(chǎn)生三幅數(shù)字相移電子疊柵條紋；2)對所述疊柵條紋進(jìn)行中值濾波處理，即以疊柵條紋局部域灰度的中位數(shù)作為濾波器的輸出灰度，復(fù)現(xiàn)圖像原有的清晰輪廓；3)對濾波處理后的疊柵條紋進(jìn)行位相計(jì)算，包括減法運(yùn)算及模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后對所述疊柵條紋進(jìn)行波前重構(gòu)，獲得被檢測面的真實(shí)面形條紋。
所述的利用數(shù)字相移技術(shù)進(jìn)行疊柵處理是以理論條紋光強(qiáng)分布作為特征量，提取理想非球面在等位相差處的三幅灰度圖像作為參考光柵。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于檢驗(yàn)非球面時(shí)，不需要針對不同的非球面元件設(shè)計(jì)專用的補(bǔ)償器，從而避免任何由于補(bǔ)償器制造及裝配誤差引入的檢驗(yàn)光束波前的變化，進(jìn)而消除由于不正確成像而導(dǎo)致嚴(yán)重影響測量結(jié)果的衍射環(huán)的出現(xiàn)。在考慮環(huán)境因素的影響時(shí)，如空氣湍流、震動等，本發(fā)明所述方法受擾動小、分析結(jié)果重復(fù)精度高。本發(fā)明所述的電子虛擬樣板非球面檢測方法與CCD攝像頭的分辨率密切相關(guān)，由于近年來高分辨率CCD攝像頭的不斷進(jìn)展，因此本發(fā)明提供的全新的非球面檢驗(yàn)方法具有更加廣泛的實(shí)際推廣應(yīng)用前景。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)的零位補(bǔ)償干涉檢驗(yàn)裝置示意圖。
圖2為直接利用數(shù)字波面干涉儀獲得被檢驗(yàn)非球面實(shí)際條紋一維印板的裝置示意圖。
圖3為實(shí)施本發(fā)明所述方法的裝置的示意圖。
圖4為本發(fā)明所述方法的工作流程概念框圖。
圖5為本發(fā)明的疊柵條紋中值濾波處理流程圖。
圖6a、6b為本發(fā)明的波前重構(gòu)過程示意圖。
1為數(shù)字波面干涉儀，2為零位補(bǔ)償器，3為被檢驗(yàn)非球面，4為實(shí)際條紋一維印板，5為高分辨率CCD攝像頭，6為圖像采集卡，7為計(jì)算機(jī)，8為疊柵處理程序模塊，9為中值濾波處理程序模塊，10為位相計(jì)算程序模塊，11為波前重構(gòu)程序模塊。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明如圖2所示，首先直接利用數(shù)字波面干涉儀獲得被檢驗(yàn)非球面面形實(shí)際條紋一維印板。裝置主要包括有數(shù)字波面干涉儀1和被檢驗(yàn)非球面3。
如圖3所示，將利用數(shù)字波面干涉儀直接測得的被檢驗(yàn)非球面實(shí)際條紋一維印板4裝卡于一夾具上，并借助于一具有五維自由度的調(diào)整平臺將固定于其上的高分辨率CCD攝像頭5的發(fā)射光束調(diào)整得與實(shí)際條紋一維印板4同光軸且平行對焦；將圖像采集卡6直接插接于計(jì)算機(jī)主板上的PCI插槽，并通過數(shù)據(jù)線與高分辨率CCD攝像頭5實(shí)時(shí)連接；啟動裝置，程序初始化后，按照圖4所示流程處理，即用高分辨率CCD攝像頭5拍攝實(shí)際條紋一維印板4并將信息實(shí)時(shí)傳輸至圖像采集卡6后存儲于計(jì)算機(jī)硬盤中；利用數(shù)字相移技術(shù)模擬出理想非球面的面形光柵，作為參考光柵，具體而言是以條紋光強(qiáng)分布作為特征量，提取出理想非球面在等位相差(位相差為π/2)處的三幅灰度圖像，并存儲于計(jì)算機(jī)的幀存儲器中；首先執(zhí)行疊柵處理程序模塊8，即將存儲于計(jì)算機(jī)硬盤中的由圖像采集卡6獲取的實(shí)際條紋一維印板4的信息光柵與三幅等位相差參考光柵分別實(shí)時(shí)同步放大、疊柵處理，從而產(chǎn)生出三幅數(shù)字相移電子疊柵條紋；由于圖像的傳輸、轉(zhuǎn)換以及疊加將會造成像質(zhì)下降，并表現(xiàn)為電子疊柵條紋中的高頻噪聲成份，其特點(diǎn)常呈現(xiàn)孤立離散性分布，并與領(lǐng)域像素有較明顯差異，因此，為了能夠正確地對疊柵條紋進(jìn)行判讀，需要對疊柵條紋執(zhí)行中值濾波處理程序模塊9，其處理思想是局部域灰度的中位數(shù)作為濾波器的輸出灰度，信號中值為按信號大小順序排列后的中間值，用一個(gè)有奇數(shù)點(diǎn)的滑動窗口，并將窗口中心點(diǎn)的值用窗口內(nèi)的各點(diǎn)中值代替，按照圖5中所示的流程執(zhí)行濾波，首先選擇一個(gè)(2n+1)×(2n+1)的窗口，自然數(shù)n的取值范圍為
，這里n取2，即用5×5的窗口沿圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行列或行方向移位滑動，每次移位后，對窗口中心位置進(jìn)行重新排序，用排序所得到的中值代替窗口中心位置的原始像素灰度值，執(zhí)行判斷并循環(huán)，直至復(fù)現(xiàn)圖像原有的清晰輪廓；隨后，執(zhí)行位相計(jì)算程序模塊10，即通過對疊柵條紋的減法運(yùn)算及模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)位相計(jì)算并在讀存儲器解碼地址內(nèi)查詢獲得后，就可對數(shù)字相移疊柵條紋進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，但是由于位相差是光強(qiáng)反正切形式，將引起位相不連續(xù)，且其計(jì)算結(jié)果僅局限于第三、四象限上，即[-π/2，π/2]，縮小了位相取值范圍，使得到的光程差不超過半個(gè)波長。對于上述問題，本發(fā)明的解決辦法是利用波前重構(gòu)程序模塊11，首先執(zhí)行圖6a所示的波前位相模2π處理，將位相范圍延展至
區(qū)間，具體而言是判斷疊柵條紋光強(qiáng)值的正負(fù)，每當(dāng)實(shí)際位相值為2π的整數(shù)倍時(shí)，計(jì)算所得值返回0，在波前重構(gòu)過程中，由于被檢測面是光滑連續(xù)的，而直接計(jì)算出的結(jié)果并沒有轉(zhuǎn)換成實(shí)際的位相值，因此繼續(xù)采取圖6b所示的一維位相展開處理，即將模2π的位相點(diǎn)轉(zhuǎn)化成能夠表征被檢測面面形的值，重構(gòu)時(shí)，只要有一個(gè)大的不連續(xù)性出現(xiàn)，就加上一個(gè)2π或2π的整數(shù)倍來去掉這種不連續(xù)，從而獲得被檢測面的真實(shí)面形條紋。
本發(fā)明適用于檢驗(yàn)大曲率半徑的光學(xué)非球面面形。
權(quán)利要求
1.電子虛擬樣板非球面檢測方法，該方法首先利用數(shù)字波面干涉儀直接檢測被檢驗(yàn)非球面得到實(shí)際條紋一維印板，其特征在于該方法還包括如下后續(xù)步驟使所述實(shí)際條紋一維印板與一個(gè)高分辨率CCD攝像頭的發(fā)射光束同光軸且平行對焦；將所述高分辨率CCD攝像頭拍攝到的實(shí)際條紋一維印板的信息通過圖像采集卡實(shí)時(shí)傳輸至計(jì)算機(jī)，并存儲起來；利用計(jì)算機(jī)中的程序依次進(jìn)行如下處理1)利用數(shù)字相移技術(shù)進(jìn)行疊柵處理，即模擬出理想非球面的三幅等位相差面形光柵作為參考光柵，存儲于計(jì)算機(jī)中；將存儲于計(jì)算機(jī)中的由圖像采集卡獲取的實(shí)際條紋一維印板的信息光柵與所述的參考光柵分別進(jìn)行實(shí)時(shí)同步放大、疊柵處理，產(chǎn)生三幅數(shù)字相移電子疊柵條紋；2)對所述疊柵條紋進(jìn)行中值濾波處理，即以疊柵條紋局部域灰度的中位數(shù)作為濾波器的輸出灰度，復(fù)現(xiàn)圖像原有的清晰輪廓；3)對濾波處理后的疊柵條紋進(jìn)行位相計(jì)算，包括減法運(yùn)算及模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后對所述疊柵條紋進(jìn)行波前重構(gòu)，獲得被檢測面的真實(shí)面形條紋。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測方法，其特征在于所述的利用數(shù)字相移技術(shù)進(jìn)行疊柵處理是以理論條紋光強(qiáng)分布作為特征量，提取理想非球面在等位相差處的三幅灰度圖像作為參考光柵。
全文摘要
電子虛擬樣板非球面檢測方法，屬于先進(jìn)光學(xué)制造與檢測技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明將計(jì)算機(jī)模擬出的三幅等位相差理論非球面干涉條紋作為參考波前；將由數(shù)字波面干涉儀直接測得的被檢驗(yàn)非球面的實(shí)際條紋一維印板用高分辨率的CCD攝像頭拍攝并由圖像采集卡傳輸至計(jì)算機(jī)中；通過對實(shí)際條紋信息進(jìn)行數(shù)字疊加，獲得三幅等位相差的數(shù)字電子疊柵條紋；進(jìn)行去噪處理、位相計(jì)算后，進(jìn)行波前重構(gòu)，從而獲得被檢測面連續(xù)面形條紋分布。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)零位補(bǔ)償檢驗(yàn)中補(bǔ)償器專用性、裝調(diào)復(fù)雜、耗時(shí)、受環(huán)境因素影響大等缺點(diǎn)，具有快速、準(zhǔn)確、針對性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的市場前景。
文檔編號G01N21/41GK1529151SQ20031010020
公開日2004年9月15日 申請日期2003年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月10日
發(fā)明者程灝波, 馮之敬, 辛科, 王英偉 申請人:清華大學(xué)