專利名稱：一種大相對(duì)口徑非球面鏡相位恢復(fù)的檢測(cè)裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種針對(duì)凹面非球面反 射鏡進(jìn)行測(cè)量的大相對(duì)口徑非球面鏡相位恢復(fù)的檢測(cè)裝置與方法。
背景技術(shù)：
在大口徑非球面鏡的拋光加工階段，通常的定量檢測(cè)方法由無像差法和 補(bǔ)償器零檢驗(yàn)法。無像差點(diǎn)法僅適用于二次曲面的檢測(cè)，然而對(duì)于大口徑非
球面鏡所需的高精度輔助鏡通常制造困難且價(jià)格昂貴。
補(bǔ)償器零檢驗(yàn)法是廣泛使用的一種大口徑非球面鏡的檢測(cè)方法，該方法 的實(shí)質(zhì)是借助補(bǔ)償器把平面或球面波前轉(zhuǎn)換為與被測(cè)非球面鏡理論形狀重 合的非球面波前，由補(bǔ)償器出射的波前，其最大優(yōu)點(diǎn)在于所適用的輔助元件 補(bǔ)償器的直徑比被檢驗(yàn)鏡直徑小得多。為了對(duì)被測(cè)非球面鏡作出可靠結(jié)論， 補(bǔ)償器必須具有所要求的面形質(zhì)量，并相對(duì)于被檢非球面正確地安裝；因此 補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)應(yīng)該足夠簡(jiǎn)單，它們的每個(gè)單片均可用通常的方法以必要的精 度檢驗(yàn)，利用各結(jié)構(gòu)元素的分別檢驗(yàn)來保證補(bǔ)償器整體檢驗(yàn)的可靠性。然而， 隨著被測(cè)非球面鏡相對(duì)口徑的增大，補(bǔ)償器可能將具有的復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，并且 對(duì)其制造和裝調(diào)精度也將提出更苛刻的要求，這使得這一檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)大 相對(duì)口徑非球面鏡時(shí)存在很多困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于衍射圖像的非 球面鏡測(cè)量方法。避免采用特殊和專門的光學(xué)器件和設(shè)備，最大程度上簡(jiǎn)化 測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低加工制造的難度，實(shí)現(xiàn)低成本、高精度、高效率的大 相對(duì)口徑非球面鏡相位恢復(fù)的檢測(cè)裝置與方法。
本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)大相對(duì)口徑非球面鏡相位恢復(fù)的檢測(cè)裝置包括安裝在平臺(tái)上的激光 源，分光棱鏡，數(shù)碼相機(jī)，所述分光棱鏡安裝在激光源的正前方，并與激光 源的光的射出方向呈45度夾角；所述數(shù)碼相機(jī)安裝在激光源的一側(cè)，且與 分光棱鏡按照光學(xué)成像原理布置；激光源與分光棱，之間安裝可變光闌，計(jì) 算機(jī)裝載專用軟件，通過電纜與激光源、數(shù)碼相機(jī)和平臺(tái)的支架的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu) 電連接。
所述平臺(tái)安裝在支架上，支架上安裝沿X、 Y、 Z軸平移和繞Y、 Z軸 轉(zhuǎn)動(dòng)的受計(jì)算機(jī)控制的五自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與計(jì)算機(jī)用電纜電連 接。
所述激光源的波長(zhǎng)為400nm-760nm。
所述數(shù)碼相機(jī)的分辨率不低于100萬象素。 所述可變光闌設(shè)置有可變光闌孔。
大相對(duì)口徑非球面鏡相位恢復(fù)的檢測(cè)方法包括開始步驟檢測(cè)準(zhǔn)備 (101)和結(jié)束步驟輸出檢測(cè)結(jié)果(116)，其特征在于所述檢測(cè)準(zhǔn)備(101) 和輸出檢測(cè)結(jié)果(116)步驟之間，首先進(jìn)行循環(huán)參數(shù)設(shè)置(104)，然后獲取 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)碼照片(102)或者歷史數(shù)碼照片(103)，進(jìn)行設(shè)定等效計(jì)算波長(zhǎng)和 設(shè)定圖像有效計(jì)算區(qū)域(105)，初始化面形誤差數(shù)據(jù)(106)，從步驟m值判 斷(107)開始進(jìn)行m次循環(huán)的GS迭代算法處理，最后輸出檢測(cè)結(jié)果(116)。
所述m次GS迭代算法的循環(huán)步驟等效波長(zhǎng)衍射到離焦平面(108) 后同時(shí)進(jìn)行的步驟是，保留相位(109)，在有效區(qū)域內(nèi)用圖像數(shù)據(jù)作為強(qiáng)度 數(shù)據(jù)(110)和在有效區(qū)域外用保留強(qiáng)度數(shù)據(jù)(111)，然后進(jìn)入步驟合成新 的離焦光場(chǎng)(112)、等效波長(zhǎng)衍射到鏡平面(113)，保留相位和施加鏡面幅 值約束(114)， m值加一 (115)進(jìn)入m值判斷(107)，如果判斷結(jié)果為否， 從等效波長(zhǎng)衍射到離焦平面(108)起進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，如果判斷結(jié)果為是， 進(jìn)入步驟輸出檢測(cè)結(jié)果(116)出具檢測(cè)報(bào)告。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)低成本、高精度、高效率。適合子大口徑非球面鏡的生產(chǎn)企業(yè)、科研和檢測(cè)單位使用。


圖1為本發(fā)明裝置一實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖，
圖2為圖1的A—A視圖， 圖3為本發(fā)明方法的流程圖。
圖中l(wèi)一激光源，2—平臺(tái)，3 —分光棱鏡，4一數(shù)碼相機(jī)，5—電纜，6 —計(jì)算機(jī)，7—被測(cè)鏡面，8—支架，9一可變光闌，IO—可變光闌孔，101 — 檢測(cè)準(zhǔn)備，102—現(xiàn)場(chǎng)數(shù)碼照片，103—?dú)v史數(shù)碼照片，104—參數(shù)設(shè)置，105 一設(shè)定等效計(jì)算波長(zhǎng)和設(shè)定圖像有效計(jì)算區(qū)域，106—初始化面形誤差數(shù)據(jù)， 107—m值判斷，108—等效波長(zhǎng)衍射到離焦平面，109—保留相位，IIO—在 有效區(qū)域內(nèi)用圖像數(shù)據(jù)作為強(qiáng)度數(shù)據(jù)，lll一在有效區(qū)域外用保留強(qiáng)度數(shù)據(jù)， 112 —新的離焦光場(chǎng)，113 —等效波長(zhǎng)衍射到鏡平面，114一保留相位和施加 鏡面幅值約束，115—m值加一 ，116—輸出檢測(cè)結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作迸一步說明
參照附圖l、 2，本發(fā)明的裝置包括安裝在平臺(tái)2上的激光源1，分光棱 鏡3，數(shù)碼相機(jī)4，所述分光棱鏡3安裝在激光源1的正前方，并與激光源1 的光的射出方向呈45度夾角；所述數(shù)碼相機(jī)4安裝在激光源1的一側(cè)，且 與分光鏡3按照光學(xué)成像原理布置；激光源1與分光棱鏡3之間安裝可變光 闌9，計(jì)算機(jī)6裝載專用軟件，通過電纜5與激光源1、數(shù)碼相機(jī)4和平臺(tái)2 的支架8的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)電連接。
三維坐標(biāo)系設(shè)置激光源1面向被測(cè)鏡面7并且布置在被測(cè)鏡面7的曲 率中心上，激光源1的光源的射線為X軸，同時(shí)垂直于地面和X軸的為Z 軸，Y軸是在X軸的水平面上且垂直于X、 Z兩軸的直線，三軸的原點(diǎn)設(shè)在 激光源l的光源出口處。
所述平臺(tái)2安裝在支架8上，支架8上安裝沿X、 Y、 Z軸平移和繞Y、Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的受計(jì)算機(jī)6控制的五自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與計(jì)算機(jī)6用電 纜5電連接。
所述激光源1的波長(zhǎng)為400證-760mn。
所述數(shù)碼相機(jī)4的分辨率不低于100萬象素。
所述可變光闌9設(shè)置有可變光闌孔10。用于調(diào)節(jié)激光光束的直徑。
參照附圖3，本發(fā)明的方法流程圖，包括開始步驟檢測(cè)準(zhǔn)備101和結(jié)束 步驟輸出檢測(cè)結(jié)果116，其特征在于所述檢測(cè)準(zhǔn)備101和輸出檢測(cè)結(jié)果116 步驟之間，首先進(jìn)行循環(huán)參數(shù)設(shè)置104，然后獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)碼照片102或者歷 史數(shù)碼照片103，進(jìn)行設(shè)定等效計(jì)算波長(zhǎng)和設(shè)定圖像有效計(jì)算區(qū)域105，初 始化面形誤差數(shù)據(jù)106，從步驟m值判斷107開始進(jìn)行m次循環(huán)的GS迭代 算法處理，最后輸出檢測(cè)結(jié)果116。
所述m次GS迭代算法的循環(huán)步驟等效波長(zhǎng)衍射到離焦平面108后同 時(shí)進(jìn)行的步驟是，保留相位109，在有效區(qū)域內(nèi)用圖像數(shù)據(jù)作為強(qiáng)度數(shù)據(jù)110 和在有效區(qū)域外用保留強(qiáng)度數(shù)據(jù)111，然后進(jìn)入合成步驟新的離焦光場(chǎng)112， 等效波長(zhǎng)衍射到鏡平面113，保留相位和施加鏡面鴨值約束114， m值加一 115進(jìn)入m值判斷107，如果判斷結(jié)果為否，從等效波長(zhǎng)衍射到離焦平面108 起進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，如果判斷結(jié)果為是，進(jìn)入步驟輸出檢測(cè)結(jié)果116出具檢
如果設(shè)置的GS迭代算法的循環(huán)數(shù)二a，循環(huán)方式為從m=l到m=a，步 驟m值判斷107就是判斷m二a是否成立。
計(jì)算機(jī)6配置專門的控制軟件和計(jì)算分析軟件。計(jì)算機(jī)6為普通PC機(jī)。 本發(fā)明裝置的工作原理激光源1在被測(cè)鏡面7的曲率中心處發(fā)出球面 波可見光束，光束經(jīng)過可變光闌9的可變光闌孔10和透過分光棱鏡3后照 射在被測(cè)鏡面7上形成含有像差的球面波反射光波反射回分光棱鏡3后折射 到數(shù)碼相機(jī)4，調(diào)節(jié)五自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，調(diào)整光束傳播方向，選取合適的位 置拍攝衍射光強(qiáng)數(shù)碼照片， 一般在焦點(diǎn)前后各拍攝2 3張圖片即可。保存
7到計(jì)算機(jī)6中的數(shù)碼照片，既可以作現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)使用，也可以供將來作進(jìn)一步 研究時(shí)使用。
本發(fā)明的裝置還可以用于在位檢測(cè)。
本發(fā)明方法的工作原理計(jì)算機(jī)6配備專用的分析軟件，以數(shù)碼照片為
處理對(duì)象，針對(duì)大誤差下圖像含有高頻信號(hào)分量的特點(diǎn)，進(jìn)行m次GS迭代 算法處理，最后輸出檢測(cè)結(jié)果116。檢測(cè)結(jié)果116出具的報(bào)告就是被測(cè)鏡面 7的特征數(shù)據(jù)。
要進(jìn)行相位恢復(fù)計(jì)算首先必須正確地建立從鏡面入射光場(chǎng)到CCD像元 觀測(cè)面光場(chǎng)的衍射計(jì)算關(guān)系，并且能夠進(jìn)行快速的計(jì)算機(jī)處理。在相位恢復(fù) 計(jì)算中應(yīng)用光波的標(biāo)量衍射理計(jì)算光波的傳播衍射。
設(shè)從鏡面反射的光波是一個(gè)強(qiáng)度均勻的非球面光波面。此波面由三部分 疊加組成 一是光源發(fā)射的測(cè)試球面波，可稱為基準(zhǔn)面球波『s; 二是基準(zhǔn)球 面波與非球面面形之間的反射光程差波面，可稱為非球面度波面^;三是實(shí) 際鏡面與理想鏡面之間的面形誤差波面^，由反射關(guān)系可知，^是鏡面面 形誤差的兩倍。由這三部分波面組成的鏡面復(fù)光場(chǎng)^"力可表示為
對(duì)于誤差波面^，由于其大小在波長(zhǎng)量級(jí)，計(jì)算處理較簡(jiǎn)單。對(duì)于基準(zhǔn)
球面波^的衍射計(jì)算可以參考SzMas和Siegman在"Diffraction Calculations Using Fast Fourier Transform Methods", Proceedings of the正EE， MARCH 1974,p410-412中提出的基于FFT的坐標(biāo)變換衍射計(jì)算方法。此方法能夠使 用較少的采樣點(diǎn)數(shù)快速精確地計(jì)算球面波的衍射光場(chǎng)。這樣，需要采樣計(jì)算 的光場(chǎng)變?yōu)?br> = exp[j.2;r(K +〖弘￡)/義〗 (2) 其中A/為坐標(biāo)變換后的空間坐標(biāo)。
對(duì)于非球面度波面^，特別是當(dāng)非球面度較高時(shí)，其光場(chǎng)expG'2;rK/" 的相位變化速度也較快。直接對(duì)其進(jìn)行采樣計(jì)算同樣需要過多的數(shù)據(jù)。同時(shí)^會(huì)改變反射光線的方向，使得不同鏡面區(qū)域的光照射到同一 CCD區(qū)域上
形成干涉疊加，產(chǎn)生相應(yīng)的高頻強(qiáng)度分布。而對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)而言，由于CCD
相機(jī)的像素分辨率是有限的，只能對(duì)光場(chǎng)強(qiáng)度分布中相對(duì)低頻的分布進(jìn)行采
樣，高頻分量會(huì)被CCD像素以采樣積分的方式過濾。
為減緩波面的變化速度，使用較少的計(jì)算采樣點(diǎn)數(shù)，可以在計(jì)算時(shí)用較
長(zhǎng)的光波長(zhǎng)A等效實(shí)際使用的光波長(zhǎng)A形成等效計(jì)算光場(chǎng)gi'，即 g戰(zhàn)'CO')=(3)
gw'的相位變化速度較慢，容易滿足采樣定理的要求，計(jì)算數(shù)據(jù)可以很 大程度上減少。這樣其實(shí)等效為用A'波長(zhǎng)的光照射被測(cè)鏡面，形成低頻的非 球面光場(chǎng)。用A替代2計(jì)算出的光強(qiáng)分布與實(shí)際的光強(qiáng)分布在光線不疊加區(qū) 域比較一致。將實(shí)際拍攝的照片中， 一致的光場(chǎng)數(shù)據(jù)綜合起來，送入相位恢 復(fù)算法程序，即可得到鏡面的面形誤差。
權(quán)利要求
1.一種大相對(duì)門徑非球面鏡相位恢復(fù)的檢測(cè)裝置，包括安裝在平臺(tái)(2)上的激光源(1)，分光棱鏡(3)，數(shù)碼相機(jī)(4)，其特征在于所述分光棱鏡(3)安裝在激光源(1)的正前方，并與激光源(1)的光的射出方向呈45度夾角；所述數(shù)碼相機(jī)(4)安裝在激光源(1)的一側(cè)，且與分光棱鏡(3)按照光學(xué)成像原理布置；激光源(1)與分光棱鏡(3)之間安裝可變光闌(9)，計(jì)算機(jī)(6)裝載專用軟件，通過電纜(5)與激光源(1)、數(shù)碼相機(jī)(4)和平臺(tái)(2)的支架(8)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)電連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大相對(duì)口徑非球面鏡相位恢復(fù)的檢測(cè)裝置， 其特征在于所述平臺(tái)(2)安裝在支架(8)上，支架(8)上安裝沿X、 Y、 Z軸平移和繞Y、 Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的受計(jì)算機(jī)(6)控制的五自由度運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng) 機(jī)構(gòu)與計(jì)算機(jī)(6)用電纜(5)電連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大相對(duì)口徑非球面鏡相位恢復(fù)的檢測(cè)裝置， 其特征在于所述激光源(1)的波長(zhǎng)為400nm-760nm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大相對(duì)口徑非球面鏡相位恢復(fù)的檢測(cè)裝置， 其特征在于所述數(shù)碼相機(jī)(4)的分辨率不低于100萬象素。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大相對(duì)口徑非球面鏡相位恢復(fù)的檢測(cè)裝置， 其特征在于所述可變光闌(9)設(shè)置有可變光闌孔(10)。
6. —種大相對(duì)口徑非球面鏡相位恢復(fù)的檢測(cè)方法，包括開始步驟檢測(cè) 準(zhǔn)備(101)和結(jié)束步驟輸出檢測(cè)結(jié)果(116)，其特征在于所述檢測(cè)準(zhǔn)備(101)和輸出檢測(cè)結(jié)果(116)步驟之間，首先進(jìn)行循環(huán)參數(shù)設(shè)置(104)， 然后獲取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)碼照片(102)或者歷史數(shù)碼照片(103)，進(jìn)行設(shè)定等效計(jì) 算波長(zhǎng)和設(shè)定圖像有效計(jì)算區(qū)域(105)，初始化面形誤差數(shù)據(jù)(106)，從步 驟m值判斷(107)開始進(jìn)行m次循環(huán)的GS迭代算法處理，最后輸出檢測(cè) 結(jié)果(116)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大相對(duì)口徑非球面鏡相位恢復(fù)的檢測(cè)方法，其特征在于所述m次GS迭代算法的循環(huán)步驟等效波長(zhǎng)衍射到離焦平面(108)后同時(shí)進(jìn)行的歩驟是，保留相位(109)，在有效區(qū)域內(nèi)用圖像數(shù)據(jù) 作為強(qiáng)度數(shù)據(jù)(110)和在有效區(qū)域外用保留強(qiáng)度數(shù)據(jù)(111)，然后進(jìn)入合 成步驟新的離焦光場(chǎng)(112)，等效波長(zhǎng)衍射到鏡平面(113)，保留相位和施 加鏡面幅值約束(114)， m值加一 (115)進(jìn)入m值判斷(107)，如果判斷 結(jié)果為否，從等效波長(zhǎng)衍射到離焦平面(108)起迸入下一個(gè)循環(huán)，如果判 斷結(jié)果為是，進(jìn)入步驟輸出檢測(cè)結(jié)果(116)出具檢測(cè)報(bào)告。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大相對(duì)口徑非球面鏡相位恢復(fù)的檢測(cè)裝置與方法，其裝置包括安裝在平臺(tái)(2)上的激光源(1)，分光棱鏡(3)，數(shù)碼相機(jī)(4)，所述分光棱鏡(3)安裝在激光源(1)的正前方，并與激光源(1)的光的射出方向呈45度夾角；所述數(shù)碼相機(jī)(4)安裝在激光源(1)的一側(cè)，且與分光棱鏡(3)按照光學(xué)成像原理布置；激光源(1)與分光棱鏡(3)之間安裝可變光闌(9)，計(jì)算機(jī)(6)裝載專用軟件，通過電纜(5)與激光源(1)、數(shù)碼相機(jī)(4)和平臺(tái)(2)的支架(8)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)電連接。本發(fā)明具有低成本、高精度、高效率的特點(diǎn)，適合于大口徑非球面鏡的生產(chǎn)企業(yè)、科研和檢測(cè)單位使用。
文檔編號(hào)G01M11/00GK101290263SQ200810030810
公開日2008年10月22日 申請(qǐng)日期2008年3月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月14日
發(fā)明者吳宇列, 彭小強(qiáng), 戴一帆, 李圣怡, 王貴林, 胡曉軍, 鄭子文 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)