[发明专利]一种基于相位测量偏折术的非球面镜检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学检测技术，尤其是一种针对非球面镜的检测方法，属于先进光学制造与检测技术领域。

背景技术

所谓非球面光学元件，是指面形由多项高次方程决定、面形上各点的半径均不相同的光学元件。非球面光学零件能够校正像差、改善像质、扩大视场，并使光学系统结构简化、重量减轻。随着光学精密加工和光电子学的发展，非球面越来越广泛地应用于各种光学系统中。因此，随着非球面越来越广泛的应用，对非球面的测量尤其是大口径深型非球面的高精度测量成为现在的一个热点问题。长期以来非球面的制造与检测技术一直是制约其广泛应用的两大难题，尤其是大口径非球面的检测更是如此。众所周知，大口径非球面在精磨阶段的检测是影响整个非球面加工效率的关键所在。目前通常采用的干涉计量技术，其精度很高，可以达到几十分之一个波长。但其测量动态范围很小，在测量非球面时，一般都需要制造辅助元件，同时对机械的振动和空气的扰动也非常敏感，这样对使用的环境有很高的要求。同时，在细磨过程中，由于其表面较粗糙，面形误差较大，也不适合用干涉计量等常规的方法检测。三坐标测量仪是用测头对被测面进行接触式测量，因此非常费事、费时，并且精度受测头、运动机构影响特别大，测量的口径也受到限制，对大于使用范围的镜面就无法使用。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于相位测量偏折术的非球面镜检测方法，该方法具有较大的动态测量范围，为加工过程中波前变化范围较大的非球面反射镜精磨和初抛光阶段提供了检验手段。

本发明的技术解决方案：一种基于相位测量偏折术的非球面镜检测方法，其特点在于：采用的检测系统由显示屏、已标定的摄像机、电控平移台、半透半反镜和电子计算机组成；摄像机的光心置于待测镜的光轴上，显示屏平面垂直于被测镜光轴，并显示由计算机产生正弦或余弦条纹图，经被测镜和半透半反镜反射后为摄像机所接收，即摄像机通过待测镜来观察显示屏，拍摄到显示屏上显示的图像即条纹图样，这样摄像机拍摄的条纹图像就携带了被测镜的面形信息，会发生变形而不同于显示屏所显示的标准条纹图，变形量取决于被测镜的面形；在测量过程中，将被测镜固定在电控平移台上，并在计算机的控制下沿光轴精确移动，而摄像机、半透半反镜和显示屏的位置都保持不变。由于在被测镜移动过程中，摄像机位置保持不变，所以两者的相对位置发生了变化，摄像机的成像率会发生改变，观察到的显示屏上的区域也会改变；在不同的位置，摄像机的像素单元会从待测镜上的不同点反射，到达显示屏上的不同位置，并记录下不同的条纹图像；使用相移技术和相位展开技术对记录的条纹图像进行处理得到各个位置处的相位分布，再计算得到非球面法线距和法线角的关系，即非球面的法线汇来描述非球面的面形；同时还可以由法线汇通过几何计算转换到直角坐标系，对被测镜面形进行评价。

所述正弦或余弦条纹图可以是两垂直方向(如水平、竖直方向)的标准正弦或余弦条纹图，也可以是环形标准正弦或余弦条纹图。

所述条纹图像进行分析处理得到相位分布是通过多次(大于等于3次)相移，采用相移技术得到截断相位分布，再通过相位展开技术得到连续的相位分布。

所述计算得到非球面法线距和法线角的关系是根据反射定律，通过连续相位分布找到原始光线、偏折光线与被测镜面法线重合的位置，从而得到法线距和法线角。

所述的法线汇通过几何计算转换到直角坐标系是非球面上距离很近的相邻两点，可以近似看成是处在同一段圆弧上，根据法线距与法线汇的关系找到这个圆弧的中心和直径，结合几何关系可以计算得到被测面形的直角坐标分布。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明具有较大的测量动态范围，可用于大口径深型非球面制造的精磨和抛光阶段的检测，与三维坐标测量仪相比，可以一次完成全场测量，更方便快捷省时。

(2)本发明对环境无特殊要求，可在车间环境中进行检测。

(3)本发明结构简单、灵活性高，无需特殊光学元件，成本非常低廉。

(4)本发明检测方法可以用非球面的法线汇，即法线距与法线角的关系，来描述非球面的面形，更清楚表述了所提方法的原理和测量过程，也使计算公式和计算过程更加简洁，同时也可以转换到直角坐标系进行评价。

(5)本发明中所采用的结构图样和相移技术具有相当高的精度，并且能有效地抑制噪声和周围环境对检测结果的影响。

附图说明

图1为非球面的法线汇示意图；

图2为本发明的实现示意图；