[发明专利]阵列式超大口径平面光学元件面形检测装置和方法

说明书

技术领域

本发明属于机器视觉技术检测领域，主要涉及一种超大口径平面光学元件面形检测的装置和方法，其设计利用DVD/CD光学头进行超大口径平面光学元件表面面形检测的装置和方法。

背景技术

面形技术主要有角差法、LTP、瞬态干涉仪和哈特曼检测等方法。角差法的原理是面形的变化可通过其各点法线方向角度的变化量而反映出，采用高精度测试角度变化量的方法可重构元件的面形，西南科技大学已研制出大口径光学元件面形检测装置，检测精度达1/3个波长。LTP是采用细光束干涉计量原理，若被检测面相对垂直于光轴的平面倾斜一定角度，则在LTP的焦平面探测器上的干涉条纹就有移动，通过精确测量其移动距离，就可以得到倾斜度误差的变化曲线，对该曲线积分就可获得高度误差曲线，其测试精度能达到1/20个波长。瞬态干涉仪是将空间位相调制的共路剪切干涉仪技术与数字化波面技术相结合的干涉系统，可采用近红外作为测试光源，测量精度能达到波前均方根优于1/15波长。哈特曼检测法是通过一个有若干小孔光阑的波面进行采样的检测方法，受外界影响小，对检测环境要求比干涉仪的检测环境要求低；但实验中需要的大口径哈特曼扩束系统的光学系统设计、结构设计要求高，且成本也高。采用干涉法对检测环境要求高，在ICF实验室中的在线检测条件很难满足瞬态干涉仪或LTP的要求，而且不能对处于不同倾斜状态的光学元件进行面形检测。

范勇，陈念年等，大口径平面光学元件的面形检测装置和方法，中国发明专利，2011,ZL200910058280.0，该方案利用被测光学元件为参考物和利用五棱镜的一维不变性，克服了传统角差法不能有效扣除运动平台因机械运动或振动等带来的测量误差问题。同时由于采用了在垂直方向（列）测试中的两束参考光，可有效扣除振动带来的影响，同时还以被测光学元件作为绝对参考，从而还能扣除因地基振动、大气振动等带来的误差；该方案的优点：装置结构简单，只需要一束独立测试光学经过分光镜、五棱镜等光学元件后产生多束平行光入射到元件表面，无需调节多束入射光的平行光路，易于快速调节，同时本发明装置还可通过二维运动控制平台的整体倾斜，测试处于不同倾斜状态的光学元件的面形，便于在线检测，便于工业化推广，同时还具有成本较低、易于工业化实施应用、数据处理快等优点。

由于采用龙门结构，对于超大光学元件的检测，其体形庞大，在不同姿态下的调试时间较长，检测精度仅有1/3波长。同时由于采用“从上到下，从左至右”的逐点扫描方式，导致测试超大光学元件的时间在2～5小时左右。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足提供一种阵列式超大口径平面光学元件面形检测装置和方法。

本发明的技术方案如下：

一种阵列式超大口径平面光学元件面形检测装置，包括DVD/CD光学头阵列（1）、光学头阵列的恒流驱动子系统（2）、FES信号采集子系统（3）和面形检测控制与处理子系统（4），DVD/CD光学头线阵（1）用于检测被测区域的面形；光学头线阵的恒流驱动子系统（2）用于给光学头线阵提供稳定的电流驱动，以确保光学头中激光器的输出功率恒定；FES信号采集子系统（3）用于实时采集DVD/CD光学头线阵（1）所检测区域的面形高差；面形检测控制与处理子系统（4）用于对DVD/CD光学头线阵（1）的信号采集、面形重构与绘制；其中DVD/CD光学头阵列（1）包括检测基座（11）、阵列式布置的DVD/CD光学头（12）及其高精度调节架（13）。

所述的面形检测装置进行测量的方法，包括以下步骤：（1）将该装置放置在隔振性能优良的测试光学平台上，打开面形检测装置电源，以该检测装置某光学头为基准，调整DVD/CD阵列与被测光学元件的距离，直到该光学头的FES值为零；

（2）记录DVD/CD阵列中光学头ij的FES值，通过该光学头标定的FES曲线，计算出该光学头离聚焦平面的高度h_ij；

（3）由于光学头安装和生产工艺等导致的误差，根据装置装调过程中标定的阵列聚焦平面的平面度△h_ij，则该光学头所对应被测点的面形高差为：h_ij+△h_ij；

（4）重复步骤2～3测量5～10次，采用数据误差处理算法中的成熟算法滤除奇异值，最后采用平均值法求出光学元件各测量点的面形高差，其目的是扣除地基震动和空气扰动等带来的微小扰动；

（5）采用最小二乘法原理，对第4步骤所获取的面形高差进行处理，扣除被测光学元件和检测装置的不平行性，即获取该光学元件的实际面形高差。