[发明专利]一种斜率拼接检测平面元件面形的方法与装置

说明书

本发明提出了一种斜率拼接检测平面元件的方法。使用该方法检测平面元件时，其基本器件包括针孔相机、显示器和被测元件。在一个针孔相机的测量区域无法覆盖整个被测元件的情况下。为避免测量过程中移动测量装置或被测元件，节省测量时间，并实现高精度测量。可以使用多个针孔相机同时测量被测元件的不同区域，相邻区域之间有一定的重叠面积，得到各针孔相机测量的斜率数据后，可使用本发明提出的斜率拼接方法，完全矫正各重叠区域内不同相机由于标定和调整不同而出现的斜率误差，最终得到被测元件的完整斜率。本发明的优势是：测量精度高，能够一次完成测量，测量速度快且节省工作距离。

技术领域：

本发明涉及一种斜率拼接检测平面元件面形的方法与装置，特别是基于相位测量偏折术的多相机同时检测大口径平面光学元件的方案。

背景技术：

在光学检测方面，对平面光学元件，特别是大口径的平面光学元件进行高精度的检测一直是一个难点。传统的检测手段是使用干涉仪检测，但干涉仪检测需要一个尺寸至少与被测元件大小相当的参考镜作参考，且参考镜的面形质量必须优于被测镜，这样的参考镜制造困难。另一类检测大口径平面元件的思路是使用小口径的干涉仪分几次测量来实现对大口径光学元件的检测，因为小口径干涉仪的制作和使用相对成熟。但子孔径拼接检测在检测时需要移动测量装置或被测元件，无法一次完成全场测量。除此以外，使用干涉仪时必须在专门的环境中进行，因为干涉仪在工作时易受气流、温度和振动的影响，不适于用于在线检测。

除使用干涉仪，Hartmann Shack检测也是一种常用的检测平面元件方法，但该方法在检测大口径元件时也需要移动测量装置或是被测元件才能完成对整个元件的检测，检测过程复杂且极限分辨率受限。

相位测量偏折术(PMD)，也可以称作SCOTS，是一种利用光线偏折的非接触高精度面形检测技术。它的装置简单，价格便宜，测量速度快，并克服了Hartmann Shack检测极限分辨率受限的问题，可具有高分辨率。但若用它检测大口径的平面元件，则需要很长的工作距离，且检测精度也无法满足要求。在拼接检测方面，由于该方法的检测原理与传统的移动测量装置的方法不同，所以传统的拼接模型并不完全适合该方案。在传统的拼接模型下，一般认为在移动测量装置或被测元件时，可能会将平移、倾斜和离焦的面形误差引入到测量结果中。但在基于相位测量偏折术的多相机斜率拼接模型下，斜率拼接时存在的误差不仅仅是平移、倾斜和离焦。如果只将传统的拼接模型应用到多相机的PMD系统中，则在拼接时并不能完全的矫正不同相机间由于标定和调整而出现的斜率误差。

发明内容：

鉴于上述问题，本发明提出了一种斜率拼接检测平面元件的方法与装置，该方法尤其适用在多相机的相位测量偏折术上，在在线检测、测量大口径平面元件方面具有优势。它的装置简单，主要由显示器、针孔相机和被测元件组成。该方法不同于传统的需要移动测量设备或被测元件的子孔径拼接技术，而是采用多相机同时测量元件的不同区域，再将各个相机测量得到的斜率拼接在一起，以实现对元件的完整测量，测量速度快，分辨率高，工作距离短。且针对不同相机间斜率的拼接问题，该方法可以完全矫正不同相机间由于标定和调整等问题而出现的误差，且当测量的平面元件越大时，效果越明显。将不同相机间的斜率误差扣除后，就可以拼接得到被测元件的完整斜率，进而可以恢复出该元件的面形，实现平面元件的检测。具体的步骤如下：

第一步，检测系统中的所有相机各自检测元件上的部分区域，相邻区域间有一定的重叠部分面积，所有相机的检测区域能够覆盖整个被测元件。这样可以得到每个相机各自测量部分的斜率，如S_1x、S_1y、S_2x、S_2yL S_nx、S_ny。其中S表示测量得到的斜率，下标1,2,3…n表示相机的编号，一共有n(n≥2)个相机，x和y表示x和y方向的斜率，如S_1x表示1号相机测量得到的x方向的斜率。

第二步，将相邻相机重叠区域内的斜率数据关系表示出来。