專利名稱：一種大口徑高陡度光學(xué)鏡面在線測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于先進(jìn)光學(xué)制造與檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種光學(xué)加工過程中的在線檢測(cè) 系統(tǒng)，特別涉及一種大口徑、大相對(duì)口徑、大誤差范圍的光學(xué)鏡面在線檢測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
大型的光學(xué)儀器和裝備，無論是空間的還是地面的，近幾年來都呈現(xiàn)日益迫切的 需求。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，所需要光學(xué)元件的口徑越來越大，下一代的天文望遠(yuǎn)鏡主 鏡口徑達(dá)到三十余米，不僅如此，空間的結(jié)構(gòu)要求使的這些大口徑光學(xué)鏡面相對(duì)口徑都比 較大，陡度較高。這些大口徑光學(xué)鏡面的制造需要相應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)也要求越來越高。對(duì)大 口徑光學(xué)鏡面在線測(cè)量，尤其是對(duì)其加工初期較大誤差的定量測(cè)量一直是光學(xué)加工制造業(yè) 急需解決的重要難題之一。工藝過程的檢測(cè)不同于其他的檢測(cè)，它不要求全面，但要有效地指導(dǎo)下一步工藝 進(jìn)行，檢測(cè)一次的時(shí)間應(yīng)盡可能短，應(yīng)知道主要誤差的大小、主要誤差的正負(fù)、主要誤差的 位置；應(yīng)考慮到每次檢測(cè)的操作周期(包括準(zhǔn)備、過程、得結(jié)論)，力求省時(shí)。因此不同的工 藝階段，應(yīng)當(dāng)選擇最合理的檢測(cè)工具和檢測(cè)方法，要考慮到已有的和最有可能得到的檢測(cè) 工具，而對(duì)于大口徑的光學(xué)元件，加工過程中的檢測(cè)最好的方法就是在線檢測(cè)，。在大型光學(xué)鏡面加工過程中，現(xiàn)在國內(nèi)外常用精磨階段的檢測(cè)方式主要有三坐標(biāo) 測(cè)量?jī)x、紅外干涉儀等檢測(cè)方法。三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x是用測(cè)頭對(duì)整個(gè)被測(cè)面進(jìn)行接觸式測(cè)量，因 此非常費(fèi)事、費(fèi)時(shí)，并且精度受測(cè)頭、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)影響特別大，測(cè)量的口徑也受到限制，對(duì)大于 使用范圍的鏡面就沒有辦法使用了，同時(shí)，也無法進(jìn)行大口徑光學(xué)元件的在位檢測(cè)。紅外干 涉儀由于大量采用紅外材料，這些材料不僅制造費(fèi)用非常高，而且部分還有毒性；同時(shí)，紅 外干涉儀在檢測(cè)非球面時(shí)需要使用補(bǔ)償器，由于要進(jìn)行圖像傳輸和數(shù)據(jù)的采集，因此對(duì)機(jī) 械的振動(dòng)和空氣的擾動(dòng)也就比價(jià)敏感，這樣對(duì)使用的環(huán)境有較高的要求，不利于光學(xué)車間 的檢驗(yàn)。1984年，日本的T. YATAGAI利用正弦朗契光柵，根據(jù)幾何光學(xué)原理和相位檢測(cè)技 術(shù)，獲得了非球面波像差的一維分布(YATAGAI T. Fringe scanning Ronchi test for a sphericalsurfaces[J]. Applied Optics,1984,23(20) :3676_3679.)。1988 年 T. YATAGAI 用一般的方波Ronchi光柵，根據(jù)Ronchi檢驗(yàn)的物理光學(xué)原理，用十步移相法得到了十幅朗 契圖，獲得了非球面鏡波像差的二維分布(YATAGAI Τ. Phase measuring Ronchi test [J], AppliedOptics, 1988，27 (3) =523-528)。日本的Τ. YATAGAI雖然將測(cè)量光柵用于非球面檢 驗(yàn)，但是他僅局限理性研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，沒有做出檢測(cè)裝置。并且只是適用于小口徑的非球 面，也沒有能夠擬合出三維波面。1996年南京的林桂粉等在T. YATAGAI工作的基礎(chǔ)上，通過Zernike多項(xiàng)式擬合算 法求得了光學(xué)系統(tǒng)的波像差(林桂粉，陳磊，陳進(jìn)榜.朗契檢驗(yàn)相位探測(cè)和波面恢復(fù).光子 學(xué)報(bào)，1996,25(12) :1125_1130.)，但是基本原理上就決定了林桂粉等搭建的實(shí)驗(yàn)裝置只是 測(cè)量透射系統(tǒng)的波像差，從而無法對(duì)大口徑的非球面反射鏡進(jìn)行測(cè)量。1998年，周晨波教授(Ronchi線條法檢驗(yàn)大非球面鏡的理論計(jì)算.應(yīng)用光學(xué)，1997，18 (5) :8_12)給出了一種用 于檢驗(yàn)大非球面的光柵線條的理論計(jì)算方法，但他僅給出計(jì)算補(bǔ)償光柵的算法，卻沒有面 形誤差分析軟件，更沒有形成測(cè)量系統(tǒng)，無法對(duì)大口徑的光學(xué)元件進(jìn)行在位的有效測(cè)量，最 主要的是，在他提出的測(cè)量光路中，反射回的光柵像會(huì)被自身所遮攔，從而導(dǎo)致CCD無法探 測(cè)到實(shí)際的光柵像，進(jìn)而無法實(shí)現(xiàn)大口徑高陡度的光學(xué)元件進(jìn)行在位的有效測(cè)量。同年，鐘 金剛推導(dǎo)了定量分析朗契圖的四步移相算法，為朗契檢測(cè)法定量進(jìn)行像質(zhì)評(píng)價(jià)提供了一種 簡(jiǎn)單有效的方法(鐘金剛，凌敢，王鳴，等.用定量分析朗契圖的四步相移算法.南昌大學(xué) 學(xué)報(bào)(工科版))，1998，20(4) :97-102)，但是他們同林桂粉等人的基本原理一樣，只是算法 改進(jìn)一下，同樣只適合透射系統(tǒng)的測(cè)量，而無法對(duì)大口徑的非球面反射鏡進(jìn)行在位有效測(cè) 量。綜上所述，盡管國內(nèi)外理論研究的比較多，但這些都只是做一些基礎(chǔ)性理論研究 和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，沒有系統(tǒng)的測(cè)量分析軟件，更沒有形成檢測(cè)系統(tǒng)，無法實(shí)際使用于光學(xué)車 間大口徑非球面的在位檢驗(yàn)，更不能對(duì)現(xiàn)在的大口徑高陡度的光學(xué)鏡面進(jìn)行在位有效的測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是為有效的彌補(bǔ)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、紅外干涉儀等現(xiàn)有測(cè) 量方式的不足，提供一種新的大口徑高陡度光學(xué)鏡面在位測(cè)量方法，該系統(tǒng)制作簡(jiǎn)單，其成 本低廉，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、紅外干涉儀的成本；同時(shí)，該方法還彌補(bǔ)了三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x 口徑受限、測(cè)量非常不方便的不足，有效地解決了大口徑高陡度光學(xué)元件在加工過程中的 實(shí)時(shí)定量測(cè)量問題，它在拓寬了傳統(tǒng)干涉儀的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍的同時(shí)也為紅外干涉儀等一些 新興發(fā)展的大誤差測(cè)量方法提供對(duì)比依據(jù)，在簡(jiǎn)化了測(cè)量過程的同時(shí)，也增加其數(shù)據(jù)的可 靠性。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案、一種大口徑高陡度光學(xué)鏡面在線測(cè) 量系統(tǒng)，其特征在于包括大數(shù)值孔徑(數(shù)值孔徑大于0. 22)光纖光源(1)、可更換式測(cè)量 光柵(2)、會(huì)聚光路分光系統(tǒng)(3)、高精度(面形的PV值小于十分之一波長)平面反射鏡 (4)、大口徑高陡度(一般情況下，其口徑大于1000mm，相對(duì)口徑大于1/2)光學(xué)鏡面(5)、數(shù) 字彩色CCD(6)、計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)(7)；從大數(shù)值孔徑光纖光源(1)發(fā)出的光將可更換式 測(cè)量光柵(2)的陰影經(jīng)過會(huì)聚光路分光系統(tǒng)(3)后，由一塊45°放置的高精度平面反射鏡 (4)反射到與加工狀態(tài)相一致的大口徑高陡度光學(xué)鏡面(5)上，高精度平面反射鏡(4)將光 路折轉(zhuǎn)90°，隨后，這組陰影條紋被大口徑高陡度光學(xué)鏡面(5)沿著原來入射的光路反射 回去，再次經(jīng)過高精度平面反射鏡(4)后又經(jīng)過會(huì)聚光路分光系統(tǒng)(3)，并由會(huì)聚光路分光 系統(tǒng)(3)產(chǎn)生一條垂直于原光束方向的新光路，并產(chǎn)生一個(gè)大數(shù)值孔徑光纖光源(1)共軛 像點(diǎn)，這個(gè)像點(diǎn)的圖像經(jīng)過數(shù)字CCD(6)采集后，進(jìn)入計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)(7)，由于反射回 的像點(diǎn)包含了大口徑高陡度光學(xué)鏡面(5)的面形信息，最后由安裝在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(7)上的 數(shù)據(jù)處理部分把共軛像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的面形數(shù)據(jù)信息提取出來，從而獲得被測(cè)大口徑高陡度光學(xué) 鏡面(5)的面形信息；所述的會(huì)聚光路分光系統(tǒng)(3)由五個(gè)獨(dú)立的光學(xué)元件相互膠合而形成，實(shí)現(xiàn)了在 會(huì)聚(發(fā)散)光路中的分光，使得光源與其像點(diǎn)的分離而不產(chǎn)生附加光程差。在所述五個(gè)光學(xué)元件中，有兩塊是等腰直角棱鏡，二者的斜邊相互膠合在一起，形成一塊分光立方體； 另外有兩塊是平凹透鏡，二者形狀完全相同。這兩塊平凹透鏡的平面均與之前兩塊等腰直 角棱鏡膠合而成的立方體的相鄰兩個(gè)表面再次膠合，如附圖2所示，一個(gè)凹面對(duì)著大數(shù)值 孔徑光纖光源，另一個(gè)對(duì)著大數(shù)值孔徑光纖光源的像點(diǎn)。最后一塊是平凸透鏡，這塊平凸透 鏡的平面與之前兩塊等腰直角棱鏡膠合而成的立方體另外的一個(gè)表面膠合。假設(shè)平凸透鏡 的凸面半徑為R2，中心厚度為D2 ；兩塊等腰直角棱鏡膠合而成立方體的邊長為A，平凹透鏡 的凹面半徑為Rl，中心厚度為Dl，則它們之間的幾何關(guān)系為R2 = R1+D1+D2+A。所述的可更換式測(cè)量光柵不僅可以使用不同頻率的Ronchi光柵來實(shí)現(xiàn)不同加工 階段的大口徑高陡度光學(xué)鏡面的面形測(cè)量，而且可以更換為計(jì)算機(jī)生成的全息片(CGH)來 實(shí)現(xiàn)對(duì)大口徑高陡度光學(xué)鏡面的不同方式測(cè)量。所述的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(7)中的數(shù)據(jù)處理部分包含有光柵靈敏度計(jì)算分析部分和非 球面面形分析處理部分；光柵靈敏度計(jì)算分析軟件能夠根據(jù)不同的測(cè)量要求自動(dòng)計(jì)算所需 要使用的測(cè)量光柵的頻率；而非球面面形圖像分析處理軟件不僅能夠自動(dòng)繪制光柵圖形， 并能根據(jù)探測(cè)到的共額像點(diǎn)計(jì)算待測(cè)鏡面面形，數(shù)據(jù)處理部分具體實(shí)現(xiàn)如下(1)計(jì)算機(jī)讀取CCD采集到的測(cè)量光柵的陰影圖；(2)圖像處理軟件對(duì)陰影圖進(jìn)行處理，將圖形轉(zhuǎn)換成灰度矩陣；(3)圖像處理軟件對(duì)陰影圖進(jìn)行進(jìn)一步處理，將灰度矩陣表示的條紋變?yōu)榫€條(4)由數(shù)據(jù)處理軟件分別對(duì)比X，y方向的采集帶的陰影圖與理想圖的偏差，分別 擬合和重構(gòu)X方向與y方向的波像差；(5)最后由數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行繪出被測(cè)波面的三維圖，重建波前。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)中使用會(huì)聚光路分光系統(tǒng)由五個(gè)獨(dú)立的光學(xué)元件相互膠合 而形成，實(shí)現(xiàn)了會(huì)聚/發(fā)散光路中的分光，在不產(chǎn)生附加光程差的情況下實(shí)現(xiàn)了光源與其 像點(diǎn)的分離。(2))本發(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)中測(cè)量光柵的像點(diǎn)和自身是相互分離的，避免了傳統(tǒng)的 Ronchi光柵檢測(cè)法中光柵的像被其自身所阻攔而不能全部被CCD所接收，從而丟失了被測(cè) 表面的面形信息，并且被測(cè)光學(xué)鏡面的陡度越大，丟失的信息就越多，但是在本發(fā)明測(cè)量系 統(tǒng)中，無論被測(cè)光學(xué)鏡面的陡度有多大，測(cè)量光柵的像都能夠全部被CCD所接收，不存在表 面信息丟失的情況！ (3)本發(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)中，被測(cè)量的大口徑光學(xué)元件一直保持在加工時(shí)的狀態(tài)，避 免了傳統(tǒng)測(cè)量時(shí)需要大口徑光學(xué)元件的來回移動(dòng)和翻轉(zhuǎn)，不僅僅是提高了大口徑光學(xué)元件 的加工、測(cè)量效率，更重要的是降低了損壞大口徑光學(xué)元件的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了大口徑光學(xué)元件 的在位/在線檢測(cè)。(4)本發(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)中采用光纖作為光源，在發(fā)光面積小的同時(shí)，其相對(duì)口徑比 傳統(tǒng)的刀口儀光源大而亮度比激光光源高。(5)本發(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)中采用可更換式測(cè)量光柵來檢測(cè)光學(xué)鏡面形，既根據(jù)不同 的誤差范圍來使用不同的測(cè)量光柵，對(duì)同一誤差范圍也可以采用測(cè)量光柵和計(jì)算機(jī)生成的 全息片(CGH)來進(jìn)行有效測(cè)量，在同一個(gè)光路中很方便地實(shí)現(xiàn)了不同方式的測(cè)量，大大提 高測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性。
(6)本發(fā)明的檢測(cè)儀中采用了自行編制的非球面面形分析處理軟件，通過采集到 的光柵陰影圖來分析計(jì)算出待測(cè)鏡面的一維剖面線、二維等高曲線和面形的波前重建，檢 測(cè)結(jié)果簡(jiǎn)單明了，容易識(shí)別，加工人員根據(jù)這些結(jié)果很方便地進(jìn)行下一步的加工工藝。(7)本發(fā)明的檢測(cè)儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作，主要適用于大口徑、超大口徑和大相對(duì) 口徑的光學(xué)鏡面制造過程中的面形誤差檢測(cè)，且具有比較底的檢測(cè)成本和非常高的檢測(cè)效 率；(8)本發(fā)明的檢測(cè)儀采用的是幾何測(cè)量的方法，對(duì)光源和使用環(huán)境沒有特別要求。 檢測(cè)系統(tǒng)不僅僅普通的白光就可以做光源，而且對(duì)環(huán)境的配置要求相當(dāng)?shù)牡?，非常適合光 學(xué)生產(chǎn)車間里的光學(xué)鏡面加工過程中的檢驗(yàn)。(9)本發(fā)明的高精度平面反射鏡將光路折轉(zhuǎn)90°，實(shí)現(xiàn)大口徑高陡度光學(xué)鏡面的 在線測(cè)量。


圖1為本發(fā)明的檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖；圖2為本發(fā)明的會(huì)聚光路分光系統(tǒng)示意圖；圖3為本發(fā)明的高精度平面反射鏡示意圖；圖4為本發(fā)明的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)7中的數(shù)據(jù)處理部分的實(shí)現(xiàn)流程圖；圖5為本發(fā)明使用到測(cè)量光柵示意圖；圖6為本發(fā)明的整個(gè)工作流程圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明由光纖光源1、可更換式測(cè)量光柵2、會(huì)聚光路分光系統(tǒng)3、平 面反射鏡4、光學(xué)鏡面5、數(shù)字彩色CCD6、計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)7，光纖光源1采用大數(shù)值孔 徑，即數(shù)值孔徑大于0. 22的光纖光源，平面反射鏡4采用高精度，即面形的PV值小于十分 之一波長的平面反射鏡，光學(xué)鏡面5采用大口徑高陡度光學(xué)鏡面，即一般情況下，其口徑大 于1000mm，相對(duì)口徑大于1/2的光學(xué)鏡面；從光纖光源1發(fā)出的光將可更換式測(cè)量光柵2 的陰影經(jīng)過會(huì)聚光路分光系統(tǒng)3后，由一塊45°放置的高精度平面反射鏡4反射到與加工 狀態(tài)相一致的大口徑高陡度光學(xué)鏡面5上，隨后，這組陰影條紋被大口徑高陡度光學(xué)鏡面5 沿著原來入射的光路反射回去，再次經(jīng)過高精度平面反射鏡4后又經(jīng)過會(huì)聚光路分光系統(tǒng) 3，并由會(huì)聚光路分光系統(tǒng)3產(chǎn)生一條垂直于原光束方向的新光路，并產(chǎn)生一個(gè)大數(shù)值孔徑 光纖光源1共軛像點(diǎn)，這個(gè)像點(diǎn)的圖像經(jīng)過數(shù)字(XD6采集后，進(jìn)入計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)7。 由于反射回的像點(diǎn)包含了大口徑高陡度光學(xué)鏡面5的面形信息，最后由安裝在計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 7上的數(shù)據(jù)處理軟件把共軛像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的面形數(shù)據(jù)信息提取出來，從而獲得被測(cè)大口徑高陡 度光學(xué)鏡面5的面形信息。如圖2所示，本發(fā)明的會(huì)聚光路分光系統(tǒng)3由五個(gè)獨(dú)立的光學(xué)元件21、22、23、23、 25相互膠合而形成，實(shí)現(xiàn)了在會(huì)聚(發(fā)散)光路中的分光，使得光源與其像點(diǎn)的分離而不產(chǎn) 生附加光程差。在這五個(gè)光學(xué)元件中，兩個(gè)光學(xué)元件22和23是等腰直角棱鏡，二者的斜邊 相互膠合在一起，形成一塊分光立方體；圖2中的另兩個(gè)光學(xué)元件24和25是平凹透鏡，二 者形狀完全相同，其平面均與立方體膠合，一個(gè)凹面對(duì)著大數(shù)值孔徑光纖光源，另一個(gè)對(duì)著光源的像點(diǎn)；光學(xué)元件21是平凸透鏡，平面與立方體表面膠合，其凸面半徑在數(shù)值上等于 凹面半徑、立方體厚度、平凸透鏡的厚度以及平凹透鏡的厚度之和，即假設(shè)平凸透鏡的凸面 半徑為R2，中心厚度為D2 ；兩塊等腰直角棱鏡膠合而成立方體的邊長為A，平凹透鏡的凹面 半徑為Rl，中心厚度為Dl，則它們之間的幾何關(guān)系為R2 = R1+D1+D2+A。如圖3所示，本發(fā)明的高精度平面反射鏡4，圖3中的31為反射面，其面形精度為 PV值大于或者等于十分之一波長單位；32為毛面。本發(fā)明的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)7中的數(shù)據(jù)處理部分包含有光柵靈敏度計(jì)算分析部分和非 球面面形分析處理部分；光柵靈敏度計(jì)算分析軟件能夠根據(jù)不同的測(cè)量要求自動(dòng)計(jì)算所需 要使用的測(cè)量光柵的頻率；而非球面面形圖像分析處理軟件不僅能夠自動(dòng)繪制光柵圖形， 并能根據(jù)探測(cè)到的共額像點(diǎn)計(jì)算待測(cè)鏡面面形，數(shù)據(jù)處理部分具體實(shí)現(xiàn)如下(1)計(jì)算機(jī)讀取CCD采集到的測(cè)量光柵的陰影圖；(2)圖像處理軟件對(duì)陰影圖進(jìn)行處理，將圖形轉(zhuǎn)換成灰度矩陣；(3)圖像處理軟件對(duì)陰影圖進(jìn)行進(jìn)一步處理，將灰度矩陣表示的條紋變?yōu)榫€條(4)由數(shù)據(jù)處理軟件分別對(duì)比X，y方向的采集帶的陰影圖與理想圖的偏差，分別 擬合和重構(gòu)X方向與y方向的波像差；(5)最后由數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行繪出被測(cè)波面的三維圖，重建波前。本發(fā)明檢測(cè)儀的工作過程及檢測(cè)步驟如下如圖1、圖6所示。第一步先擬訂檢測(cè)系統(tǒng)的空間光路安排，根據(jù)待測(cè)大口徑高陡度光學(xué)鏡面的加 工過程或加工工藝，估計(jì)加工表面殘差，在圖6中，如第一個(gè)框圖所示。第二步，根據(jù)上面估計(jì)的加工殘差，選擇合適的測(cè)量光柵；為了實(shí)現(xiàn)這一步，在計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)中編制了一個(gè)光柵的靈敏度分析軟件，只要在輸入相應(yīng)的參數(shù)，這個(gè)軟件就能自 動(dòng)計(jì)算出其誤差測(cè)量的范圍。顯然，只要上面估計(jì)的加工殘差屬于這個(gè)測(cè)量的范圍內(nèi)，則 該光柵就能滿足測(cè)量的要求，否則就重新輸入相應(yīng)的參數(shù)，再次計(jì)算，直到滿足要求，如圖6 中的第二個(gè)框圖。如果是對(duì)大口徑高陡度光學(xué)鏡面進(jìn)行加工后期的高精度、小誤差的檢驗(yàn)，測(cè)量光 柵可是計(jì)算機(jī)生成的全息片。第三步加工、刻畫測(cè)量光柵(如圖4)或者制作計(jì)算機(jī)生全息片，如圖6中的第三 個(gè)框圖。第四步加工制作分光系統(tǒng)(如圖2)和平面反射鏡(如圖3)；第五步按照附圖1所示搭建測(cè)量系統(tǒng)，將上面所制作的測(cè)量光柵、分光系統(tǒng)以及 平面反射鏡置于光路中，如圖6中的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)部分。第六步數(shù)字CXD采集圖像，傳輸并保存到計(jì)算機(jī)里。第七步數(shù)字圖像處理，進(jìn)行面形誤差分析。首先根據(jù)鏡面方程計(jì)算光柵參數(shù)。檢 測(cè)過程結(jié)束后，數(shù)據(jù)處理軟件將采集到的光柵陰影圖像先轉(zhuǎn)化為數(shù)字灰度矩陣，然后通過 與標(biāo)準(zhǔn)的光柵圖像做比較，從而得出待測(cè)鏡面的面形誤差，并計(jì)算通常的面形誤差評(píng)價(jià)參 數(shù)峰谷值(PV)和均方根(RMS)值，最后給出被測(cè)鏡面面形誤差波前信息。應(yīng)與前述的計(jì) 算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理部分相對(duì)應(yīng)，包括詳細(xì)的計(jì)算過程等。其數(shù)據(jù)處理部分具體實(shí)現(xiàn)如下(1)計(jì)算機(jī)讀取CCD采集到的測(cè)量光柵的陰影這一主要是計(jì)算機(jī)中的圖像處理程序通過圖像采集卡讀取CXD中探測(cè)到的光柵 陰影圖形，是一個(gè)實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)采集過程。(2)圖像處理軟件對(duì)陰影圖進(jìn)行處理，將圖形轉(zhuǎn)換成灰度矩陣；在對(duì)被測(cè)鏡面進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)過程中，由于雜散光的影響，在采集數(shù)據(jù)同的同時(shí)，也 采集到了很多噪聲。于是，為了減少噪音對(duì)數(shù)據(jù)處理的影響，在處理采集到的陰影圖時(shí)，先 將此陰影圖進(jìn)行預(yù)處理，通過設(shè)置一個(gè)5X5矩陣進(jìn)行一次均值濾波，將采集到的圖像轉(zhuǎn)化 為數(shù)字化的灰度巨陣。(3)圖像處理軟件對(duì)陰影圖進(jìn)行進(jìn)一步處理，將灰度矩陣表示的條紋變?yōu)榫€條；條紋位置確定有時(shí)也稱條紋骨架、中心線引出。它主要采用尋找灰度的極大值或 者過零點(diǎn)來確定。其中大部分都采用灰度的極大值一峰值來確定條紋位置，通常包含找出 條紋峰值，細(xì)化條紋以及除去錯(cuò)誤的條紋和連接斷開的條紋。尋找峰值的檢測(cè)是一個(gè)5X5 像素的矩陣上，沿著X，Y，+45，-45°四個(gè)方向比較灰度值，直到在其中至少兩個(gè)滿足最大 值條件，其中心就是條紋峰值點(diǎn)。細(xì)化條紋是當(dāng)檢測(cè)后尚有多于一個(gè)像素存在條紋時(shí)，再做 進(jìn)一步處理，其細(xì)化原則是經(jīng)條紋走向判斷后，沿著條紋走向，若條紋像素?cái)?shù)在3個(gè)以上則 取中心而除去兩邊的像素，若只余下兩個(gè)像素，則除去一邊像素(左或右需一致)，這樣條 紋位置最后歸結(jié)為一個(gè)像素的線狀骨架。被光滑處理后的數(shù)據(jù)需要被二值化，我們采用了 25%信號(hào)強(qiáng)度的作為閥值進(jìn)行濾波處理，在采集到的圖像中，高于閥值的信號(hào)是白點(diǎn)，數(shù)值 為1 ；低于閥值的點(diǎn)是黑點(diǎn)，數(shù)值為0，這樣就完成了圖像的灰度轉(zhuǎn)換，條紋變成了線條。(4)由數(shù)據(jù)處理軟件分別對(duì)比X，y方向的采集帶的陰影圖與理想圖的偏差，分別 擬合和重構(gòu)X方向與y方向的波像差；按照上述(3)中的理論與方法，可獲得X方向上的標(biāo)準(zhǔn)光柵圖像的線條以及實(shí)驗(yàn) 采集到光柵陰影圖形的線條，兩幅圖像中條紋存在偏差即說明被測(cè)鏡面與理想鏡面在X方 向上存在著偏差。同理亦可獲得Y方向上的條紋偏差。這些偏差以矩陣的形式保存在計(jì)算 機(jī)里，按照下面的理論進(jìn)行波面擬合。對(duì)于一個(gè)完全不對(duì)稱的表面，而表面是連續(xù)變化的，則可以用第k級(jí)的二維多項(xiàng)
式來進(jìn)行表面擬合。
、 j i
權(quán)利要求
一種大口徑高陡度光學(xué)鏡面在線測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于包括大數(shù)值孔徑光纖光源(1)、可更換式測(cè)量光柵(2)、會(huì)聚光路分光系統(tǒng)(3)、高精度平面反射鏡(4)、大口徑高陡度光學(xué)鏡面(5)、數(shù)字彩色CCD(6)、計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)(7)；從大數(shù)值孔徑光纖光源(1)發(fā)出的光將可更換式測(cè)量光柵(2)的陰影經(jīng)過會(huì)聚光路分光系統(tǒng)(3)后，由一塊45°放置的高精度平面反射鏡(4)反射到與加工狀態(tài)相一致的大口徑高陡度光學(xué)鏡面(5)上，高精度平面反射鏡(4)將光路折轉(zhuǎn)90°，隨后，這組陰影條紋被大口徑高陡度光學(xué)鏡面(5)沿著原來入射的光路反射回去，再次經(jīng)過高精度平面反射鏡(4)后又經(jīng)過會(huì)聚光路分光系統(tǒng)(3)，并由會(huì)聚光路分光系統(tǒng)(3)產(chǎn)生一條垂直于原光束方向的新光路，并產(chǎn)生一個(gè)大數(shù)值孔徑光纖光源(1)共軛像點(diǎn)，這個(gè)像點(diǎn)的圖像經(jīng)過高精度數(shù)字CCD(6)采集后，進(jìn)入計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)(7)，由于反射回的像點(diǎn)包含了大口徑高陡度光學(xué)鏡面(5)的面形信息，最后由安裝在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(7)上的數(shù)據(jù)處理部分把共軛像點(diǎn)對(duì)應(yīng)的面形數(shù)據(jù)信息提取出來，從而獲得被測(cè)大口徑高陡度光學(xué)鏡面(5)的面形信息；所述的會(huì)聚光路分光系統(tǒng)(3)由五個(gè)獨(dú)立的光學(xué)元件相互膠合而形成；在所述五個(gè)光學(xué)元件中，有兩塊是等腰直角棱鏡，二者的斜邊相互膠合在一起，形成一塊分光立方體；另外有兩塊是平凹透鏡，二者形狀完全相同；所述兩塊平凹透鏡的平面均與所述兩塊等腰直角棱鏡膠合而成的立方體的相鄰兩個(gè)表面再次膠合，一個(gè)凹面對(duì)著大數(shù)值孔徑光纖光源，另一個(gè)對(duì)著大數(shù)值孔徑光纖光源的像點(diǎn)；最后一塊是平凸透鏡，所述平凸透鏡的平面與所述兩塊等腰直角棱鏡膠合而成的立方體另外的一個(gè)表面膠合，假設(shè)平凸透鏡的凸面半徑為R2，中心厚度為D2；兩塊等腰直角棱鏡膠合而成立方體的邊長為A，平凹透鏡的凹面半徑為R1，中心厚度為D1，則它們之間的幾何關(guān)系為R2＝R1+D1+D2+A。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大口徑高陡度光學(xué)鏡面在線測(cè)量系統(tǒng)，其特征在所述 的可更換式測(cè)量光柵(2)為不同頻率的Ronchi光柵；或更換為計(jì)算機(jī)生成的全息片CGH來 實(shí)現(xiàn)對(duì)大口徑高陡度光學(xué)鏡面(5)的不同方式測(cè)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大口徑高陡度光學(xué)鏡面在線測(cè)量系統(tǒng)，其特征在所述 的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(7)中的數(shù)據(jù)處理部分包含有光柵靈敏度計(jì)算分析部分和非球面面形分析 處理部分；光柵靈敏度計(jì)算分析軟件能夠根據(jù)不同的測(cè)量要求自動(dòng)計(jì)算所需要使用的測(cè)量 光柵的頻率；而非球面面形圖像分析處理軟件不僅能夠自動(dòng)繪制光柵圖形，并能根據(jù)探測(cè) 到的共軛像點(diǎn)計(jì)算待測(cè)鏡面面形，數(shù)據(jù)處理部分具體實(shí)現(xiàn)如下(1)計(jì)算機(jī)讀取CCD采集到的測(cè)量光柵的陰影圖；(2)圖像處理軟件對(duì)陰影圖進(jìn)行處理，將圖形轉(zhuǎn)換成灰度矩陣；(3)圖像處理軟件對(duì)陰影圖進(jìn)行進(jìn)一步處理，將灰度矩陣表示的條紋變?yōu)榫€條(4)由數(shù)據(jù)處理軟件分別對(duì)比X，y方向的采集帶的陰影圖與理想圖的偏差，分別擬合 和重構(gòu)χ方向與y方向的波像差；(5)最后由數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行繪出被測(cè)波面的三維圖，重建波前。
全文摘要
一種大口徑高陡度光學(xué)鏡面在線測(cè)量系統(tǒng)，包括光纖光源、會(huì)聚光路分光系統(tǒng)、可更換式測(cè)量光柵、高精度平面反射鏡、大口徑高陡度光學(xué)鏡面、數(shù)字CCD、計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)。從數(shù)值孔徑光纖光源發(fā)出的光，通過測(cè)量光柵后產(chǎn)生一組陰影條紋，這些陰影條紋在經(jīng)過會(huì)聚光路分光系統(tǒng)及高精度平面反射鏡后投影到大口徑高陡度光學(xué)鏡面上，而后又被大口徑高陡度光學(xué)鏡面按原光路反射回去，再次經(jīng)過高精度平面反射鏡及會(huì)聚光路分光系統(tǒng)時(shí)產(chǎn)生另一束光路，并在這束光路中產(chǎn)生出這個(gè)光源的共額像。這個(gè)像通過數(shù)字CCD采集后傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)信息處理系統(tǒng)來進(jìn)行分析處理，通過比較反射回的像與理想像之間的偏差計(jì)算出這個(gè)大口徑高陡度光學(xué)鏡面面形誤差。
文檔編號(hào)G01B11/24GK101957182SQ201010244780
公開日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2010年8月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月4日
發(fā)明者伍凡, 雷柏平 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所