專利名稱：一種大動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量非球面光學(xué)元件表面輪廓裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種大動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量非球面光學(xué)元件表面輪廓裝置。該裝置只需要借助普通的輔助會(huì)聚鏡頭，即能對(duì)非球面光學(xué)元件表面輪廓給出定量檢測(cè)數(shù)據(jù)。
背景技術(shù)：
隨著精密光學(xué)加 工技術(shù)的發(fā)展，非球面光學(xué)元件已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各種光學(xué)系統(tǒng)中，如各種高品質(zhì)的相機(jī)、攝像機(jī)、光學(xué)測(cè)量?jī)x器及掃描儀等光學(xué)系統(tǒng)，甚至是與我們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的產(chǎn)品(如非球面汽車車燈)。非球面光學(xué)元件，是指面形由高次方程決定、面形上各點(diǎn)半徑均不相同的光學(xué)元件。非球面有許多獨(dú)特的性質(zhì)，將非球面應(yīng)用于光學(xué)系統(tǒng)中，能夠減少系統(tǒng)中光學(xué)元件的數(shù)量、提高系統(tǒng)成像質(zhì)量。因?yàn)榉乔蛎娌煌谇蛎娴奶厥庑再|(zhì)，其檢測(cè)方法也一直成為關(guān)注的熱點(diǎn)。非球面光學(xué)元件檢測(cè)發(fā)展出了多種技術(shù)，典型的有面形輪廓法、無像差點(diǎn)法、補(bǔ)償干涉法、剪切法等，以及近年來比較多文獻(xiàn)報(bào)道的計(jì)算全息法和環(huán)形子孔徑拼接法等。這些方法各有其作用及特點(diǎn)，但也常常受限于具體的檢測(cè)對(duì)象及檢測(cè)環(huán)境。如面形輪廓法，屬于機(jī)械接觸式測(cè)量，機(jī)械探針在接觸光學(xué)元件表面時(shí)容易造成自身損傷及光學(xué)元件的損傷；無像差點(diǎn)法是一種常見的非球面光學(xué)元件檢測(cè)手段，但是只適用于二次非球面光學(xué)元件，而且對(duì)不同的非球面光學(xué)元件，適用的檢測(cè)光路也不同，往往需要較高精度的輔助球面鏡；補(bǔ)償干涉法是設(shè)計(jì)、制作一定的補(bǔ)償器來使非球面光學(xué)元件的反射波前能盡量靠近球面波來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，同樣，補(bǔ)償器是針對(duì)非球面光學(xué)元件參數(shù)對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)的，并且，在檢測(cè)中補(bǔ)償器自身的誤差通常無法消除掉。剪切法是以分束的方法，令兩束相關(guān)的波前之間產(chǎn)生剪切干涉以反映誤差信息，但因器件口徑的限制，一般僅用在小口徑、小相對(duì)孔徑非球面光學(xué)元件的檢測(cè)中。計(jì)算全息法無需使用干涉樣板，但是全息樣板的計(jì)算量大，這對(duì)全息樣板的復(fù)位精度要求很高，并且一個(gè)非球面光學(xué)元件對(duì)應(yīng)一個(gè)全息樣板的制作，通用性不強(qiáng)；此外，還有在球面干涉儀上沿光軸方向移動(dòng)干涉儀或非球面光學(xué)元件，改變它們之間的距離產(chǎn)生非共心光束，通過各個(gè)不同曲率半徑的參考球面波來匹配被測(cè)非球面光學(xué)元件的不同環(huán)帶區(qū)域，從而使被測(cè)元件相對(duì)于參考波前的斜率差減小到干涉儀的允許范圍內(nèi)，用干涉法分別測(cè)量各個(gè)環(huán)形子孔徑區(qū)域然后拼接、擬合得到整個(gè)面形信息，即所謂環(huán)形子孔徑拼接法。這種方法可以使現(xiàn)有的球面干涉儀擴(kuò)展到非球面光學(xué)元件的檢測(cè)，但是對(duì)裝置調(diào)整精度要求很高。綜合上述介紹，可以看出，各種非球面光學(xué)元件檢測(cè)方法都有各自的局限性以及檢測(cè)對(duì)象的單一性。因此通用性較強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量過程易于控制的非球面光學(xué)元件檢測(cè)方法，是十分有價(jià)值的。本發(fā)明提出一種大動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量非球面光學(xué)兀件表面輪廓的方法利用一定的孔徑分割光闌，使光束通過光闌分割后照射到被檢測(cè)的光學(xué)表面上，經(jīng)光學(xué)表面反射的光束再投影到接受屏上。該投影光束將包含被測(cè)光學(xué)表面的誤差信息，借助一定的算法即可得到其面形輪廓數(shù)據(jù)。這種方法能大動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量非球面光學(xué)元件表面輪廓，通常只需要借助普通的輔助會(huì)聚鏡頭，即能對(duì)非球面光學(xué)元件表面輪廓給出定量檢測(cè)數(shù)據(jù)。相對(duì)于前述的各種檢測(cè)方法，本方法在整個(gè)檢測(cè)過程中沒有移動(dòng)部件，因此具有較好的環(huán)境適應(yīng)性，不易受振動(dòng)、氣流干擾等的影響；這種方法屬于非接觸式光學(xué)測(cè)量，因而不存在像輪廓儀那樣因機(jī)械接觸而導(dǎo)致的關(guān)鍵部件損傷或者光學(xué)表面損傷的問題；同時(shí)，本方法具有很大的彈性可變的動(dòng)態(tài)范圍，因此具有很強(qiáng)的通用性，能夠適應(yīng)各種不同批次、不同參數(shù)光學(xué)非球面的檢測(cè)要求，而無需像計(jì)算全息法或補(bǔ)償法那樣需要制作專門的輔助元件或補(bǔ)償器，也無需像環(huán)形子孔徑拼接方法那樣，以機(jī)械裝置的調(diào)整換取動(dòng)態(tài)范圍，導(dǎo)致對(duì)裝置調(diào)整的要求過高

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)的不足，利用一個(gè)特殊光闌，通過采集經(jīng)被測(cè)件反射的光束在屏上形成的圖像，給出非球面光學(xué)元件表面或者表面輪廓的定量檢測(cè)數(shù)據(jù)，提供一種大動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量非球面光學(xué)元件表面輪廓裝置。 本發(fā)明提供以下技術(shù)方案一種能大動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量非球面光學(xué)元件表面輪廓裝置，其特征在于，該裝置利用一個(gè)子孔徑分割光闌2來形成特定的入射光束，將該入射光束投影到被檢測(cè)的非球面光學(xué)元件3表面，從非球面光學(xué)元件3表面反射回來的光束經(jīng)反射鏡4后被漫反射屏5攔截，CCD7利用成像透鏡探測(cè)漫反射屏中的光強(qiáng)分布6并將光強(qiáng)分布圖像數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)子孔徑分割光闌形成的特定入射光束光強(qiáng)的變化計(jì)算出被檢測(cè)的光學(xué)元件表面輪廓。進(jìn)一步的，該裝置利用一個(gè)光學(xué)成像裝置對(duì)接收屏成像，以采集接收屏上的光束圖像。進(jìn)一步的，其所采集的圖像為一個(gè)光束陣列圖像，通過光束陣列中各個(gè)光束的強(qiáng)度分布信息、位置和形狀信息來復(fù)原被檢測(cè)光學(xué)非球面的表面輪廓。進(jìn)一步的，當(dāng)被檢測(cè)非球面光學(xué)兀件相對(duì)球面的最大偏離量小于一定閾值時(shí)，無需輔助會(huì)聚鏡頭，僅需要一塊小的平面反射鏡將被檢測(cè)非球面光學(xué)元件表面上反射的光束折轉(zhuǎn)、傳遞到接收屏上，由成像CCD7直接進(jìn)行探測(cè)，從而反演出被檢非球面光學(xué)元件的表面輪廓數(shù)據(jù)，此時(shí)給出的數(shù)據(jù)為該非球面光學(xué)元件相對(duì)平面的“絕對(duì)輪廓”。進(jìn)一步的，當(dāng)被檢非球面光學(xué)元件相對(duì)球面的最大偏離量大于一定閾值時(shí)，借助一塊輔助會(huì)聚鏡頭；該輔助會(huì)聚鏡頭其F數(shù)與被檢測(cè)非球面光學(xué)元件相匹配；測(cè)量時(shí)先以曲率接近被檢測(cè)非球面光學(xué)元件的球面為參照取得系統(tǒng)的零位，再對(duì)被檢測(cè)非球面光學(xué)元件進(jìn)行測(cè)量。此時(shí)獲取的數(shù)據(jù)為被檢測(cè)非球面光學(xué)元件相對(duì)該球面的差異，即被檢非球面的面形信息。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，無論硬件要求、操作的可控性還是數(shù)據(jù)的完整性，皆具有較大的優(yōu)勢(shì)不要求復(fù)雜的硬件，無需補(bǔ)償器或者其他專有輔助裝置；測(cè)量操作過程簡(jiǎn)單、可控；測(cè)量所獲取的數(shù)據(jù)為被檢測(cè)表面的定量三維輪廓信息(或者是相對(duì)一已知球面的面形差異信息)，且是數(shù)字化的，檢驗(yàn)或加工人員可以很方便地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、比對(duì)和特征提取，從而對(duì)光學(xué)表面的加工質(zhì)量進(jìn)行有效評(píng)判。


圖I為本發(fā)明的針對(duì)非球面表面輪廓的大動(dòng)態(tài)范圍檢測(cè)光路示意圖。圖2為本發(fā)明的針對(duì)非球面面形誤差的大動(dòng)態(tài)范圍檢測(cè)光路示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明具體實(shí)施例如下
當(dāng)被檢測(cè)非球面光學(xué)兀件相對(duì)球面的最大偏離量小于一定閾值時(shí)(本實(shí)施例中該閾值為4um)，本發(fā)明可以利用一塊小平面反射鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)非球面光學(xué)元件表面輪廓的檢測(cè)，如圖I所示，平行光I經(jīng)子孔徑分割光闌2(根據(jù)被測(cè)件的特點(diǎn)，采用一種扇形子孔徑的分割光闌)后照射到被檢測(cè)非球面光學(xué)元件3上，在被檢測(cè)非球面光學(xué)元件3的焦點(diǎn)附近放置一塊小反射鏡4，使會(huì)聚光束反射到接收屏5上，如圖中所示，接收屏5上將會(huì)形成一個(gè)包含有被測(cè)非球面光學(xué)元件3面形信息的光強(qiáng)分布圖像，以配有相應(yīng)成像鏡頭的CCD7來對(duì)接收屏5成像。通過(XD7采集的光強(qiáng)分布信息、各個(gè)子孔徑的位置偏移信息，利用zernike模式復(fù)原算法復(fù)原出被檢表面的表面輪廓信息。在該光路中，將接收屏5直接置于子孔徑分割光闌2之后，CCD7采集的圖像作為檢測(cè)零位，因?yàn)楣饴分兄恍枰粔K平面的小輔助反射鏡，該反射鏡不對(duì)光束的相位產(chǎn)生影響，因此檢測(cè)得到的是被檢測(cè)非球面光學(xué)元件3的表面輪廓，即相對(duì)于平面的“絕對(duì)”輪廓。當(dāng)被檢非球面光學(xué)兀件相對(duì)球面的最大偏離量大于一定閾值時(shí)(本實(shí)施例中該閾值為4um)，本發(fā)明需要借助一塊輔助會(huì)聚鏡頭實(shí)現(xiàn)對(duì)非球面光學(xué)元件表面輪廓的檢測(cè)，如圖2所示，平行光I透射經(jīng)過子孔徑分割光闌2、分光鏡8后，由輔助會(huì)聚鏡頭9會(huì)聚照射到被檢測(cè)非球面光學(xué)元件3上。其中，輔助會(huì)聚鏡頭9的F數(shù)要與被檢測(cè)非球面光學(xué)元件3的F數(shù)相匹配。經(jīng)被檢測(cè)非球面光學(xué)元件3反射的光束原路通過輔助會(huì)聚鏡頭9，并經(jīng)分光鏡8反射到接收屏5上，同樣，如圖中所示，接收屏5上將會(huì)形成一個(gè)包含有被檢測(cè)非球面光學(xué)元件3面形信息的光強(qiáng)分布圖像6，用配有相應(yīng)成像鏡頭的CCD7來對(duì)接收屏成像。通過(XD7采集的光強(qiáng)分布信息、各個(gè)子孔徑的位置偏移信息，利用zernike模式復(fù)原算法復(fù)原出被檢表面的表面輪廓信息。在該方案中，以一塊曲率接近被檢測(cè)非球面光學(xué)71件3的輔助會(huì)聚鏡頭9置于被檢測(cè)非球面光學(xué)元件3所在的位置進(jìn)行“零位標(biāo)定”，則測(cè)量得到的是該被檢測(cè)非球面光學(xué)元件3相對(duì)此輔助球面的差異，將測(cè)量得到的差異面型與預(yù)先測(cè)量得到的輔助球面點(diǎn)對(duì)點(diǎn)進(jìn)行相加便可以得到非球面光學(xué)元件3的面形信息。
權(quán)利要求
1.一種大動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量非球面光學(xué)元件表面輪廓裝置，其特征在于，該裝置利用一個(gè)子孔徑分割光闌(2)來形成特定的入射光束，將該入射光束投影到被檢測(cè)的非球面光學(xué)元件(3)表面，從非球面光學(xué)元件(3)表面反射回來的光束經(jīng)反射鏡(4)后被漫反射屏(5)攔截，CCD(7)利用成像透鏡探測(cè)漫反射屏中的光強(qiáng)分布(6)并將光強(qiáng)分布圖像數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)根據(jù)子孔徑分割光闌形成的特定入射光束光強(qiáng)的變化計(jì)算出被檢測(cè)的光學(xué)元件表面輪廓。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于，該裝置利用一個(gè)光學(xué)成像裝置對(duì)接收屏成像，以采集接收屏上的光束圖像。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，其所采集的圖像為一個(gè)光束陣列圖像，通過光束陣列圖像中各個(gè)光束的強(qiáng)度分布信息、位置和形狀信息來復(fù)原被檢測(cè)光學(xué)非球面的表面輪廓。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于當(dāng)被檢測(cè)非球面光學(xué)元件相對(duì)球面的最大偏離量小于一定閾值時(shí)，無需輔助會(huì)聚鏡頭，僅需要一塊小的平面反射鏡將被檢測(cè)非球面光學(xué)元件表面上反射的光束折轉(zhuǎn)、傳遞到接收屏上，由成像CCD(7)直接進(jìn)行探測(cè)，從而反演出被檢非球面光學(xué)元件的表面輪廓數(shù)據(jù)，此時(shí)給出的數(shù)據(jù)為該非球面光學(xué)元件相對(duì)平面的“絕對(duì)輪廓”。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的裝置，其特征在于當(dāng)被檢非球面光學(xué)元件相對(duì)球面的最大偏離量大于一定閾值時(shí)，借助一塊輔助會(huì)聚鏡頭；該輔助會(huì)聚鏡頭其F數(shù)與被檢測(cè)非球面光學(xué)元件相匹配；測(cè)量時(shí)先以曲率接近被檢測(cè)非球面光學(xué)元件的球面為參照取得系統(tǒng)的零位，再對(duì)被檢測(cè)非球面光學(xué)元件進(jìn)行測(cè)量，此時(shí)獲取的數(shù)據(jù)為被檢測(cè)非球面光學(xué)元件相對(duì)該球面的差異，即被檢非球面的面形信息。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的裝置，其特征在于，所述的閾值為4um。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種大動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量非球面光學(xué)元件表面輪廓裝置。該裝置利用一塊子孔徑分割光闌來形成特定的入射光束，將該入射光束投影到被檢測(cè)的非球面光學(xué)元件表面上并接收、采集其反射光束所形成的圖像，利用像差模式算法復(fù)原出被檢測(cè)非球面光學(xué)元件表面輪廓信息或者面形誤差信息。在實(shí)際檢測(cè)中，只需要借助普通的輔助會(huì)聚鏡頭，即能對(duì)非球面光學(xué)元件表面輪廓給出定量的檢測(cè)數(shù)據(jù)。相對(duì)現(xiàn)有的非球面檢驗(yàn)方法，具有較好的環(huán)境適應(yīng)性和很強(qiáng)的通用性，能夠適應(yīng)各種不同批次、不同參數(shù)光學(xué)非球面的檢測(cè)要求。
文檔編號(hào)G01B11/24GK102636130SQ20121011562
公開日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月19日
發(fā)明者周虹, 王海英, 黃林海 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所