CN106052585B - 一种面形检测装置与检测方法 - Google Patents

一种面形检测装置与检测方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种面形检测装置与检测方法，面形检测装置包括激光光源组件、波前编码器、分光器件、透镜、阵列探测器以及控制模块。面形检测方法：将激光光源组件发出的光照射波前编码器，经波前编码器调制的出射光透过分光器件、透镜成像至待测区一表面，该表面反射的光经过透镜、分光器件进入阵列探测器；控制模块控制波前编码器以在待测区一表面上产生顺序移动的光斑；阵列探测器记录并保存对应每个采样点的光斑的图像，将接收到的光线转换为电信号；控制模块对电信号进行相应的处理并获得待测物体表面的倾斜角度。本发明实现高精度小范围和低精度大范围两种模式之间的切换；可测量二维物体，适合在线检测安装在同步辐射光束线上的光学元件。

Description

一种面形检测装置与检测方法
技术领域
本公开涉及镜面物体的二维面形检测领域，尤其涉及一种面形检测装置与检测方法。
背景技术
在同步辐射领域，对X射线光束进行传播和调制的光束线上用到大量的光学元件，如反射镜、单色器等。光学元件的表面面形误差，特别是倾斜度误差，影响到光束质量。为了提高同步辐射装置的性能，必须在实施面形测量的基础上对光束线进行调整。对于任何一种面形测量设备，受限于探测传感元件的有限像素阵列数，存在测量精度-测量范围的矛盾，即测量精度高的设备，其测量范围低，而测量范围高的设备，其测量精度较低。
同时，现有的同步辐射光学元件面形检测方法，如干涉仪无法测量强弯曲的表面(大变形范围)，基于细光束扫描的长程面形仪，却只能提供一维尺度上的面形变化。而在某些情况下，如在线检测高热负载的单色器，二维尺度的大量程面形测量非常重要，必须针对该应用需求，研发新型面形检测设备。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，做出了本申请。
第一方面，本申请提供了一种面形检测装置，包括：激光光源组件，其提供准直的激光；
波前编码器，其用于调制所述激光光源组件提供的激光，以产生光斑；
分光器件，其透射从所述波前编码器出射的光线；
透镜，其接收所述分光器件透射的光线，并将光线投射至所述待测区一表面，以在所述表面上形成所述光斑的图像，所述表面位于所述波前编码器的共轭面处或其附近的一表面；
阵列探测器，所述待测区一表面反射的光线依次经过所述透镜、所述分光器件进入所述阵列探测器，所述阵列探测器将接收到的光线转换为电信号；以及
控制模块，其控制所述波前编码器以在所述待测区一表面上形成顺序移动的光斑图案。
优选的，所述波前编码器为以下任意一种：数字微镜器件、液晶显示阵列器件、反射式微显示阵列器件和小孔阵列板。
优选的，所述透镜为低像差的透镜组。
优选的，所述待测区一表面反射的光线依次通过所述透镜、所述分光器件后成像于所述透镜的焦平面上，所述阵列探测器位于所述透镜与所述焦平面之间的离焦面上。
优选的，所述控制模块还配置为：当所述待测区一表面处于第一角度时，控制所述波前编码器以在所述第一角度处的表面上产生顺序移动的光斑；
当所述待测区一表面处于第二角度时，控制所述波前编码器以在所述第二角度处的表面上产生顺序移动的光斑，并依据第一角度和第二角度处光斑位置的变化生成标定系数；
当所述待测区一表面处于第三角度时，控制所述波前编码器以在所述第三角度处的表面上产生顺序移动的光斑，并依据第一角度和第三角度光斑位置的变化以及所述标定系数生成待测物体表面的倾斜角度。
第二方面，本申请还提供了一种面形检测方法，适用于上述面形检测装置，包括：
将激光光源组件发出的光照射波前编码器，经所述波前编码器调制的出射光透过分光器件、透镜成像至待测区一表面，所述表面反射的光经过所述透镜、所述分光器件进入阵列探测器，所述待测区的一待测区一表面为所述波前编码器的共轭面或其附近的一表面；
控制模块控制波前编码器以在所述待测区一表面上产生顺序移动的光斑；
所述阵列探测器记录并保存对应每个采样点(i，j)的光斑的图像，并将接收到的光线转换为电信号，i、j是第i行j列采样点序号；
所述控制模块对电信号进行相应的处理并获得待测物体表面的倾斜角度。
优选的，所述控制模块对电信号进行相应的处理并获得待测物体表面的倾斜角度，包括：
所述控制模块将所述电信号与所述倾斜角度的标定系数进行比较，根据标定系数获得待测物体表面的倾斜角度。
优选的，获得所述标定系数的方法包括：
在所述待测区一表面处放置标准平面镜，所述阵列探测器记录标准平面镜在第一角度时每个采样点(i，j)的光斑的图像；
将所述标准平面镜或所述面形检测装置倾斜特定角度β，所述阵列探测器记录标准平面镜在第二角度时每个采样点(i，j)的光斑的图像；
所述控制模块计算每个采样点(i，j)在第一角度和第二角度之间的光斑位置变化Δrij，获得倾斜角度的标定系数β/Δrij。
优选的，所述控制模块将所述电信号与所述倾斜角度的标定系数进行比较，根据标定系数获得待测物体表面的倾斜角度，包括：
将标准平面镜替换为待测物体，调整所述待测物体或所述面形检测装置的角度，所述阵列探测器记录所述待测物体在第三角度时每个采样点(i，j)的光斑的图像；
所述控制模块计算每个采样点(i，j)在第一角度和第三角度之间的光斑位置变化(ΔXij,ΔYij)，并依据标定系数进而计算得到待测物体表面的倾斜角度(ΔXijβ/Δrij，ΔYijβ/Δrij)。
本申请提供的面形检测装置与检测方法，能够实现高精度-小范围模式和低精度-大范围模式两种测量模式之间的快速切换；能够测量二维物体，特别适合在线检测安装在同步辐射光束线上的光学元件。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出了本发明提供的面形检测装置的结构示意图；
图2示出了本发明提供的面形检测装置中激光光源组件的结构示意图；
图3示出了本发明提供的面形检测装置中控制模块的结构框图；
图4示出了本发明提供的面形检测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
参考图1至图3，本发明提供了一种面形检测装置，包括：
激光光源组件1，其提供准直的激光；
波前编码器2，其用于调制激光光源组件1提供的激光，以产生光斑；
分光器件3，其透射从波前编码器2出射的光线；
透镜4，其接收分光器件3透射的光线，并将光线投射至待测区一表面5，以在待测区一表面5上形成光斑的图像，待测区一表面5为波前编码器的共轭面处或其附近的一表面；
阵列探测器6，待测区一表面5反射的光线依次经过透镜4、分光器3进入阵列探测器6，阵列探测器6将接收到的光线转换为电信号；以及
控制模块7，其控制波前编码器2以在待测区一表面5上形成顺序移动的光斑的图像。
其中，待测区一表面5处放置物体9(例如：标准平面镜、待测物体)，波前编码器的共轭面或其附件的一表面即为物体9的表面所在处。
本发明通过控制模块控制波前编码器以调制激光在波前编码器的共轭面或其附近的一表面上成像，并通过阵列探测器记录光斑的图像以转换成电信号以及控制模块处理电信号以得到待测物体表面的倾斜角度。该装置能够测量二维物体，特别适合在线检测安装在同步辐射光束线上的光学元件。
图2示出了激光光源组件1的具体结构，为了提高稳定指向且准直激光光束，激光光源组件1包括：激光器11、用于将激光聚焦的透镜12,、用于滤波的小孔13、用于激光准直的透镜14。
优选的，激光光源组件提供的激光为宽光束激光，也即光束尺寸与波前编码器的尺寸一致。采用宽光束激光，光斑成像时覆盖的区域范围较大；相比于细光束，当入射到光学元件上的光束是宽光束时，那么产生的光束方向误差更小，即宽光束下测量光路中各光学元件表面形貌误差对最终测量结果的影响更小，这样有效降低了测量光路中各光学元件表面形貌误差对最终测量结果的影响。
进一步地，分光器件优选为分光棱镜，用来透光并且接受待测区一表面反射的光线。
进一步地，如图1所示，该实施例中波前编码器2优选为小孔或小孔阵列板，可用来形成光斑或光斑阵列。
优选的，透镜4为低像差的透镜组，长焦镜头比较适合。
优选的，待测区一表面5反射的光线依次通过透镜、分光器件后成像于透镜的焦平面8上，阵列探测器6位于透镜4与焦平面8之间的离焦面上。离焦面与焦平面之间的距离为离焦量，随离焦量的增大(也即阵列探测器越靠近透镜)，测量的精度高，阵列探测器记录到的光斑的图像范围小；反之，测量的精度低，阵列探测器记录到的光斑的图像范围大。该面形检测装置能够实现高精度-小范围模式和低精度-大范围模式两种测量模式之间的快速切换。
如图3所示，控制模块7包括：CCD驱动电路301，其用于将从阵列探测器接收到的电信号进行放大处理；
数据采集卡302，其将放大后的电信号进行模数转换以及数据采集；
软件程序303，其用于控制波前编码器以在待测区一表面产生顺序移动的光斑，并计算与待测物体表面的倾斜角度相关的光束横向位移数据、待测物体表面的倾斜角度；以及
显示屏304，其用于显示与待测物体表面的倾斜角度相关的光束横向位移数据以及待测物体表面的倾斜角度。
控制模块7完成对波前编码器的信号控制，同时完成试验数据的采集、处理及最终测量结果的显示。
优选的，根据图3所示的控制模块，在软件程序303的控制下，控制模块7还配置为：当待测区一表面5处于第一角度时，控制波前编码器以在第一角度处的表面上产生顺序移动的光斑；
当待测区一表面5处于第二角度时，控制波前编码器以在第二角度处的表面上产生顺序移动的光斑，并依据第一角度和第二角度处光斑位置的变化生成标定系数；
当待测区一表面5处于第三角度时，控制波前编码器以在第三角度处的表面上产生顺序移动的光斑，并依据第一角度和第三角度光斑位置的变化以及标定系数生成待测物体表面的倾斜角度。
图1中示出的波前编码器除了受机械驱动的小孔或小孔阵列板，还可以优选电驱动的光电器件，例如数字微镜器件、液晶显示阵列器件或者反射式微显示阵列器件，用来调制光斑或光斑阵列；图1仅示意面形检测装置中光路的原理，对于波前编码器的选用，本领域的技术人员可根据波前编码器的具体器件设置合适的光路。本发明提供的面形检测装置结构简单，能够提供光学镜面二维空间上的倾斜度数据。
图4示出了本申请提供的面形检测方法的流程图。接下来结合图4介绍本申请提供的面形检测方法，适用于上述面形检测装置，包括：
步骤S201：将激光光源组件发出的光照射波前编码器，经波前编码器调制的出射光透过分光器件、透镜成像至待测区一表面，表面反射的光经过透镜、分光器件进入阵列探测器，待测区的一表面为波前编码器的共轭面或其附近的一表面；
步骤S202：控制模块控制波前编码器以在待测区一表面上产生顺序移动的光斑；
步骤S203：阵列探测器记录并保存对应每个采样点(i，j)的光斑的图像，并将接收到的光线转换为电信号，i、j是第i行j列采样点序号；
步骤S204：控制模块对电信号进行相应的处理并获得待测物体表面的倾斜角度。
本实施例提供的面形检测方法，适用于镜面物体的二维面形检测，可以实现小量程、高精度，又可以实现大量程、低精度两方面的测量。
作为一种可选的实施方式，控制模块对电信号进行相应的处理并获得待测物体表面的倾斜角度，包括：
控制模块将电信号与倾斜角度的标定系数进行比较，根据标定系数获得待测物体表面的倾斜角度。
作为一种可选的实施方式，获得标定系数的方法包括：
在待测区一表面处放置标准平面镜，阵列探测器记录标准平面镜在第一角度时每个采样点(i，j)的光斑的图像；
将标准平面镜或面形检测装置倾斜特定角度β，阵列探测器记录标准平面镜在第二角度时每个采样点(i，j)的光斑的图像；
控制模块计算每个采样点(i，j)在第一角度和第二角度之间的光斑位置变化Δrij，获得倾斜角度的标定系数β/Δrij，也即单位位移所对应的倾斜角度的变化。
进一步地，控制模块将电信号与倾斜角度的标定系数进行比较，根据标定系数获得待测物体表面的倾斜角度，包括：
将标准平面镜替换为待测物体，调整待测物体或面形检测装置的角度，阵列探测器记录待测物体在第三角度时每个采样点(i，j)的光斑的图像；
控制模块计算每个采样点(i，j)在第一角度和第三角度之间的光斑位置变化(ΔXij,ΔYij)，并依据标定系数进而计算得到待测物体表面的倾斜角度(ΔXijβ/Δrij，ΔYijβ/Δrij)。其中，可根据图像位移算法计算倾斜前后的光斑位置变化。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (8)

1.一种面形检测装置，包括：
激光光源组件，其提供准直的激光；
波前编码器，其用于调制所述激光光源组件提供的激光，以产生光斑；
分光器件，其透射从所述波前编码器出射的光线；
透镜，其接收所述分光器件透射的光线，并将光线投射至待测区一表面，以在所述表面上形成所述光斑的图像，所述表面位于所述波前编码器的共轭面处或其附近的一表面；
阵列探测器，所述待测区一表面反射的光线依次经过所述透镜、所述分光器件进入所述阵列探测器，所述阵列探测器将接收到的光线转换为电信号；以及
控制模块，其控制所述波前编码器以在所述待测区一表面上形成顺序移动的光斑的图像；
当所述待测区一表面处于第一角度时，控制所述波前编码器以在所述第一角度处的表面上产生顺序移动的光斑；
当所述待测区一表面处于第二角度时，控制所述波前编码器以在所述第二角度处的表面上产生顺序移动的光斑，并依据第一角度和第二角度处光斑位置的变化生成标定系数；
当所述待测区一表面处于第三角度时，控制所述波前编码器以在所述第三角度处的表面上产生顺序移动的光斑，并依据第一角度和第三角度光斑位置的变化以及所述标定系数生成待测物体表面的倾斜角度。
2.根据权利要求1所述的面形检测装置，其特征在于，所述波前编码器为以下任意一种：数字微镜器件、液晶显示阵列器件、反射式微显示阵列器件和小孔阵列板。
3.根据权利要求1所述的面形检测装置，其特征在于，所述透镜为低像差的透镜组。
4.根据权利要求1-3任一项所述的面形检测装置，其特征在于，所述待测区一表面反射的光线依次通过所述透镜、所述分光器件后成像于所述透镜的焦平面上，所述阵列探测器位于所述透镜与所述焦平面之间的离焦面上。
5.一种面形检测方法，适用于权利要求1-4任一项所述的面形检测装置，包括：
将激光光源组件发出的光照射波前编码器，经所述波前编码器调制的出射光透过分光器件、透镜成像至待测区一表面，所述待测区一表面反射的光经过所述透镜、所述分光器件进入阵列探测器，所述待测区一表面位于所述波前编码器的共轭面处或其附近的一表面；
控制模块控制波前编码器以在所述待测区一表面上产生顺序移动的光斑；
所述阵列探测器记录并保存对应每个采样点(i，j)的光斑的图像，并将接收到的光线转换为电信号，i、j是第i行j列采样点序号；
所述控制模块对电信号进行相应的处理并获得待测物体表面的倾斜角度。
6.根据权利要求5所述的面形检测方法，其特征在于，所述控制模块对电信号进行相应的处理并获得待测物体表面的倾斜角度，包括：
所述控制模块将所述电信号与所述倾斜角度的标定系数进行比较，根据标定系数获得待测物体表面的倾斜角度。
7.根据权利要求6所述的面形检测方法，其特征在于，获得所述标定系数的方法包括：
在所述待测区一表面处放置标准平面镜，所述阵列探测器记录标准平面镜在第一角度时每个采样点(i，j)的光斑的图像；
将所述标准平面镜或所述面形检测装置倾斜特定角度β，所述阵列探测器记录标准平面镜在第二角度时每个采样点(i，j)的光斑的图像；
所述控制模块计算每个采样点(i，j)在第一角度和第二角度之间的光斑位置变化Δrij，获得倾斜角度系数β/Δrij。
8.根据权利要求7所述的面形检测方法，其特征在于，所述控制模块将所述电信号与所述倾斜角度的标定系数进行比较，根据标定系数获得待测物体表面的倾斜角度，包括：
将标准平面镜替换为待测物体，调整所述待测物体或所述面形检测装置的角度，所述阵列探测器记录所述待测物体在第三角度时每个采样点(i，j)的光斑的图像；
所述控制模块计算每个采样点(i，j)在第一角度和第三角度之间的光斑位置变化(ΔXij,ΔYij)，并依据标定系数进而计算得到待测物体表面的倾斜角度(ΔXijβ/Δrij，ΔYijβ/Δrij)。
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