CN107063122B - 光学非球面面形的检测方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学非球面面形的检测方法，该方法包括：将逆向补偿条纹从投影方向照射到被测非球面上后，经被测非球面反射成像由成像***获得携带被测非球面面形信息的调制条纹，根据所述调制条纹获得非球面的面形偏差，根据所述面形偏差确定被测非球面的加工情况；还公开了一种旋转对称光学非球面面形的检测装置。

Description

光学非球面面形的检测方法及其装置
技术领域
本发明属于光学元件面形的检测技术领域，具体涉及一种光学非球面面形的检测方法及其装置。
背景技术
光学非球面具有许多优良的光学性能，因此越来越多的应用到各类光学和光电***中；但是，由于非球面上各点的曲率半径不同，不能用传统的球面测量方法完成非球面测量。不仅如此，随着光学/光电***性能的不断提升，对光学非球面的要求也越来越高；不仅要求非球面有很好的面形精度，而且对非球面度的要求也逐渐增大；因此，非球面测量一直是光学技术领域的热点研究问题，而且一直没有得到很好的解决。
目前，光学非球面的主要测量方法有轮廓法、几何光线法和干涉法。
轮廓法是利用探针对整个被测面进行接触式扫描，只能测量直径方向上的二维面形结果，并且非常费时，受探针尺寸、运动机构影响特别大，测量精度不高，容易损伤被测件表面。
几何光线检测法主要有哈特曼法、光栅法和刀口法，其设备简单，但是测量精度不高或者不能定量测量。
干涉法的测量精度高，但光学***和机械结构复杂，对环境的要求严格。常用干涉法测量的就是补偿干涉方法(透镜补偿或计算全息补偿，也叫零位检验方法)，可实现非球面定量化检测，检测精度较高。但是，这种方法的需要补偿器件(补偿透镜或计算全息补偿元件)，制造非常复杂，而且一个补偿器只适用于某一类非球面的检测，通用性差。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种光学非球面面形的检测方法及其装置。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供一种光学非球面面形的检测方法，其特征在于，该方法包括：将逆向补偿条纹从投影方向照射到被测非球面上后，经被测非球面反射成像由成像***获得携带被测非球面面形信息的调制条纹，根据所述调制条纹获得非球面的面形偏差，根据所述面形偏差确定被测非球面的加工情况。
上述方案中，所述逆向补偿条纹的生成过程为：将一个或多个相移的直条纹投影到理想非球面反射后成像，获得由理想非球面调制的变形条纹；将所述变形条纹以投影的直条纹为对称轴翻转生成逆向补偿条纹。
上述方案中，该方法还包括：当所述被测非球面的位置与逆向补偿条纹投影的位置不对应时，对所述调制条纹进行校准，具体为：根据傅里叶变换或者相移技术对获取的条纹进行相位提取处理，获得相位数据；之后，旋转被测非球面一个角度，同样对获取的调制条纹进行相位提取处理，获得相位数据；最后，旋转被测非球面一周，对获取的一系列调制条纹进行相位提取处理，获得一系列相位数据；在所述一系列相位数据中相位变化最小的调制条纹对应的位置为被测非球面校准最好的位置。
上述方案中，所述根据所述调制条纹获得非球面的面形偏差，具体为：对所述调制条纹进行相位提取获得所述调制条纹的相位值根据相位值与波前W的对应关系式，获得面形偏差W，即W＝K
上述方案中，所述根据所述面形偏差确定被测非球面的加工情况，具体为：根据被测非球面相对于理想非球面的面形偏差，通过面形偏差与理想非球面的合成，最后获得被测非球面的实际测量面形。
本发明实施例还提供一种旋转对称光学非球面面形的检测装置，该装置包括逆向补偿条纹生成装置、分束装置、标准镜头、被测非球面、成像***，所述逆向补偿条纹生成装置、分束装置、标准镜头、被测非球面依次在光轴上从左到右设置，所述被测非球面、成像***位于分束装置的上下任意一侧并且其成像光轴垂直于光轴。
上述方案中，所述成像***包括沿光轴依次设置的成像透镜和CCD相机。
本发明实施例还提供一种非旋转对称光学非球面面形的检测装置，该装置包括逆向补偿条纹生成装置、分束装置、标准镜头、被测非球面、平面反射镜、成像***，所述逆向补偿条纹生成装置发出的光束经标准镜头投影到被测非球面，所述被测球面发出的反射光束经标准镜头、平面反射镜反射到成像***。
上述方案中，所述成像***包括沿光轴依次设置的成像透镜和CCD相机。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.本发明不同于干涉法，不需要标准参考镜，对环境要求低；也不同于传统的投影法，其成像***的光轴是在入射光线的反射方向。本发明的优点是结构简单，测量精度高，测量动态范围大，通用性强。
2.本发明无需昂贵的干涉相移器就能获得相移条纹，只需要对反射条纹进行成像，通过简单的计算就可以获得所测非球面的面形。由于是对反射条纹进行成像，不同于传统的条纹投影测量方法，因此测量精度高。
3.本发明采用的照明条纹是根据被测非球面的参数用计算机生成的，只要知道非球面参数，就可以生成任意的照明条纹，因此通用性强。
4.本发明采用的照明条纹是根据被测非球面的参数用计算机生成的，可以根据非球面度生成逆向补偿照明条纹，因此测量范围大。
附图说明
图1为本发明实施例1提供一种非旋转对称光学非球面面形的检测装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供一种非旋转对称光学非球面面形的检测装置中逆向补偿条纹生成装置的第一种结构示意图；
图3为本发明实施例1提供一种非旋转对称光学非球面面形的检测装置中逆向补偿条纹生成装置的第二种结构示意图；
图4为本发明实施例1提供一种非旋转对称光学非球面面形的检测装置中逆向补偿条纹生成装置的第三种结构示意图
图5为本发明实施例2提供一种非旋转对称光学非球面面形的检测装置的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供一种光学非球面面形的检测方法，该方法包括：将逆向补偿条纹从投影方向照射到被测非球面上后，经被测非球面反射成像由成像***获得携带被测非球面面形信息的调制条纹，根据所述调制条纹获得非球面的面形偏差，根据所述面形偏差确定被测非球面的加工情况。
所述逆向补偿条纹的生成过程为：将一个或多个相移的直条纹投影到理想非球面反射后成像，获得由理想非球面调制的变形条纹；将所述变形条纹以投影的直条纹为对称轴翻转生成逆向补偿条纹。
该方法还包括：当所述被测非球面的位置与逆向补偿条纹投影的位置不对应时，对所述调制条纹进行校准，具体为：根据傅里叶变换或者相移技术对获取的条纹进行相位提取处理，获得相位数据；之后，旋转被测非球面一个角度，同样对获取的调制条纹进行相位提取处理，获得相位数据；最后，旋转被测非球面一周，对获取的一系列调制条纹进行相位提取处理，获得一系列相位数据；在所述一系列相位数据中相位变化最小的调制条纹对应的位置为被测非球面校准最好的位置。
所述根据所述调制条纹获得非球面的面形偏差，具体为：对所述调制条纹进行相位提取获得所述调制条纹的相位值根据相位值与波前W的对应关系式，获得面形偏差W，即
所述根据所述面形偏差确定被测非球面的加工情况，具体为：根据被测非球面相对于理想非球面的面形偏差，通过面形偏差与理想非球面的合成，最后获得被测非球面的实际测量面形。
如果被测非球面度过大，则设计的逆向投影条纹将会过密或者条纹弯曲超过一个条纹间距，这时要适当考虑条纹的处理能力问题，比如在设计的理想非球面上减去一个轻度非球面；成像***获得的调制条纹是相对于理想非球面(或者标准非球面加上补偿的轻度非球面)的调制变形条纹，最后根据调制变形条纹确定被测非球面的面形。
本发明实施例1提供一种光学非球面面形的检测装置，如图1所示，该装置包括逆向补偿条纹生成装置、分束装置、标准镜头、被测非球面、成像***，所述逆向补偿条纹生成装置、分束装置、标准镜头、被测非球面依次在光轴上从左到右设置，所述被测非球面、成像***位于分束装置的上下任意一侧并且其成像光轴垂直于光轴。
所述成像***包括沿光轴依次设置的成像透镜和CCD相机。
所述逆向补偿条纹生成装置可采用三种结构：液晶空间光调制法、DMD反射式空间光调制法、显示器反射法。
液晶空间光调制法：激光通过扩束准直照射到液晶空间光调制器，该调制器由计算机控制，透射得到逆向补偿条纹，如图2所示。
DMD反射式空间光调制法：激光通过扩束准直照射在DMD空间光调制器上，计算机控制DMD空间光调制器，反射得到逆向补偿条纹的方法，如图3所示。
显示器反射法：由计算机生成逆向补偿条纹，在显示器上显示，经反射镜反射，经准直镜准直得到测量需要的逆向补偿条纹，如图4所示。
本发明实施例2提供一种光学非球面面形的检测装置，如图5所示，该装置包括逆向补偿条纹生成装置、分束装置、标准镜头、被测非球面、平面反射镜、成像***，所述逆向补偿条纹生成装置发出的光束经标准镜头投影到被测非球面，所述被测球面发出的反射光束经标准镜头、平面反射镜反射到成像***。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种光学非球面面形的检测方法，其特征在于，该方法包括：将逆向补偿条纹从投影方向照射到被测非球面上后，经被测非球面反射成像由成像***获得携带被测非球面面形信息的调制条纹，根据所述调制条纹获得非球面的面形偏差，根据所述面形偏差确定被测非球面的加工情况；
所述逆向补偿条纹的生成过程为：将一个或多个相移的直条纹投影到理想非球面反射后成像，获得由理想非球面调制的变形条纹；将所述变形条纹以投影的直条纹为对称轴翻转生成逆向补偿条纹；
该方法还包括：当所述被测非球面的位置与逆向补偿条纹投影的位置不对应时，对所述调制条纹进行校准，具体为：根据傅里叶变换或者相移技术对获取的条纹进行相位提取处理，获得相位数据；之后，旋转被测非球面一个角度，同样对获取的调制条纹进行相位提取处理，获得相位数据；最后，旋转被测非球面一周，对获取的一系列调制条纹进行相位提取处理，获得一系列相位数据；在所述一系列相位数据中相位变化最小的调制条纹对应的位置为被测非球面校准最好的位置；
根据所述调制条纹获得非球面的面形偏差，具体为：对所述调制条纹进行相位提取获得所述调制条纹的相位值根据相位值与波前的对应关系式，获得面形偏差W，即
根据所述面形偏差确定被测非球面的加工情况，具体为：根据被测非球面的面形偏差，通过面形偏差与理想非球面的合成，最后获得被测非球面的实际测量面形。
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