CN110132174A - 基于条纹反射方法的Angel型龙虾眼X射线镜片面型测试装置 - Google Patents

基于条纹反射方法的Angel型龙虾眼X射线镜片面型测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于条纹反射方法的Angel型龙虾眼X射线镜片面型测试装置，包括：LCD屏幕、Angel型龙虾眼光学镜片、CCD探测相机以及信号处理***等部分，可应用于光学镜片面型检测等领域。首先，所述信号处理***基于正弦函数生成正弦条纹图像数据文件，再利用所述LCD屏幕显示出黑白相间的正弦条纹图像。其次，所述CCD相机收集经过所述龙虾眼镜片表面反射的这些黑白条纹图像，送至所述信号处理***处理，进而得到图像的表面斜率分布图。最后通过Zernike多项式的拟合算法积分运算得出镜片球面面型分布。本发明可快速实现对待测镜片进行检测，准确获取物体高清晰的面型精度信息和结果。

Description

基于条纹反射方法的Angel型龙虾眼X射线镜片面型测试装置
技术领域
本发明涉及基于条纹反射方法的Angel型龙虾眼X射线镜片面型测试装置，属于光学面型测试领域。
背景技术
Angel型龙虾眼X射线镜片是一种基于掠入射反射原理对X射线进行会聚的光学镜片，由数百万个同时指向球心的方形微通道(微米尺度)阵列构成，这种球面蜂窝结构的对称性保证了其在视场内的无差别成像，通道内壁光洁度达到纳米量级(RMS)。入射的X射线在方形微通道内壁上发生全反射，经过球面阵列结构改变X射线的传输方向，从而实现对入射X射线聚焦成像功能，目前已被广泛应用于X射线天文领域。
龙虾眼镜片的面型质量直接影响镜片的聚焦性能，为了进一步提高镜片的性能，需要对龙虾眼镜片球面面型的测量方法开展研究。目前国内对龙虾眼镜片的面型的测试起步比较晚，还没有一套简易的面型测试设备。针对龙虾眼镜片的面型测试技术主要有接触式轮廓检测技术及非接触式干涉测量技术。接触式轮廓仪的测量采样密度低，扫描周期长，存在划伤镜片表面膜层的风险；非接触式干涉仪有Zygo干涉仪，其测量速度快且精度高，但一般需配合光学补偿器件使用，其动态范围小，对测试环境要求高，易受温度气流、振动的影响。
发明内容
为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于条纹反射方法的Angel型龙虾眼X射线镜片面型测试装置，采用条纹反射方法测量Angel型龙虾眼镜片面型，提高测量面型精度，简化结构设计，降低测试成本。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
基于条纹反射方法的Angel型龙虾眼X射线镜片面型测试装置，包括LCD屏幕、Angel型龙虾眼光学镜片、CCD探测相机以及信号处理***，其中：
所述镜片面型测试装置包括LCD屏幕、Angel型龙虾眼光学镜片、CCD探测相机以及信号处理***；
所述LCD屏幕，用于向待检测镜片发射黑白相间的条纹图像；
所述Angel型龙虾眼光学镜片，用于反射待检测镜片的条纹图像；
所述CCD探测相机，用于接收待测镜片反射后的条纹图像；
所述信号处理***，与所述CCD探测相机数据连接，用于生成正弦黑白条纹图像和处理CCD探测相机收集后的数据，最后通过Zernike多项式拟合算法积分运算得出镜片球面面型分布。
进一步的实施例中，所述LCD屏幕在X方向和Y方向分别发出黑白相见的条纹图像，屏幕靶面像素大小为3480×2160个，单个像素大小为4μm～100μm。
进一步的实施例中，所述条纹图像的光线的波段为632.8nm。
进一步的实施例中，所述龙虾眼X射线镜片的外型为球面蜂窝结构，曲率半径为100mm～1000mm；厚度为0.2mm～10mm；其内部包括若干根相同的单通道，所述单通道的截面为正方形，所述每个单通道均匀分布，垂直于龙虾眼光学镜片表面方向且通道排布指向球心。
进一步的实施例中，所述龙虾眼X射线镜片包括100万～1000万根单通道，每个单通道截面尺寸为10μm～1000μm。
进一步的实施例中，所述CCD探测相机的探测器靶面像素大小为1024×1280个，单个像素大小为4μm～100μm。
进一步的实施例中，所述LCD屏幕与CCD探测相机放置于所述Angel型龙虾眼X射线镜片曲率半径中心临近位置，呈轴对称分布。
进一步的实施例中，所述图像信号处理***包括信号生成模块与面型拟合模块，通过信号生成模块生成黑白相间的正弦条纹，面型拟合模块用于计算龙虾眼镜片的面型。
本发明的基于条纹反射方法的Angel型龙虾眼X射线镜片面型测试装置，与现有技术相比，具有以下优势：
本装置抗干扰性强、动态范围大且设备结构简单，可很好地实现对龙虾眼镜片面型的快速测量
上述高分辨率的图像成像清晰，有助于图像分析，快速实现对待测物体面型的测量，便于实时指导镜片的球面热成型工艺。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1为本发明基于条纹反射方法的Angel型龙虾眼X射线镜片面型测试装置的示意图；
图2为本发明光线反射原理图；
图3为本发明Angel型龙虾眼镜片的结构示意图；
图4a和4b为本发明LCD屏幕发出的黑白相间的正弦条纹；
图5为本发明CCD相机收集的黑白相见的反射条纹图像；
图6为本发明信号处理***计算得到的斜率分布图；
图7为本发明信号处理***计算得到的面型分布图。
图中，各附图标记的含义如下：
LCD屏幕1、龙虾眼光学镜片2、CCD高分辨率相机3、图像信号处理***4，反射光线5，LCD发出的黑白相见条纹光线6，CCD相机收集的黑白相见条纹光线7。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
基于上述基本发明思路，如图1所示，本发明的具体实施例给出了一种基于条纹反射方法的Angel型龙虾眼X射线镜片面型测试装置，可以用于光学面型的检测领域。该装置主要包括：LCD屏幕1、龙虾眼光学镜片2、高分辨率CCD相机3以及信号处理***4。
具体的，上述LCD屏幕1、龙虾眼光学镜片2、高分辨率CCD相机3并按照光路顺序布置。
LCD屏幕1，用于向待检测龙虾眼光学镜片2发射黑白相间的正弦条纹6，如图4a、4b所示。
龙虾眼光学镜片2设置于发射光路中，用于反射LCD发出的黑白相间的条纹6，如图5所示。
LCD屏幕1和CCD高分辨相机2设置于龙虾眼光学镜片的光学曲率半径附近处，呈轴对称分布。
信号处理***4与LCD屏幕1和CCD相机3器电连接，用于发出LCD所生成的黑白相间图像6和获取待检测物体的面型测试结果。
上述装置的基本原理为：信号处理***4基于正弦函数生成正弦条纹图像数据文件，再利用LCD屏幕显示出黑白相间的正弦条纹图像6。其次，CCD相机收集经过龙虾眼镜片表面反射的这些黑白条纹图像7，送至信号处理***4，进而得到图像的表面斜率分布图，最后通过Zernike多项式的拟合法积分运算得出镜片球面蜂窝结构面型。
本发明针对Angel型龙虾眼X射线镜片面型检测复杂，采用普通的轮廓仪和干涉仪检测无法满足快速测试需求的问题，引入条纹反射方法用于Angel型龙虾眼X射线镜片面型进行测试，一方面条纹反射测量装置无需光学补偿元件及复杂的光路调节，仅需采集黑白相见的正弦条纹图像即可获得全口径面型，其抗干扰性强、动态范围大且设备结构简单，另一方面高分辨率CCD的图像成像清晰，有助于图像分析，便于实时指导镜片的球面热成型工艺。
结合图1、2所示，LCD屏幕1在X方向和Y方向分别发出黑白相见的条纹图像，屏幕靶面像素大小为3480×2160个，单个像素大小为4μm～100μm。
条纹图像的光线的波段为632.8nm。
结合图3，龙虾眼X射线镜片2的外型为球面蜂窝结构，曲率半径为100mm～1000mm；厚度为0.2mm～10mm；其内部包括若干根相同的单通道，单通道的截面为正方形，每个单通道均匀分布，垂直于龙虾眼光学镜片表面方向且通道排布指向球心。
龙虾眼X射线镜片包括100万～1000万根单通道，每个单通道截面尺寸为10μm～1000μm。
CCD探测相机3的探测器靶面像素大小为1024×1280个，单个像素大小为4μm～100μm。
LCD屏幕与CCD探测相机放置于Angel型龙虾眼X射线镜片曲率半径中心临近位置，呈轴对称分布。
进一步的，利用于Zernike多项式的拟合对面型进行重构，其面型可以表示为：
式中w(x,y)为重构面型函数，Zi(x,y)为Zernike多项式的第i项，ai为该项对应的系数。Zernike多项式线性各项系数与所测斜率值可以建立如下关系为
通过求解上述方程组，得到Zernike多项式各项系数，进而得到镜片的面型参数。
进一步的，在本某些优选的实施例中，核心组件龙虾眼光学镜片的外型为球面蜂窝状，厚度为1mm～100mm；如图3所示，其内部包括若干根相同的单通道，单通道的截面为正方形，单通道均匀分布且各个单通道的排布角度一致，形成阵列方式紧密排列，且单通道指向龙虾眼光学镜片的平板平面的垂直方向。
进一步的，在本某些优选的实施例中，龙虾眼光学镜片中包括500万～1000万根单通道，每个单通道的边长尺寸为10μm～1000μm。
龙虾眼光学镜片利用光学反射进行追踪。其成像原理如图2所示，如果待测镜片面型为球面理想情况，屏幕上一点p(xs,ys,zs)发出的光线照射到镜片表面M(xm,ym,zm)位置处发生反射，出射后的光线会与相机靶面交于I(xi,yi,zi)理想位置处，光线反射方程可以表示为，如图2所示。
当被测镜片面型存在一定误差，M(xm,ym,zm)点的法线n向量相对于理想面型的法线n0向量会偏转α角度，那么根据光线全反射原理，其出射反射光线的偏转角度为2α，这时屏幕p点出射的光线经镜面反射后与相机靶面相交位置C(xc,yc,zc)处，则可以得到反射黑白相间条纹。
对于屏幕上发光区域的任何一组反射光线5来说，在已知屏幕出射点p(xs,ys,zs)、对应镜片反射点M(xm,ym,zm)、相机收集位置坐标C(xc,yc,zc)和相机的理想位置坐标I(xi,yi,zi)，则镜片表面反射点M处的斜率zx、zy可以表示为，测试结果如图6所示。
进一步的，在某些优选的实施例中，上述的成像探测器3为CCD成像探测器。良好的图像分辨率对后续的信号处理***对图像的解析起到重要作用，因此选取CCD探测器靶面像素大小为1024×1280个，单个像素大小为4μm～100μm，这样能够实现对物体面型进行亚微米级别的评估和分析。
进一步的，由于当物体面型存在误差时，会导致反射光线偏离理想位置，因此会在成像探测器所收集的黑白相间图像上形成明显的缺陷条纹，对上述缺陷条纹进行计算，得到Angel型龙虾眼镜片的三维面型，如图7所示。
作为优选的，上述控制***中还设置有报警模块，在信号处理***中预设报警触发阈值，该报警触发阈值与面型缺陷程度相关。当分析出待测物体的面型误差有严重缺陷时会触发报警模块发出警报。
本发明提出基于条纹反射方法的Angel型龙虾眼X射线镜片面型测试装置，可快速实现对待测镜片的球面面型等情况进行快速检测，准确获取待测镜片面型的高清晰的缺陷信息和结果，结构简单，在检测领域有广阔的应用前景。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (10)

1.一种基于条纹反射方法的Angel型龙虾眼X射线镜片面型测试装置，其特征在于，所述镜片面型测试装置包括LCD屏幕、Angel型龙虾眼光学镜片、CCD探测相机以及信号处理***；
所述LCD屏幕，用于向待检测镜片发射黑白相间的条纹图像；
所述Angel型龙虾眼光学镜片，用于反射待检测镜片的条纹图像；
所述CCD探测相机，用于接收待测镜片反射后的条纹图像；
所述信号处理***，与所述CCD探测相机数据连接，用于生成正弦黑白条纹图像和处理CCD探测相机收集后的数据，最后通过Zernike多项式拟合算法积分运算得出镜片球面面型分布。
2.根据权利要求1所述的基于条纹反射方法的Angel型龙虾眼X射线镜片面型测试装置，其特征在于：所述LCD屏幕在X方向和Y方向分别发出黑白相见的条纹图像，屏幕靶面像素大小为3480×2160个，单个像素大小为4μm～100μm。
3.根据权利要求2所述的基于条纹反射方法的Angel型龙虾眼X射线镜片面型测试装置，其特征在于：所述条纹图像的光线的波段为632.8nm。
4.根据权利要求1所述的基于条纹反射方法的Angel型龙虾眼X射线镜片面型测试装置，其特征在于：所述龙虾眼X射线镜片的外型为球面蜂窝结构，曲率半径为100mm～1000mm；厚度为0.2mm～10mm；其内部包括若干根相同的单通道，所述单通道的截面为正方形，所述每个单通道均匀分布，垂直于龙虾眼光学镜片表面方向且通道排布指向球心。
5.根据权利要求4所述的基于条纹反射方法的Angel型龙虾眼X射线镜片面型测试装置，其特征在于：所述龙虾眼X射线镜片包括100万～1000万根单通道，每个单通道截面尺寸为10μm～1000μm。
6.根据权利要求1所述的基于条纹反射方法的Angel型龙虾眼X射线镜片面型测试装置，其特征在于：所述CCD探测相机的探测器靶面像素大小为1024×1280个，单个像素大小为4μm～100μm。
7.根据权利要求1至6中任意一条所述的基于条纹反射方法的Angel型龙虾眼X射线镜片面型测试装置，其特征在于：所述LCD屏幕与CCD探测相机放置于所述Angel型龙虾眼X射线镜片曲率半径中心临近位置，呈轴对称分布。
8.根据权利要求1所述的基于条纹反射方法的Angel型龙虾眼X射线镜片面型测试装置，其特征在于：所型号处理***通过Zernike多项式的拟合对面型进行重构，其面型可以表示为：
式中，w(x,y)为重构面型函数，Zi(x,y)为Zernike多项式的第i项，ai为该项对应的系数。
9.根据权利要求8所述的基于条纹反射方法的Angel型龙虾眼X射线镜片面型测试装置，其特征在于：所述Zernike多项式的线性各项系数与所测斜率值之间建立有如下关系为：
式中，zx,zy为所测点的斜率值；
其中，对于屏幕上发光区域的任何一组光线，在已知屏幕出射点p(xs,ys,zs)、对应镜片反射点M(xm,ym,zm)、相机收集位置坐标C(xc,yc,zc)和相机的理想位置坐标I(xi,yi,zi)，镜片表面反射点M处的X和Y方向上的斜率zx、zy通过下述方式计算得到：
10.根据权利要求8或9所述的基于条纹反射方法的Angel型龙虾眼X射线镜片面型测试装置，其特征在于：在计算镜面面型三维分布时结合预设的初始面型估计，通过Zernike多项式的拟合法反复迭代，最终求得待测镜片的三维面型。
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