CN108507492A - 一种平曲面透射元件表面的高精度大动态范围测量方法及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种平曲面透射元件表面的高精度大动态范围测量方法及测量系统，涉及测量技术领域。干涉仪测待元件平表得到面形数据；三坐标测量设备标定得到偏折光路系统结构位置参数；光线追迹建立理想光路系统得到理论坐标位置值；显示投影屏显示多步移相正弦灰度直条纹，计算机解出CCD相机拍摄的条纹对应的实际坐标位置值；由理论坐标位置值和实际坐标位置值得到对应坐标误差，计算得到待测曲面面形误差斜率分布，积分后得到待测元件曲表面面形误差。本发明解决了现有技术中高精度平曲面透射元件表面测量的测量动态范围小，设备昂贵的技术问题。本发明有益效果为：提供非接触高精度大动态范围的测量方法，实现检测设备的通用化。操作简单效率高。

Description

一种平曲面透射元件表面的高精度大动态范围测量方法及测 量系统

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其是涉及一种基于光学偏折术对透射元件表面的测量系统及测量方法。

背景技术

平曲面透射元件，即元件有一个平面其余面是曲面的透射元件。平曲面透射元件是一种重要的光学元件，在光学元件和工业产品中是不可或缺的，被广泛应用于光学系统与工业系统中，在成像光学、照明光学、透明玻璃中均也有广泛应用。随着技术的进步，对于平曲面透射元件的质量要求也不断提高。这也要求测量手段不断提高。目前，对于平曲面透射元件表面测量的常用方法主要分为干涉测量法和几何光线检测法。干涉测量法为平曲面透射元件表面测量提供了一种非接触式的高精度测量方法。中国专利申请公布号CN106643548A，申请公布日2017年5月10日，名称为“非球面光学元件面形检测装置”的发明专利申请文件，公开了一种运用干涉法测量非球面面形的装置，用于对非球面光学元件的面形信息进行检测。包括干涉仪和沿垂直方向从下至上依序设置的反射镜、移相器、标准镜、补偿镜和非球面光学元件；干涉仪用于出射水平方向的测量光束；反射镜用于将水平方向的测量光束转变成垂直向上的测量光束；移相器用于调整所述垂直向上的测量光束的相位；标准镜用于提供参考面以对所述垂直向上的测量光束进行反射；补偿镜用于补偿非球面光学元件的面形；非球面光学元件反射的测量光束与标准镜的参考面反射的测量光束在干涉仪中形成干涉条纹。该结构实现了非球面光学元件面形的高精度测量。但干涉法测量动态范围小，且对系统的设计、制造和校准都具有高要求。利用干涉法测量平曲透射元件表面时，测量过程较为复杂，无法完成大动态范围的测量。中国专利申请公布号CN107560564A，申请公布日2018年1月9日，名称为“一种自由曲面检测方法及系统”的发明专利申请文件，公开了一种运用逆向哈特曼检测方法的测量自由曲面的方法及系统，用于对反射式自由曲面面形信息进行检测。该结构是几何光线检测法的一种，实现了反射式自由曲面面形的高精度测量，但是对透射面形检测比较困难。

发明内容

为了解决现有技术中非接触式的高精度平曲面透射元件表面测量的测量过程复杂，测量动态范围小，以及测量设备昂贵的技术问题，本发明提供一种实现平曲面透射元件表面高精度大动态范围测量方法及测量系统，针对平曲透射元件的单个曲面实现高精度测量。

本发明的技术方案是：一种平曲面透射元件表面的高精度大动态范围测量方法：包括：显示投影屏、待测元件、CCD相机组成的光学偏折光路系统和计算机。待测元件具有一个平面。方法包括以下步骤：步骤1，用干涉仪对待测元件的平面进行面形测量，得到面形数据W_flat；步骤2，用三坐标测量设备对光学偏折光路系统中各个器件的结构位置参数标定；步骤3，用面形数据W_flat和结构位置参数在计算机的光线追迹软件中建立具有对应相同结构位置参数的理想光路系统，得到显示投影屏上理论坐标位置值(x_ideal,y_ideal)；步骤4，显示投影屏分别显示x、y方向的多步移相正弦灰度直条纹，条纹发出的光线经过待测元件透射被CCD相机拍摄，计算机解出CCD相机拍摄的条纹所对应的相位分布，计算得到正弦灰度直条纹投影在显示投影屏上的实际坐标位置值(x_meas,y_meas)；步骤5，将理论坐标位置值(x_ideal,y_ideal)和实际坐标位置值(x_meas,y_meas)代入计算得到待测元件曲面面形误差的局部斜率，积分后得到待测元件曲表面面形误差。

作为优选，步骤1中测量得到的面形数据W_flat为理想光路系统中的待测元件的平面面形数据。

作为优选，步骤4中x、y方向的多步移相正弦灰度直条纹预存在计算机中，计算机控制显示投影屏依次显示x、y方向的多步移相正弦灰度直条纹。

作为优选，步骤5中将待测元件曲面上各点的几何关系转换成各点切面的斜率，对切面的斜率进行积分得到面形参数。

一种平曲面透射元件表面的高精度大动态范围测量测量方法的测量系统：显示投影屏与CCD相机面对面设置，待测元件位于显示投影屏和CCD相机之间，待测元件的平面与显示投影屏贴紧，CCD相机镜头中轴线与显示投影屏垂直，CCD相机获得完整清晰的待测元件成像，显示投影屏、CCD相机分别与计算机电连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：利用光学偏折原理，实现了检测设备的通用化。设备数量少，降低了系统搭建和使用的难度，操作简单、效率高。无需其他补偿光学元件与标准光学元件，测量系统校准简化，在满足高精度与大动态范围的条件下，降低了检测成本。为平曲面透射元件表面的测量提供了非接触，高精度，大动态范围的测量方法。

附图说明

附图1为本发明光学偏折光路系统示意图；

附图2为图1中经过D点光线的偏折角度与D点所在切面倾斜角关系图；

附图3为本发明实施例中用干涉仪测得的待测元件平面面形结果图；

附图4为本发明实施例测得待测元件曲面误差结果图。

图中：1-显示投影屏.；2-待测元件；3-CCD相机；4-计算机。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例1：

如图1所示，一种平曲面透射元件表面的高精度大动态范围测量方法的测量系统：它包括显示投影屏1、待测元件2、CCD相机3和计算机4。待测元件2具有一个平面，其余的为曲面。CCD相机3设有滤光片，滤光片设有滤光小孔。滤光片与CCD相机3的镜头端面贴紧。显示投影屏1与CCD相机3面对面设置。待测元件2位于显示投影屏1和CCD相机3之间。为了避免显示投影屏1发出的光线进入待测元件2会出现偏折，待测元件2的平面与显示投影屏1贴紧，曲面朝向CCD相机3。CCD相机3镜头中轴线与显示投影屏1垂直。CCD相机3距离显示投影屏1的距离，以CCD相机3能获得完整清晰的待测元件2成像而定。显示投影屏1、待测元件2、CCD相机3构成光学偏折光路系统(图1中用箭头细实线表示光路)。显示投影屏1、CCD相机3分别与计算机4电连接(图1中用细实线表示)。

一种平曲面透射元件表面的高精度大动态范围测量方法，包括以下步骤：步骤1：用干涉仪对待测元件2的平面进行面形测量，得到面形数据W_flat。由于干涉仪测量误差可以忽略，设定干涉仪测量到的面形数据W_flat为理想光路系统中的待测元件2的平面面形数据。

步骤2：用三坐标测量设备对光学偏折光路系统中各个器件的结构位置参数标定。包括待测元件2、显示投影屏1、CCD相机3的结构位置参数标定。结构位置参数用F＝{x_i,y_i,z_i；T_i,x,T_i,y,T_i,z,d_m2screen}_i＝1,2,3表示。其中：(x_i,y_i,z_i)为第i个元件的空间坐标值位置，(T_i,x,T_i,y,T_i,z)表示第i个元件关于各个坐标轴的倾角，d_m2screen为待测曲面上的点与其对应在显示投影屏1上发光像素点之间的距离。

步骤3：计算机4设有光线追迹软件。用步骤1得到的面形数据W_flat和步骤2得到的结构位置参数，在计算机4的光线追迹软件中建立与实际光学偏折光路系统对应结构位置参数的理想光路系统。计算机4进行光线追迹，得到与实际待测元件2相位在示显示投影屏1上的投影坐标值对应的理论坐标位置值，为(x_ideal,y_ideal)。

步骤4：计算机4中预存在有x、y方向的多步移相正弦灰度直条纹。计算机4控制显示投影屏1依次显示x、y方向的多步移相正弦灰度直条纹。显示投影屏1分别显示x、y方向的多步移相正弦灰度直条纹。显示投影屏1中x、y方向的条纹依次发出的光线透过待测元件2的平面和曲面，由CCD相机3采集对应的像。CCD相机3采集的像为透过待测元件2后变形的条纹。计算机4采用多步移相解包裹算法求解出该变形的条纹所对应的相位分布Φ_x和Φ_y，并计算得到正弦灰度直条纹投影在显示投影屏1上的实际坐标位置值(x_meas,y_meas)。

步骤5：如图2所示，显示投影屏1发光像素点发出的光经过待测元件2的曲面后发生偏折，而后被CCD相机3接收。根据光学偏折原理，在光学偏折光路系统中，待测元件2曲面上各点的几何关系为(其中：n为待测元件2的折射率；A为待测元件2曲面上某点入射光线与水平线的夹角，B为该点的出射光线与水平线的夹角；θ为该点切面的倾斜角)，即可求得待测元件2曲面该点切面的斜率为将光学偏折光路系统的几何关系转换成待测元件2曲面上各点切面斜率，并将该光学偏折光路系统中各点坐标值代入，可得：

其中：(x_m,y_m)为待测元件2曲面上点的坐标值；(x_screen,y_screen)为显示投影屏1上发光像素点的坐标值；(x_camera,y_camera)为CCD相机3滤光片上滤光小孔中心坐标值；d_m2screen为待测曲面上的点与其对应显示投影屏1上发光像素点之间的距离；d_m2camera为待测元件2曲面上的点与CCD相机3滤光片上滤光小孔中心的距离。待测元件2曲面的面形误差Δw是待测元件2曲面实际面形w_actual与理想光路系统中的理想元件面形w_ideal之间的偏差。面形误差Δw对应的局部斜率为：

式中：n为待测元件2的折射率，cosθ_z为经过待测元件2折射后的光线与CCD相机3镜头中轴线夹角的余弦值。利用积分法，得到待测元件2曲面面形误差。。

再以一个具体的测量实例作进一步说明：

显示投影屏1的像素分辨率为1920×1080、投影屏的对角线长度为58.4cm，屏幕宽高比为16:9。为了方便叙述，待测元件2选用底面为平面，曲面为凹陷球面的平曲面透射元件。凹陷球面口径为25.4mm，曲率半径为100mm，折射率为1.51，曲面中心到平面的距离为3mm。待测元件2放置在显示投影屏1与CCD相机3之间，底面紧贴着显示投影屏1。CCD相机3前装有滤光小孔，CCD相机3能获得待测元件2的完整清晰成像。显示投影屏1、待测元件2和CCD相机3构成光学偏折光路系统。

测量步骤如下：

步骤1：利用干涉仪，预先对待测元件2的底表面进行面形测量，得到其面形数据W_flat，图3为所测得的面形数据。

步骤2：用测量精度为1.9μm的三坐标测量设备对该光学偏折光路系统中各个器件进行位置参数F标定。

步骤3：利用三坐标设备标定所得的光学偏折光路系统的结构位置参数和利用干涉仪所测得的平面面形数据W_flat在计算机4的光线追迹软件中建立具有对应相同结构位置参数的理想光路系统。得到与实际相位在显示投影屏1上的投影坐标值对应的理论坐标位置值为(x_ideal,y_ideal)。

步骤4：计算机4控制实现x、y方向的多步移相正弦灰度直条纹在显示投影屏1显示，对应的灰度直条纹宽度为8.18mm。CCD相机3实时采集多步移相正弦灰度直条纹经过待测元件2透射后的像。并采用多步移相解包裹算法求解出CCD相机3拍摄的透过待测元件2后变形的条纹所对应的相位分布Φ_x和Φ_y，并计算得到正弦灰度直条纹投影在显示投影屏1上的坐标值(x_meas,ymeas)。x_meas＝Φ_x/2π×8.18,y_meas＝Φ_y/2π×8.18。

步骤5：根据光学偏折原理，计算待测元件2透射曲面面形误差对应的局部斜率为：对局部斜率偏差(Δw_x,Δw_y)进行积分得到待测元件2曲面面形误差，如图4所示。

Claims (5)

1.一种平曲面透射元件表面的高精度大动态范围测量方法：包括：显示投影屏、待测元件、CCD相机组成的光学偏折光路系统和计算机，所述待测元件具有一个平面，其特征在于：方法包括以下步骤：步骤1，用干涉仪对待测元件的平面进行面形测量，得到面形数据W_flat；步骤2，用三坐标测量设备对光学偏折光路系统中各个器件的结构位置参数标定；步骤3，用面形数据W_flat和结构位置参数在计算机的光线追迹软件中建立具有对应相同结构位置参数的理想光路系统，得到显示投影屏上理论坐标位置值(x_ideal,y_ideal)；步骤4，显示投影屏分别显示x、y方向的多步移相正弦灰度直条纹，条纹发出的光线经过待测元件透射被CCD相机拍摄，计算机解出CCD相机拍摄的条纹所对应的相位分布，计算得到正弦灰度直条纹投影在显示投影屏上的实际坐标位置值(x_meas,y_meas)；步骤5，将理论坐标位置值(x_ideal,y_ideal)和实际坐标位置值(x_meas,y_meas)代入计算得到待测元件曲面面形误差的局部斜率，积分后得到待测元件曲表面面形误差。

2.根据权利要求1所述的一种平曲面透射元件表面的高精度大动态范围测量方法，其特征在于：步骤1中测量得到的面形数据W_flat为理想光路系统中的待测元件的平面面形数据。

3.根据权利要求1所述的一种平曲面透射元件表面的高精度大动态范围测量方法，其特征在于：步骤4中x、y方向的多步移相正弦灰度直条纹预存在计算机中，计算机控制显示投影屏依次显示x、y方向的多步移相正弦灰度直条纹。

4.根据权利要求1所述的一种平曲面透射元件表面的高精度大动态范围测量方法，其特征在于：步骤5中将待测元件曲面上各点的几何关系转换成各点切面的斜率，对切面的斜率进行积分得到面形参数。

5.根据权利要求1所述的一种平曲面透射元件表面的高精度大动态范围测量方法的测量系统，其特征在于：所述显示投影屏与CCD相机面对面设置，所述待测元件位于显示投影屏和CCD相机之间，待测元件的平面与显示投影屏贴紧，所述CCD相机镜头中轴线与显示投影屏垂直，CCD相机获得完整清晰的待测元件成像，所述显示投影屏、CCD相机分别与计算机电连接。