專利名稱：多姿態(tài)大口徑平面光學元件面形檢測裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明屬于機器視覺技術檢測領域，主要涉及一種多姿態(tài)大口徑平面光學元件面形檢測裝置和方法，其設計利用角差原理進行不同姿態(tài)下的元件表面面形檢測的裝置和方法。
背景技術：
面形技術主要有角差法、LTP、瞬態(tài)干涉儀和哈特曼檢測等方法。角差法的原理是面形的變化可通過其各點法線方向角度的變化量而反映出，采用高精度測試角度變化量的方法可重構(gòu)元件的面形，西南科技大學已研制出大口徑光學元件面形檢測裝置，檢測精度達1/3個波長。LTP是采用細光束干涉計量原理，若被檢測面相對垂直于光軸的平面傾斜一定角度，則在LTP的焦平面探測器上的干涉條紋就有移動，通過精確測量其移動距離，就可以得到傾斜度誤差的變化曲線，對該曲線積分就可獲得高度誤差曲線，其測試精度能達到1/20個波長。瞬態(tài)干涉儀是將空間位相調(diào)制的共路剪切干涉儀技術與數(shù)字化波面技術相結(jié)合的干涉系統(tǒng)，可采用近紅外作為測試光源，測量精度能達到波前均方根優(yōu)于1/15波長。哈特曼檢測法是通過一個有若干小孔光闌的波面進行采樣的檢測方法，受外界影響小，對檢測環(huán)境要求比干涉儀的檢測環(huán)境要求低；但實驗中需要的大口徑哈特曼擴束系統(tǒng)的光學系統(tǒng)設計、結(jié)構(gòu)設計要求高，且成本也高。采用干涉法對檢測環(huán)境要求高，在ICF實驗室中的在線檢測條件很難滿足瞬態(tài)干涉儀或LTP的要求，而且不能對處于不同傾斜狀態(tài)的光學元件進行面形檢測。中國發(fā)明專利ZL200910058280.0，該方案利用被測光學元件為參考物，并利用五棱鏡的一維不變性，克服了傳統(tǒng)角差法不能有效扣除運動平臺因機械運動或振動等帶來的測量誤差問題。同時由于采用了在垂直方向(列)測試中的兩束參考光，可有效扣除振動帶來的影響，同時還以被測光學元件作為絕對參考，從而還能扣除因地基振動、大氣振動等帶來的誤差；由于采用龍門結(jié)構(gòu)，對于超大光學元件的檢測，其體形龐大，在不同姿態(tài)下的調(diào)試時間較長，檢測精度僅有1/3波長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術的不足提供一種多姿態(tài)大口徑平面光學元件面形檢測裝置和方法。本發(fā)明的技術方案如下:一種多姿態(tài)大口徑平面光學元件面形檢測裝置，包括光學系統(tǒng)(I)、三維精密運動平臺(2)和面形檢測控制與處理系統(tǒng)(3);三維精密運動平臺(2)包括垂直運動導軌(4)、水平運動導軌(5)和旋轉(zhuǎn)運動平臺(6);三維精密運動平臺(2)用于實現(xiàn)對不同姿態(tài)下光學元件的面形測量過程中的二維掃描運動；面形檢測控制與處理系統(tǒng)(3)實現(xiàn)對三維精密運動平臺(2)的運動控制、光學系統(tǒng)(I)的姿態(tài)調(diào)整、光斑信息采集、面形重構(gòu)、面形繪制功能；光學系統(tǒng)(I)包括光學 頭(8)、楔鏡組(9)和固定在光學頭(8)末端的潛望鏡(10);光學頭(8)產(chǎn)生一束高質(zhì)量的平行光束并獲取從被測元件反射回的光束的像，從光學頭(8)出來的一束平行光通過楔鏡組(9 )后，分為2 X 2束平行光束，經(jīng)過潛望鏡(10 )后入射到光學元件表面，反射后進入CXD相機(16)成像形成2X2個光斑；通過高精密運動平臺做二維掃描控制，利用檢測圖像中激光光斑在水平方向和垂直方向上的位移，重構(gòu)出被測元件表面的面形分布。所述的面形檢測裝置，所述光學頭(8)包括激光器(11)、自準直器(12)、分光鏡(13)、擴束筒(14)、透鏡(15)和C⑶相機(16)，由激光器(11)產(chǎn)生的點光源通過自準直器(12)產(chǎn)生一束平行光，經(jīng)過分光鏡(13)和擴束筒(14)后，形成擴束后的平行光入射到被測元件表面，反射后的平行光經(jīng)過擴束筒(14)和分光鏡(13)后，再經(jīng)過透鏡(15)和CXD相機(16)形成反射后光束的像。所述的面形檢測裝置，所述楔鏡組(9)包括2片楔形鏡片，2片楔形鏡片呈L型放置。所述的面形檢測裝置，所述潛望鏡(10)包括第一反射鏡(17)、第二反射鏡(18)和二維快速偏轉(zhuǎn)平臺(19)，二維快速偏轉(zhuǎn)平臺(19)實現(xiàn)第二反射鏡(18)的二維快速傾斜功倉泛。所述的面形檢測裝置進行面形檢測的方法，包括以下流程:(I)將所述的面形檢測裝置和被測平面光學元件相對而置，調(diào)節(jié)微動機械調(diào)整機構(gòu)，使被測平面光學元件被測表面與面形檢測裝置的垂直運動導軌(4)和水平導軌(5)組成的平面平行；對于與垂直運動導軌(4)和水平導軌(5)組成的平面成夾角的被測平面光學元件，通過動力機構(gòu)及其控制系統(tǒng)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)光學頭(8)，使被測平面光學元件與面形檢測裝置平行；(2)開啟激光器(1 1)的電源，光學頭(8)產(chǎn)生的平行光，經(jīng)過楔鏡組(9)、潛望鏡
(10)到被測平面光學元件，再返回到光學頭(8)，經(jīng)分光鏡(13)進入C⑶相機(16)匯聚成2x2個激光光斑；(3)設定被測平面光學元件的尺寸、垂直運動導軌(4)和水平運動導軌(5)的運動步長、運動的起始坐標原點、光學頭姿態(tài)自動校正精度；(4)激光器(11)預熱30分鐘后，動力機構(gòu)驅(qū)動光學頭(8)對被測平面光學元件采用從左到右，從上到下方式進行二維掃描；針對每個測量點，通過二維快速偏轉(zhuǎn)平臺(19)，系統(tǒng)判斷反射回的左上角光斑與上一個測量點是否處于同一位置，若為同一位置，則光學系統(tǒng)姿態(tài)調(diào)整結(jié)束；(5)面形檢測控制與處理系統(tǒng)(3)采集通過被測元件反射回C⑶相機(16)形成的光斑，對圖像進行處理獲取光斑的質(zhì)心位置，通過常規(guī)面形重構(gòu)算法重構(gòu)出被測平面光學元件的面形分布。本發(fā)明提升了系統(tǒng)的測量精度，采用高精度測角儀、貓步法測量方法和光學系統(tǒng)姿態(tài)自動校正等技術，檢測精度能達1/6波長。


圖1為系統(tǒng)組成示意圖；圖2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖3為光學系統(tǒng)組成示意圖；圖4為光學頭原理不意圖；圖5為光學頭姿態(tài)自動調(diào)整(潛望鏡)原理圖；圖6為貓步法測量原理；
具體實施例方式以下結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明進行詳細說明。如圖1本發(fā)明的多姿態(tài)大口徑平面光學元件面形檢測裝置，包括光學系統(tǒng)1、三維精密運動平臺2和面形檢測控制與處理系統(tǒng)3。如圖2所示三維精密運動平臺2包括垂直運動導軌4、水平運動導軌5和旋轉(zhuǎn)運動平臺6。三維精密運動平臺2主要實現(xiàn)對不同姿態(tài)下光學元件的面形測量過程中的二維掃描運動。面形檢測控制與處理系統(tǒng)3實現(xiàn)對三維精密運動平臺2的運動控制、光學系統(tǒng)I的姿態(tài)調(diào)整、光斑信息采集、面形重構(gòu)、面形繪制功倉泛。如圖3所不,光學系統(tǒng)I包括光學頭8、楔鏡組9和固定在光學頭8末端的潛望鏡10 ;從光學頭8出來的一束平行光通過楔鏡組9后，分為2X2束平行光束，經(jīng)過潛望鏡10后入射到光學元件表面，反射后進入CXD相機16成像形成2X2個光斑。如圖4所不,光學頭8包括激光器11、自準直器12、分光鏡13、擴束筒14、透鏡15和CCD相機16，其功能是產(chǎn)生一束高質(zhì)量的平行光束和產(chǎn)生從被測元件反射回的光束的像。由激光器11產(chǎn)生的點光源通過自準直器12產(chǎn)生一束平行光，經(jīng)過分光鏡13和擴束筒14后，形成擴束后的平行光入射到被測元件表面，反射后的平行光經(jīng)過擴束筒14和分光鏡13后，再經(jīng)過透鏡15和CXD相機16形成反射后光束的像(光斑)。楔鏡組9包括2片楔形鏡片，2片楔形鏡片呈L型放置；如圖5所示，潛望鏡10包括第一反射鏡17、第二反射鏡18和二維快速偏轉(zhuǎn)平臺19，二維快速偏轉(zhuǎn)平臺19實現(xiàn)第二反射鏡18的二維快速傾斜功能。從光學頭8出來的一束平行光通過楔鏡組9后，分為2X2束平行光束，經(jīng)過潛望鏡10后入射到光學元件表面，反射后經(jīng)擴束筒14、分光鏡13后進入CXD相機16形成2X2光斑。通過高精密運動平臺做二維掃描控制，利用檢測圖像中激光光斑在水平方向和垂直方向上的位移，重構(gòu)出被測元件表面的面形分布。對于對不同姿態(tài)放置的光學元件，采用旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)光學頭8使光學頭8與被測光學元件平行，然后通過高精密運動平臺進行二維掃描運動以獲得被測元件的面形。為消除因運動平臺在水平方向上的偏擺和垂直方向上的俯仰等給面形檢測帶來的誤差，第二反射鏡18通過二維快速偏轉(zhuǎn)平臺19進行調(diào)整，實現(xiàn)對光學頭在掃描運動過程中姿態(tài)的精密調(diào)整。二維快速偏轉(zhuǎn)平臺19由二維壓電陶瓷堆和微運動控制系統(tǒng)組成，以實現(xiàn)高精度、快速的2個維度的姿態(tài)調(diào)整。本發(fā)明由于通過快速二維偏轉(zhuǎn)平臺19自動實現(xiàn)對因機械運動引起的光學系統(tǒng)的姿態(tài)的自動調(diào)整，克服傳統(tǒng)角差法不能直接、有效扣除運動平臺因機械運動或振動等帶來的測量誤差問題。貓步法測量原理，如圖6所示，在一維方向上有2束測量光束；測量時，要求第η次測量時的第一個測量光束和第η-1次測量時的第二個測量光束在被測光學元件的物理位置重合(如圖6中的13和&'的物 理位置重合)。由于被測光學元件同一區(qū)域的面形相同，通過該條件即可重構(gòu)出整個光學元件的面形。測量流程:(I)將本發(fā)明的面形檢測裝置和被測平面光學元件相對而置，調(diào)節(jié)微動機械調(diào)整機構(gòu)，使被測平面光學元件被測表面與面形檢測裝置的垂直運動導軌4和水平導軌5組成的平面平行；對于與垂直運動導軌4和水平導軌5組成的平面成夾角的被測平面光學元件，通過動力機構(gòu)及其控制系統(tǒng)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)光學頭，使被測平面光學元件與面形檢測裝置平行；(2)開啟激光器11的電源，光學頭8產(chǎn)生的平行光，經(jīng)過楔鏡組9、潛望鏡10等到被測平面光學元件，再返回到光學頭8，經(jīng)分光鏡13進入CCD相機16匯聚成2x2個激光光斑；(3)設定被測平面光學元件的尺寸、垂直運動導軌4和水平運動導軌5的運動步長、運動的起始坐標原點、光學頭姿態(tài)自動校正精度等參數(shù)；(4)激光器預熱30分鐘后，動力機構(gòu)驅(qū)動光學頭8對被測平面光學元件采用從左到右，從上到下方式進行二維掃描；針對每個測量點，通過二維快速偏轉(zhuǎn)平臺19，系統(tǒng)判斷反射回的左上角光斑與上一個測量點是否處于同一位置，若為同一位置，則光學系統(tǒng)姿態(tài)調(diào)整結(jié)束；(5)面形檢測控制與處理系統(tǒng)3采集通過被測元件反射回CXD相機16形成的光斑，對圖像進行處理獲取光斑的質(zhì)心位置。通過常規(guī)面形重構(gòu)算法重構(gòu)出被測平面光學元件的面形分布。應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明`所附權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種多姿態(tài)大口徑平面光學元件面形檢測裝置，其特征在于，包括光學系統(tǒng)(I)、三維精密運動平臺(2)和面形檢測控制與處理系統(tǒng)(3);三維精密運動平臺(2)包括垂直運動導軌(4)、水平運動導軌(5)和旋轉(zhuǎn)運動平臺(6);三維精密運動平臺(2)用于實現(xiàn)對不同姿態(tài)下光學元件的面形測量過程中的二維掃描運動；面形檢測控制與處理系統(tǒng)(3)實現(xiàn)對三維精密運動平臺(2)的運動控制、光學系統(tǒng)(I)的姿態(tài)調(diào)整、光斑信息采集、面形重構(gòu)、面形繪制功能；光學系統(tǒng)(I)包括光學頭(8)、楔鏡組(9)和固定在光學頭(8)末端的潛望鏡(10);光學頭(8)產(chǎn)生一束高質(zhì)量的平行光束并獲取從被測元件反射回的光束的像，從光學頭(8)出來的一束平行光通過楔鏡組(9)后，分為2X2束平行光束，經(jīng)過潛望鏡(10)后入射到光學元件表面，反射后進入CXD相機(16)成像形成2X2個光斑；通過高精密運動平臺做二維掃描控制，利用檢測圖像中激光光斑在水平方向和垂直方向上的位移，重構(gòu)出被測元件表面的面形分布。
2.權(quán)利要求1所述的面形檢測裝置，其特征在于，所述光學頭(8)包括激光器(11)、自準直器(12)、分光鏡(13)、擴束筒(14)、透鏡(15)和C⑶相機(16)，由激光器(11)產(chǎn)生的點光源通過自準直器(12 )產(chǎn)生一束平行光，經(jīng)過分光鏡(13 )和擴束筒(14 )后，形成擴束后的平行光入射到被測元件表面，反射后的平行光經(jīng)過擴束筒(14)和分光鏡(13)后，再經(jīng)過透鏡(15)和CXD相機(16)形成反射后光束的像。
3.權(quán)利要求1所述的面形檢測裝置，其特征在于，所述楔鏡組(9)包括2片楔形鏡片，2片楔形鏡片呈L型放置。
4.權(quán)利要求1所述的面形檢測裝置，其特征在于，所述潛望鏡(10)包括第一反射鏡(17)、第二反射鏡(18)和二維快速偏轉(zhuǎn)平臺(19)，二維快速偏轉(zhuǎn)平臺(19)實現(xiàn)第二反射鏡(18)的二維快速傾斜功能。
5.權(quán)利要求1至4任一 所述的面形檢測裝置進行面形檢測的方法，其特征在于，包括以下流程: (1)將所述的面形檢測裝置和被測平面光學元件相對而置，調(diào)節(jié)微動機械調(diào)整機構(gòu)，使被測平面光學元件被測表面與面形檢測裝置的垂直運動導軌(4)和水平導軌(5)組成的平面平行；對于與垂直運動導軌(4)和水平導軌(5)組成的平面成夾角的被測平面光學元件，通過動力機構(gòu)及其控制系統(tǒng)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)光學頭(8)，使被測平面光學元件與面形檢測裝置平行； (2)開啟激光器(11)的電源，光學頭(8)產(chǎn)生的平行光，經(jīng)過楔鏡組(9)、潛望鏡(10)到被測平面光學元件，再返回到光學頭(8)，經(jīng)分光鏡(13)進入CXD相機(16)匯聚成2x2個激光光斑； (3)設定被測平面光學元件的尺寸、垂直運動導軌(4)和水平運動導軌(5)的運動步長、運動的起始坐標原點、光學頭姿態(tài)自動校正精度； (4)激光器(11)預熱30分鐘后，動力機構(gòu)驅(qū)動光學頭(8)對被測平面光學元件采用從左到右，從上到下方式進行二維掃描；針對每個測量點，通過二維快速偏轉(zhuǎn)平臺(19)，系統(tǒng)判斷反射回的左上角光斑與上一個測量點是否處于同一位置，若為同一位置，則光學系統(tǒng)姿態(tài)調(diào)整結(jié)束； (5)面形檢測控制與處理系統(tǒng)(3)采集通過被測元件反射回C⑶相機(16)形成的光斑，對圖像進行處理獲取光斑的質(zhì)心位置，通過常規(guī)面形重構(gòu)算法重構(gòu)出被測平面光學元件的面形分布?！?br> 全文摘要
本發(fā)明公開了一種多姿態(tài)大口徑平面光學元件面形檢測裝置和方法，包括光學系統(tǒng)(1)、三維精密運動平臺(2)和面形檢測控制與處理系統(tǒng)(3)；三維精密運動平臺(2)包括垂直運動導軌(4)、水平運動導軌(5)和旋轉(zhuǎn)運動平臺(6)；三維精密運動平臺(2)用于實現(xiàn)對不同姿態(tài)下光學元件的面形測量過程中的二維掃描運動；面形檢測控制與處理系統(tǒng)(3)實現(xiàn)對三維精密運動平臺(2)的運動控制、光學系統(tǒng)(1)的姿態(tài)調(diào)整、光斑信息采集、面形重構(gòu)、面形繪制功能；本發(fā)明提升了系統(tǒng)的測量精度，采用高精度測角儀、貓步法測量方法和光學系統(tǒng)姿態(tài)自動校正等技術，檢測精度能達1/6波長。
文檔編號G01B11/24GK103245303SQ20131018351
公開日2013年8月14日 申請日期2013年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月17日
發(fā)明者鄭萬國, 袁曉東, 熊召, 徐旭, 范勇, 陳念年, 劉長春, 葉海仙, 曹庭分, 易聰之 申請人:中國工程物理研究院激光聚變研究中心, 西南科技大學