專利名稱：多姿態(tài)大口徑平面光學(xué)元件面形檢測裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)器視覺技術(shù)檢測領(lǐng)域，主要涉及一種多姿態(tài)大口徑平面光學(xué)元件面形檢測裝置和方法，其設(shè)計利用角差原理進(jìn)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(shù)：
面形技術(shù)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(diǎn)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(xué)已研制出大口徑光學(xué)元件面形檢測裝置，檢測精度達(dá)1/3個波長。LTP是采用細(xì)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(dá)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(shù)與數(shù)字化波面技術(shù)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(dá)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(jìn)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(kuò)束系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)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(xué)元件進(jìn)行面形檢測。中國發(fā)明專利ZL200910058280.0，該方案利用被測光學(xué)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(yùn)動平臺因機(jī)械運(yùn)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(xué)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(xué)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(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種多姿態(tài)大口徑平面光學(xué)元件面形檢測裝置和方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下:一種多姿態(tài)大口徑平面光學(xué)元件面形檢測裝置，包括光學(xué)系統(tǒng)(I)、三維精密運(yùn)動平臺(2)和面形檢測控制與處理系統(tǒng)(3);三維精密運(yùn)動平臺(2)包括垂直運(yùn)動導(dǎo)軌(4)、水平運(yùn)動導(dǎo)軌(5)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動平臺(6);三維精密運(yùn)動平臺(2)用于實現(xiàn)對不同姿態(tài)下光學(xué)元件的面形測量過程中的二維掃描運(yùn)動；面形檢測控制與處理系統(tǒng)(3)實現(xiàn)對三維精密運(yùn)動平臺(2)的運(yùn)動控制、光學(xué)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(xué)系統(tǒng)(I)包括光學(xué) 頭(8)、楔鏡組(9)和固定在光學(xué)頭(8)末端的潛望鏡(10);光學(xué)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(xué)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(xué)元件表面，反射后進(jìn)入CXD相機(jī)(16)成像形成2X2個光斑；通過高精密運(yùn)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(xué)頭(8)包括激光器(11)、自準(zhǔn)直器(12)、分光鏡(13)、擴(kuò)束筒(14)、透鏡(15)和C⑶相機(jī)(16)，由激光器(11)產(chǎn)生的點(diǎn)光源通過自準(zhǔn)直器(12)產(chǎn)生一束平行光，經(jīng)過分光鏡(13)和擴(kuò)束筒(14)后，形成擴(kuò)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(kuò)束筒(14)和分光鏡(13)后，再經(jīng)過透鏡(15)和CXD相機(jī)(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(jìn)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(xué)元件相對而置，調(diào)節(jié)微動機(jī)械調(diào)整機(jī)構(gòu)，使被測平面光學(xué)元件被測表面與面形檢測裝置的垂直運(yùn)動導(dǎo)軌(4)和水平導(dǎo)軌(5)組成的平面平行；對于與垂直運(yùn)動導(dǎo)軌(4)和水平導(dǎo)軌(5)組成的平面成夾角的被測平面光學(xué)元件，通過動力機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)光學(xué)頭(8)，使被測平面光學(xué)元件與面形檢測裝置平行；(2)開啟激光器(1 1)的電源，光學(xué)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(xué)元件，再返回到光學(xué)頭(8)，經(jīng)分光鏡(13)進(jìn)入C⑶相機(jī)(16)匯聚成2x2個激光光斑；(3)設(shè)定被測平面光學(xué)元件的尺寸、垂直運(yùn)動導(dǎo)軌(4)和水平運(yùn)動導(dǎo)軌(5)的運(yùn)動步長、運(yùn)動的起始坐標(biāo)原點(diǎn)、光學(xué)頭姿態(tài)自動校正精度；(4)激光器(11)預(yù)熱30分鐘后，動力機(jī)構(gòu)驅(qū)動光學(xué)頭(8)對被測平面光學(xué)元件采用從左到右，從上到下方式進(jìn)行二維掃描；針對每個測量點(diǎn)，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(diǎn)是否處于同一位置，若為同一位置，則光學(xué)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(jī)(16)形成的光斑，對圖像進(jìn)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(xué)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(xué)系統(tǒng)姿態(tài)自動校正等技術(shù)，檢測精度能達(dá)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(xué)系統(tǒng)組成示意圖；圖4為光學(xué)頭原理不意圖；圖5為光學(xué)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(jìn)行詳細(xì)說明。如圖1本發(fā)明的多姿態(tài)大口徑平面光學(xué)元件面形檢測裝置，包括光學(xué)系統(tǒng)1、三維精密運(yùn)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(yùn)動平臺2包括垂直運(yùn)動導(dǎo)軌4、水平運(yùn)動導(dǎo)軌5和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動平臺6。三維精密運(yùn)動平臺2主要實現(xiàn)對不同姿態(tài)下光學(xué)元件的面形測量過程中的二維掃描運(yùn)動。面形檢測控制與處理系統(tǒng)3實現(xiàn)對三維精密運(yùn)動平臺2的運(yùn)動控制、光學(xué)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(xué)系統(tǒng)I包括光學(xué)頭8、楔鏡組9和固定在光學(xué)頭8末端的潛望鏡10 ;從光學(xué)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(xué)元件表面，反射后進(jìn)入CXD相機(jī)16成像形成2X2個光斑。如圖4所不,光學(xué)頭8包括激光器11、自準(zhǔn)直器12、分光鏡13、擴(kuò)束筒14、透鏡15和CCD相機(jī)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(diǎn)光源通過自準(zhǔn)直器12產(chǎn)生一束平行光，經(jīng)過分光鏡13和擴(kuò)束筒14后，形成擴(kuò)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(kuò)束筒14和分光鏡13后，再經(jīng)過透鏡15和CXD相機(jī)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(xué)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(xué)元件表面，反射后經(jīng)擴(kuò)束筒14、分光鏡13后進(jìn)入CXD相機(jī)16形成2X2光斑。通過高精密運(yùn)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(xué)元件，采用旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)光學(xué)頭8使光學(xué)頭8與被測光學(xué)元件平行，然后通過高精密運(yùn)動平臺進(jìn)行二維掃描運(yùn)動以獲得被測元件的面形。為消除因運(yùn)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(jìn)行調(diào)整，實現(xiàn)對光學(xué)頭在掃描運(yùn)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(yùn)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(jī)械運(yùn)動引起的光學(xué)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(yùn)動平臺因機(jī)械運(yùn)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)元件相對而置，調(diào)節(jié)微動機(jī)械調(diào)整機(jī)構(gòu)，使被測平面光學(xué)元件被測表面與面形檢測裝置的垂直運(yùn)動導(dǎo)軌4和水平導(dǎo)軌5組成的平面平行；對于與垂直運(yùn)動導(dǎo)軌4和水平導(dǎo)軌5組成的平面成夾角的被測平面光學(xué)元件，通過動力機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)光學(xué)頭，使被測平面光學(xué)元件與面形檢測裝置平行；(2)開啟激光器11的電源，光學(xué)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(xué)元件，再返回到光學(xué)頭8，經(jīng)分光鏡13進(jìn)入CCD相機(jī)16匯聚成2x2個激光光斑；(3)設(shè)定被測平面光學(xué)元件的尺寸、垂直運(yùn)動導(dǎo)軌4和水平運(yùn)動導(dǎo)軌5的運(yùn)動步長、運(yùn)動的起始坐標(biāo)原點(diǎn)、光學(xué)頭姿態(tài)自動校正精度等參數(shù)；(4)激光器預(yù)熱30分鐘后，動力機(jī)構(gòu)驅(qū)動光學(xué)頭8對被測平面光學(xué)元件采用從左到右，從上到下方式進(jìn)行二維掃描；針對每個測量點(diǎn)，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(diǎn)是否處于同一位置，若為同一位置，則光學(xué)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(jī)16形成的光斑，對圖像進(jìn)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(xué)元件的面形分布。應(yīng)當(dāng)理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)上述說明加以改進(jìn)或變換，而所有這些改進(jìn)和變換都應(yīng)屬于本發(fā)明`所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種多姿態(tài)大口徑平面光學(xué)元件面形檢測裝置，其特征在于，包括光學(xué)系統(tǒng)(I)、三維精密運(yùn)動平臺(2)和面形檢測控制與處理系統(tǒng)(3);三維精密運(yùn)動平臺(2)包括垂直運(yùn)動導(dǎo)軌(4)、水平運(yùn)動導(dǎo)軌(5)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動平臺(6);三維精密運(yùn)動平臺(2)用于實現(xiàn)對不同姿態(tài)下光學(xué)元件的面形測量過程中的二維掃描運(yùn)動；面形檢測控制與處理系統(tǒng)(3)實現(xiàn)對三維精密運(yùn)動平臺(2)的運(yùn)動控制、光學(xué)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(xué)系統(tǒng)(I)包括光學(xué)頭(8)、楔鏡組(9)和固定在光學(xué)頭(8)末端的潛望鏡(10);光學(xué)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(xué)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(xué)元件表面，反射后進(jìn)入CXD相機(jī)(16)成像形成2X2個光斑；通過高精密運(yùn)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(xué)頭(8)包括激光器(11)、自準(zhǔn)直器(12)、分光鏡(13)、擴(kuò)束筒(14)、透鏡(15)和C⑶相機(jī)(16)，由激光器(11)產(chǎn)生的點(diǎn)光源通過自準(zhǔn)直器(12 )產(chǎn)生一束平行光，經(jīng)過分光鏡(13 )和擴(kuò)束筒(14 )后，形成擴(kuò)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(kuò)束筒(14)和分光鏡(13)后，再經(jīng)過透鏡(15)和CXD相機(jī)(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(jìn)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(xué)元件相對而置，調(diào)節(jié)微動機(jī)械調(diào)整機(jī)構(gòu)，使被測平面光學(xué)元件被測表面與面形檢測裝置的垂直運(yùn)動導(dǎo)軌(4)和水平導(dǎo)軌(5)組成的平面平行；對于與垂直運(yùn)動導(dǎo)軌(4)和水平導(dǎo)軌(5)組成的平面成夾角的被測平面光學(xué)元件，通過動力機(jī)構(gòu)及其控制系統(tǒng)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)光學(xué)頭(8)，使被測平面光學(xué)元件與面形檢測裝置平行； (2)開啟激光器(11)的電源，光學(xué)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(xué)元件，再返回到光學(xué)頭(8)，經(jīng)分光鏡(13)進(jìn)入CXD相機(jī)(16)匯聚成2x2個激光光斑； (3)設(shè)定被測平面光學(xué)元件的尺寸、垂直運(yùn)動導(dǎo)軌(4)和水平運(yùn)動導(dǎo)軌(5)的運(yùn)動步長、運(yùn)動的起始坐標(biāo)原點(diǎn)、光學(xué)頭姿態(tài)自動校正精度； (4)激光器(11)預(yù)熱30分鐘后，動力機(jī)構(gòu)驅(qū)動光學(xué)頭(8)對被測平面光學(xué)元件采用從左到右，從上到下方式進(jìn)行二維掃描；針對每個測量點(diǎn)，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(diǎn)是否處于同一位置，若為同一位置，則光學(xué)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(jī)(16)形成的光斑，對圖像進(jìn)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(xué)元件的面形分布。·
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多姿態(tài)大口徑平面光學(xué)元件面形檢測裝置和方法，包括光學(xué)系統(tǒng)(1)、三維精密運(yùn)動平臺(2)和面形檢測控制與處理系統(tǒng)(3)；三維精密運(yùn)動平臺(2)包括垂直運(yùn)動導(dǎo)軌(4)、水平運(yùn)動導(dǎo)軌(5)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動平臺(6)；三維精密運(yùn)動平臺(2)用于實現(xiàn)對不同姿態(tài)下光學(xué)元件的面形測量過程中的二維掃描運(yùn)動；面形檢測控制與處理系統(tǒng)(3)實現(xiàn)對三維精密運(yùn)動平臺(2)的運(yùn)動控制、光學(xué)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(xué)系統(tǒng)姿態(tài)自動校正等技術(shù)，檢測精度能達(dá)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(xué)