[發明專利]一種透射元件像差的高精度大動態范圍測量系統及測量方法

在審

• 申請號: 201710644047.5
• 申請日: 2017-07-31
• 公開（公告）號: CN107543683A
• 公開（公告）日: 2018-01-05
• 發明（設計）人: 王道檔;徐平;解鐘敏;龔志東;孔明;劉維;趙軍;郭天太
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: G01M11/02
• 分類號: G01M11/02
• 代理公司: 杭州杭誠專利事務所有限公司33109
• 代理人: 尉偉敏

技術領域

本發明涉及測量技術領域，尤其是涉及一種基于光學偏折術對透射元件像差測量的系統及測量方法。

背景技術

透射元件在光學元件和工業產品具有不可或缺的地位。其在成像光學、照明光學、透射玻璃和透明玻璃均有廣泛應用。隨著工業生產發展和科研技術的進步，對透射元件加工誤差檢測的要求也不斷的提高。目前檢測的方法主要有：干涉測量法和幾何光線檢測法。干涉測量法，作為一種亞波長級的光學測量方法得到了廣泛應用。常見的干涉測量儀如菲佐干涉儀、泰曼格林干涉儀和點衍射干涉儀等，提供了一種非接觸式的高精度透射表面檢測。但其測量的動態范圍是有限的，通常只有幾個波長，且系統的設計、制造和校準都具有很高的要求，使得干涉測量非常的昂貴和不便。利用干涉法測量，測量過程較為復雜，且無法完成大動態范圍的測量。在幾何光線檢測方法中，哈特曼檢驗方法與朗奇檢驗方法在面型檢測中的應用較為成熟。中國專利申請公布號CN102636131A，申請公布日2012年8月15日，名稱為“用于微小非球面加工的在位測量裝置”的發明專利公布文件，就是一種光學三維測量裝置。它有計算機，其特征在于，可配置雙屏顯卡、圖像采集卡，與CCD鏡頭兼容：普通液晶顯示器，其特征在于，與計算機相連接，可獨立顯示條紋圖：CCD鏡頭，其特征在于具有較小的F數，可清晰拍攝離焦條紋圖：模具，其特征在于小口徑非球面模具樣品，表面光滑：變頻條紋圖處理軟件，其特征在于，用于處理變頻條紋圖，可實現任意組變頻條紋的處理。但是由于該裝置的局限性，它的測量動態范圍小。

發明內容

為了解決現有技術中非接觸式的高精度透射元件表面檢測的動態范圍小、測量過程復雜、測量設備昂貴的技術問題，本發明提供一種在干涉測量法和幾何光線檢測方法中，實現高精度大測量動態范圍的透射元件像差檢測系統及測量方法。

本發明的技術方案是：一種透射元件像差的高精度大動態范圍測量系統，它包括顯示器、待測透射元件、CCD相機、三坐標測量機和計算機，顯示器的顯示屏與CCD相機的鏡頭面對面布置，待測透射元件位于顯示器與CCD相機之間，且CCD相機能夠獲得待測透射元件的完整成像，計算機預存有顯示x方向和y方向的四步90°移相正弦直條紋的程序，且能控制該條紋在所述顯示器的顯示屏顯示，顯示器顯示的該條紋發出的光穿過待測透射元件被CCD相機獲得形成逆向哈特曼檢驗光路的光學偏折光路系統，三坐標測量機用于對光學偏折光路系統的幾何結構位置參數預標定，計算機分別與顯示器、CCD相機和三坐標測量機電連接。檢測設備實現通用化，設備數量少，降低了系統搭建和使用的難度，提高測量效率。

作為優選，CCD相機前端設有濾光孔板，濾光孔板設有直徑為1—2mm的濾光孔，濾光孔板貼緊CCD相機鏡頭；濾除雜光提高檢測精度。

作為優選，三坐標測量機測量精度為微米量級；設備精度要求低，操作簡單，效率高。

一種透射元件像差的高精度大動態范圍測量系統的測量方法，三坐標測量機預標定光學偏折光路系統的幾何結構位置參數；顯示器顯示x方向和y方向的黑白間隔條紋，條紋光線分別透過待測透射元件被CCD相機采集；計算機根據光學偏折的原理，采用四步移相法求解出CCD相機拍攝的條紋對應的相位分布，并得到與相位對應的待測透射元件透射表面上的點投影在CCD相機中的實際光斑坐標值；計算機利用光線追跡法生成理想檢驗光路系統，并得到與實際光斑坐標值對應的理想光斑坐標值，通過實際光斑坐標值與理想光斑坐標值計算待測透射元件表面加工誤差造成的斜率誤差，利用積分法得到待測透射元件表面加工誤差造成的像差數據。

作為優選，所述理想檢驗光路系統由計算機軟件模擬搭建。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：檢測設備實現通用化，設備數量少，降低了系統搭建和使用的難度，操作簡單、效率高。無需其他補償光學元件與標準光學元件，測量系統校準簡化，在滿足高精度與大動態范圍的條件下，降低了檢測成本。為透射像差的檢測提供了非接觸，高精度，大動態范圍的測量方法。

附圖說明

附圖1為本發明光學測量光路示意圖；

附圖2為透過待測透射元件的正弦條紋圖；

附圖3為利用四步移相算法求得的相位分布圖；

附圖4為測得的與圖3相位對應的實際光斑分布和光線追跡法得到理想光斑分布圖；

附圖5為測得的待測透射元件表面加工誤差造成的像差結果圖。

圖中：1-顯示器；2-待測透射元件；3-濾光孔板；4-CCD相機。

具體實施方式