[發明專利]一種偏折測量中實現屏幕和工件同時對焦的裝置和方法

有效

• 申請號: 202011196294.1
• 申請日: 2020-10-30
• 公開（公告）號: CN112255758B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 張祥朝;朱睿;陳雨諾
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G02B7/182
• 分類號: G02B7/182;G01N21/84;G01N21/01
• 代理公司: 北京紀凱知識產權代理有限公司 11245
• 代理人: 陸惠中;王永偉

本發明公開了一種偏折測量中實現屏幕和工件同時對焦的裝置和方法，屬于精密制造領域，其中裝置包括相機、屏幕、被測工件和對焦鏡，對焦鏡為凹面反射鏡，對焦鏡用于將屏幕成像在被測工件處，相機、被測工件、對焦鏡和屏幕的位置適于使屏幕經過對焦鏡反射在被測工件上的第二像能夠再次經過被測工件反射出第一像，且第一像與被測工件重合以便于相機同時對屏幕和被測工件對焦。本發明結構簡單且使用方便，能夠克服偏折測量的角度?位置不確定度難題、克服屏幕離焦造成的相位解析誤差，從而顯著提高相位測量偏折術對復雜光學曲面的測量精度。

技術領域

本發明涉及精密制造技術領域，特別涉及一種偏折測量中實現屏幕和工件同時對焦的裝置和方法。

背景技術

在現代精密制造中，復雜的非球面和自由曲面光學元件得到了廣泛的應用，但是其面形質量測量給精密工程領域提出了巨大的難題。

偏折術是近年來發展的反射鏡面測量技術[XUX,ZHANGX,NIUZ,etal.Self-calibration ofin situmonoscopic deflectometric measurement in precisionoptical manufacturing.Optics Express,2019,27(5):7523–7536.]，其原理是在顯示器屏幕上產生規則條紋，經被測表面反射后條紋發生變形，采用CCD相機拍攝變形圖樣，再由幾何關系推導可以計算出被測面形的表面梯度分布，再通過積分得到面形高度。因其測量系統結構簡單、精度可達納米級、量程達到毫米級、動態范圍比干涉儀高1000倍、可用于復雜曲面的測量的優點，近年來得到廣泛關注[Maldonado AV.High resolution opticalsurface metrology with the slope measuring portable test system.MSc Thesis,The University of Arizona,2015]。

偏折測量一般是通過屏幕條紋的多步移相，根據采集圖像中各像素的解調相位來建立其與屏幕像素之間的物像對應關系，因此圖像中各像素的解調精度直接決定了測量精度。當前一般是將采集圖像清晰對焦于被測工件上，但是這會導致屏幕圖樣相對于相機離焦，因此模糊成像中點擴散函數引入的卷積效應將導致采集圖像的灰度發生變換，于是造成相位解調誤差，如圖1所示；反之，如果使屏幕在相機中清晰成像，則會導致被測工件離焦，對測量的位置的探測不確定度會增大，該測量不確定度問題是制約相位測量偏折術對復雜曲面測量精度的核心因素[Pavlicek P and Hausler G.Int J Optomech 2014；8:292-303]。

因此，如何使屏幕和被測工件都能夠清晰地成像，以克服測量角度和位置不確定度之間的矛盾，從而提高對復雜曲面的測量精度正成為亟待解決的技術問題。

發明內容

針對現有技術存在的偏折術測量中被測工件和屏幕在相機中的成像無法同時保持清晰的問題，本發明的目的在于提供一種偏折測量中實現屏幕和工件同時對焦的裝置和方法。

為實現上述目的，本發明的技術方案為：

一方面，本發明提供一種偏折測量中實現屏幕和工件同時對焦的裝置，包括相機、屏幕和被測工件，還包括對焦鏡，所述對焦鏡為凹面反射鏡，所述對焦鏡用于將所述屏幕成像在所述被測工件處，所述相機、所述被測工件、所述對焦鏡和所述屏幕的位置適于使所述屏幕經過所述對焦鏡反射在所述被測工件上的第二像能夠再次經過所述被測工件反射出第一像，且所述第一像與所述被測工件重合以便于所述相機同時對所述屏幕和所述被測工件對焦。

另一方面，本發明還提供一種偏折測量中實現屏幕和工件同時對焦的方法，所述方法應用于上述的裝置，所述方法包括以下步驟，

調整相機焦距以及被測工件與相機之間的距離，使被測工件在相機的像面上清晰成像，且從相機的像面上能夠看到被測工件的整個口徑；