本發(fā)明涉及一種相位測量偏折術(shù)(pmd,phasemeasuringdeflectometry)進(jìn)行光學(xué)元件面形檢測的技術(shù)領(lǐng)域,特別是一種基于子孔徑拼接技術(shù)(sub-aperturestitching)實(shí)現(xiàn)大口徑平面光學(xué)元件面形精密檢測的相位測量偏折術(shù)。
背景技術(shù):
干涉測量技術(shù)作為一種可行并常用的非接觸,高精度的表面檢測技術(shù)已有一個(gè)世紀(jì)的歷史。其被廣泛應(yīng)用的原因主要有:(1)測量中高度相位映射關(guān)系簡單直接,(2)由于測量的對象由波長進(jìn)行度量,使得它有很高的測量精度。但其測量大口徑元件面形時(shí),對環(huán)境要求非常苛刻,通常需要在控制的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境才能進(jìn)行準(zhǔn)確檢測,對元件在線狀態(tài)和相應(yīng)變化過程的精密檢測非常困難,在測量自由曲面時(shí)通常需要補(bǔ)償鏡或者cgh,使得干涉測量術(shù)非常不靈活并且價(jià)格昂貴。因此,科研工作者對不同的方法進(jìn)行了研究。一種可行的思路是測量光束進(jìn)入反射面之后的光束偏折,從而得出反射面的面形?;谶@種偏折術(shù)原理的方法有傅科刀口邊緣檢測法以及夏克-哈特曼傳感器。最近提出的可以實(shí)現(xiàn)高分辨率全場測量的方法為相位測量偏折術(shù)(phasemeasuringdeflectometry),該方法是基于光柵反射法的原理,而使用相移條紋對二值光柵替換(internationalsocietyforopticsandphotonics,2004:366-376.),具有非常高的靈敏度和比擬于干涉方法的精度,而且可用于工作環(huán)境,動態(tài)范圍大,能實(shí)現(xiàn)在線光學(xué)元件面形的精密檢測。與該方法相類似,但有不同的命名的方法有:美國亞利桑那光學(xué)中心提出的scots,該方法將偏折術(shù)與哈特曼測量方法進(jìn)行了比較,提出了scots的本質(zhì)為逆哈特曼光學(xué)測試方法(softwareconfigurableopticaltestsystem)(appl.opt.2010,49(23),4404-4412.);其他命名有結(jié)構(gòu)光反射、條紋反射;或者直接命名為偏折術(shù)。
偏折術(shù)易于實(shí)現(xiàn),并且成本低廉。它的發(fā)展也得益于現(xiàn)有技術(shù)的進(jìn)步,比如,計(jì)算機(jī)控制顯示器來產(chǎn)生條紋的技術(shù),攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)等,但現(xiàn)在它多用于具有曲率中心的球面或非球面元件面形檢測,以及小口徑平面元件面形檢測。
使用相位測量偏折術(shù)對大口徑平面光學(xué)元件進(jìn)行測量時(shí),存在三個(gè)方面的問題。(1)被測件的大尺寸要求投影條紋的顯示器尺寸足夠大,此時(shí)顯示器的平整度難以保證,并且本身的重力會導(dǎo)致顯示器變形。
(2)通常選用標(biāo)準(zhǔn)參考平面鏡鏡來扣除系統(tǒng)誤差,然而被測平面元件如果和參考平面存在復(fù)位誤差時(shí),二者的系統(tǒng)誤差不再恒定。(3)如果待測元件的前后表面都有條紋反射,這時(shí)會出現(xiàn)前后表面反射條紋的混疊。這三個(gè)方面的問題都會嚴(yán)重影響測試精度。
針對以上3個(gè)方面的問題,提出使用多相機(jī)采集方法和子孔徑拼接相位測量偏折術(shù)測量大口徑平面光學(xué)元件面形,避免了大尺寸顯示器的使用。借助參考面輔助調(diào)整方法,使得被測平面元件和參考元件精確復(fù)位,從而扣除系統(tǒng)誤差,同時(shí)使用譜估計(jì)算法分離后表面反射干擾來提高測試精度。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種子孔徑拼接相位測量偏折術(shù)實(shí)現(xiàn)大口徑平面光學(xué)元件面形檢測的方法及裝置。針對傳統(tǒng)相位測量偏折術(shù)中需要大尺寸顯示器、復(fù)位精度難以保證,采集到的條紋易受到后表面干擾等缺點(diǎn),通過引入多相機(jī)采集,參考坐標(biāo)面輔助調(diào)整和譜估計(jì)算法分離前后表面干擾有效的克服了原有技術(shù)的缺點(diǎn)。本方法很好的融合了相位測量偏折術(shù),子孔徑拼接技術(shù),譜估計(jì)算法等原有技術(shù)的優(yōu)勢。具有結(jié)構(gòu)簡單,抗環(huán)境振動能力強(qiáng),測量動態(tài)范圍大,測試精度高等特點(diǎn)。
本發(fā)明要解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是:使用相位測量偏折術(shù)測量光學(xué)元件時(shí),其中基本器件包括針孔攝像機(jī),待測平面光學(xué)元件和顯示器。在顯示器上顯示正弦編碼的條紋圖,經(jīng)過被測面反射后被針孔相機(jī)采集,正弦條紋被反射鏡的面形調(diào)制而發(fā)生變形。根據(jù)條紋的變形量便可得知被測面的面形。
傳統(tǒng)的偏折術(shù)使用相移算法得出顯示器像素點(diǎn)坐標(biāo)(xs,ys),然而,當(dāng)后表面也有反射時(shí),前后表面的條紋將會疊加,得到疊加條紋,這時(shí)采用傳統(tǒng)的相移計(jì)算方法會帶來比較大的測量誤差。一種方法是對待測光學(xué)元件做黑化或粗糙化處理,以避免后表面反射對條紋相位提取的干擾,但這導(dǎo)致了測量過程繁瑣,甚至光學(xué)表面的損壞,所以本發(fā)明使用了譜估計(jì)算法來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的相移算法計(jì)算(xs,ys)。在用顯示器投影正弦條紋后,把待測光學(xué)元件后表面反射的信號看作干擾項(xiàng),由ccd探測到的光強(qiáng)信號可看成是有用信號和干擾信號之和。那么,pmd計(jì)算斜率需要的顯示器投影點(diǎn)的歸一化位置信息可以看作是兩個(gè)周期信號的頻率,后表面反射引起的干擾信號的算法分離問題實(shí)質(zhì)上就是兩個(gè)周期信號的分離問題。
具體實(shí)現(xiàn)過程為:拍攝一系列周期等間隔變化的條紋;提取單像素點(diǎn)的一組光強(qiáng)值,作為待分析的(包含兩個(gè)周期分量的)信號;計(jì)算功率譜密度(psd),分析其中的頻譜成分,最后乘以屏幕寬度(高度)即可得到顯示器投影點(diǎn)坐標(biāo)。然后采用非線性無約束最優(yōu)化算法中的直接搜索法,對譜估計(jì)法計(jì)算出的顯示器投影點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化,最終得到顯示器像素坐標(biāo)。
使用以上方法可以解決后表面反射干擾的問題,然而,相位測量偏折術(shù)對系統(tǒng)標(biāo)定誤差非常敏感。通常采用比待測元件面形精度更高的參考元件來扣除系統(tǒng)誤差,為了使參考元件和被測元件達(dá)到很好的復(fù)位精度,本發(fā)明引入一個(gè)高精度調(diào)整待測元件的方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確復(fù)位。它是基于利用標(biāo)定得到的(xm,ym)坐標(biāo),再通過數(shù)學(xué)方法建立一個(gè)位于顯示器平面上的理想坐標(biāo)面(xs_ideal,ys_ideal)。使用譜估計(jì)算法得出的顯示器面上求出的坐標(biāo)和理想坐標(biāo)面內(nèi)的坐標(biāo)比較,反復(fù)多次對光學(xué)元件位置姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整,使得二者的差盡可能小,以達(dá)到理想的復(fù)位精度。
使用多相機(jī)采集系統(tǒng)完成子孔徑數(shù)據(jù)測量,然后將子孔徑上的斜率使用拼接算法完成數(shù)
據(jù)拼接,從而實(shí)現(xiàn)大口徑平面光學(xué)元件面形的檢測。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比其顯著的優(yōu)點(diǎn)是:
(1)與普通干涉儀相比,本發(fā)明是一種非干涉測量方式;能有效抑制環(huán)境擾動,測量的動態(tài)范圍大,抗振動能力好,結(jié)構(gòu)簡單成本低廉,并且有望成為一種實(shí)現(xiàn)在線檢測的方法。
(2)與哈特曼子孔徑拼接方法相比,哈特曼的分辨率受到微透鏡陣列大小和個(gè)數(shù)的影響,而本發(fā)明的分比率只取決于相機(jī)的分辨率。并且在相鄰子孔徑上重疊數(shù)據(jù)點(diǎn)較多,可減小重疊區(qū)域內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)少而由拼接引入的誤差。
(3)與傳統(tǒng)的相位測量偏折術(shù)相比,本發(fā)明有三個(gè)方面的優(yōu)勢:不需要對平面光學(xué)元件后面鍍膜或者涂黑,而使用多頻條紋投影的方法實(shí)現(xiàn)前后表面的信號分離,使測量過程變得簡單;使用簡單的調(diào)整方法使參考鏡和被測鏡精確復(fù)位,從而避免使用一些昂貴的調(diào)整設(shè)備;使用多相機(jī)采集搭建子孔徑拼接系統(tǒng),而不使用平移臺等設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)拼接,從而提高測量精度。
附圖說明
圖1是基于相位測量偏折術(shù)測量平面光學(xué)元件測量原理示意圖。
圖2是多相機(jī)相位測量偏折術(shù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是被測面子孔徑分布情況示意圖。
圖4是設(shè)計(jì)的大口徑光學(xué)元件子孔徑拼接裝置圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖通過實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。有必要在此指出的是,以下實(shí)施例只用于本發(fā)明做進(jìn)一步的說明,不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制,該領(lǐng)域技術(shù)熟練人員根據(jù)上述本發(fā)明內(nèi)容對本發(fā)明做出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整,仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
本發(fā)明包括多個(gè)相機(jī)組成圖像采集系統(tǒng),其中一路相機(jī)相位測量偏折術(shù)原理如圖1所示,其基本器件包括針孔攝像機(jī)1,平面光學(xué)元件2,顯示器3。在商用顯示器3上顯示正弦編碼的條紋圖,經(jīng)過被測面2反射后被針孔相機(jī)1采集,正弦條紋被反射鏡的面形調(diào)制而發(fā)生變形。根據(jù)條紋的變形量便可得知被測面的面形。公式(1)給出在圖中待測點(diǎn)的斜率值的計(jì)算方法。(xm,ym)是ccd像素對應(yīng)的被測面上的坐標(biāo)。(xs,ys)是顯示器上被點(diǎn)亮像素的坐標(biāo),(xc,yc)是ccd相機(jī)針孔的位置坐標(biāo)。dm2s和dm2c是被測面位置到對應(yīng)顯示器像素點(diǎn)和攝像機(jī)孔徑的距離;zm2s和zm2c是被測面頂點(diǎn)到光源和攝像機(jī)孔徑的z方向距離。
ccd針孔位置(xc,yc)可以直接測量得到,ccd像素對應(yīng)被測面上點(diǎn)m的坐標(biāo)(xm,ym)可以由機(jī)器視覺的方法標(biāo)定得出。如果能夠獲得顯示器像素點(diǎn)坐標(biāo)(xs,ys)后,便可利用公式(1)計(jì)算得到被測表面2的斜率分布。使用southwell算法或者zernike多項(xiàng)式擬合的算法就可以得到被測面面形。
傳統(tǒng)的偏折術(shù)使用相移算法得出顯示器像素點(diǎn)坐標(biāo)(xs,ys),然而,當(dāng)后表面也有反射時(shí),前后表面的條紋將會疊加,得到疊加條紋4,這時(shí)采用傳統(tǒng)的相移計(jì)算方法會帶來比較大的測量誤差。一種方法是對待測光學(xué)元件2做黑化或粗糙化處理,以避免后表面反射對條紋相位提取的干擾,但這很繁瑣。所以本發(fā)明使用譜估計(jì)算法來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的相移算法計(jì)算(xs,ys)。
(1)譜估計(jì)方法計(jì)算(xs,ys)
在用顯示器投影正弦條紋后,如果把待測光學(xué)元件后表面反射的信號看作干擾項(xiàng),由ccd探測到的光強(qiáng)信號可表示為:
iobs(k)=isignal(k)+ijammer(k)(2)其中iobs表示ccd像素點(diǎn)探測到的總光強(qiáng),isignal表示有用信號,ijammer表示干擾信號(thejammer),k表示相移步數(shù)。
若下標(biāo)“1”代表有用信號,下標(biāo)“2”代表干擾信號,結(jié)合條紋編碼,以豎條紋為例,公式(2)又可進(jìn)一步表示為
其中
設(shè)ws是屏幕寬度,則歸一化的x坐標(biāo)為
公式(3)可寫作
ws/p是顯示器上的條紋總數(shù),用τ表示,視為歸一化條紋空間頻率。合并常數(shù)項(xiàng),于是
其中,
如果將τ(條紋空間頻率)看作自變量,那么,pmd計(jì)算斜率需要的顯示器投影點(diǎn)的歸一化位置信息
具體實(shí)現(xiàn)過程為:拍攝一系列周期等間隔變化的條紋;提取單像素點(diǎn)的一組光強(qiáng)值,作為待分析的(包含兩個(gè)周期分量的)信號;計(jì)算功率譜密度(psd),分析其中的頻譜成分,最后乘以屏幕寬度(高度)即可得到顯示器投影點(diǎn)坐標(biāo)。
譜估計(jì)無法達(dá)到理想的分離精度。更重要的是,公式(4)所涉及的相位求解問題實(shí)際上是一個(gè)非線性反演問題,而存在多個(gè)頻率分量時(shí),周期圖法本身就是信號功率譜的一個(gè)有偏估值。于是,將平均周期圖法的結(jié)果作為迭代起點(diǎn),采用非線性無約束最優(yōu)化算法中的直接搜索法,對譜估計(jì)法計(jì)算出的顯示器投影點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化,最終得到顯示器像素坐標(biāo)(xs,ys)。
使用以上方法可以解決后表面反射干擾的問題,然而,相位測量偏折術(shù)對系統(tǒng)標(biāo)定誤差非常敏感。通常采用比待測元件面形精度更高的參考元件來扣除系統(tǒng)誤差,為了使參考元件和被測元件達(dá)到很好的復(fù)位精度,本發(fā)明引入一個(gè)對參考坐標(biāo)面進(jìn)行高精度調(diào)整的方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確復(fù)位。
(2)參考面光線追跡調(diào)整方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確復(fù)位
在測量系統(tǒng)中某z=zm的平面上,先利用標(biāo)定技術(shù)得到該面內(nèi)各點(diǎn)的(xm,ym)坐標(biāo)。然后光線從針孔(xc,yc,zc)出射,經(jīng)z=zm面上某點(diǎn)(xm,ym,zm)反射到達(dá)顯示器表面,于是就可以在顯示器面上得到該反射點(diǎn)對應(yīng)的坐標(biāo),而z=zm的平面上所有反射點(diǎn)在顯示器面上就得到了一個(gè)坐標(biāo)面,定義為參考坐標(biāo)面(xs_ideal,ys_ideal)。然后將參考元件放在調(diào)整裝置上進(jìn)行調(diào)整,拍攝條紋圖再后將通過譜估計(jì)算法得到的參考元件形成的(xs,ys)分別減去相應(yīng)參考坐標(biāo)面坐標(biāo)(xs_ideal,ys_ideal)令:
通過調(diào)節(jié)平晶的俯仰和傾斜,分別使dx和dy的rms接近零,且pv最小,就實(shí)現(xiàn)了精密調(diào)整,在這個(gè)前提下得到的(xs,ys)即為最終參與計(jì)算斜率的坐標(biāo)。
然后,將被測元件放在測試平臺上,采用上述同樣的方式進(jìn)行調(diào)整,實(shí)現(xiàn)被測元件的精密調(diào)整,得到相應(yīng)的(xs,ys)即為該元件最終參與計(jì)算斜率的坐標(biāo),并恢復(fù)面形。
最后,用被測元件面形減去參考元件面形數(shù)據(jù)即d=dtest-dref,就能得到該子孔徑內(nèi)的面形數(shù)據(jù)。
通過以上的周期圖法、顯示器坐標(biāo)計(jì)算和待測元件精確的調(diào)整處理方法,我們可以對口徑不大的光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)高精度的面形檢測。但是測量大口徑的光學(xué)元件時(shí),這種方法不再適用??梢圆捎玫姆椒ㄓ校?lt;1>選用大尺寸的顯示器作為投影光源。<2>平移pmd測試裝置進(jìn)行拼接測量。<3>平移被測光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)全孔徑測量。<4>采用多相機(jī)拍攝的方法進(jìn)行子孔徑拼接測量。
方法<1>選用大尺寸的顯示器,可能會存在平整度的問題,并且顯示器本身的重力會導(dǎo)致顯示器面形誤差,對系統(tǒng)標(biāo)定造成不必要的麻煩。方法<2>通過移動測量設(shè)備進(jìn)行子孔徑拼接測量,但是這會對平移裝置提出較高的要求,導(dǎo)軌的直線度和平移精度直接影響測試精度。方法<3>需要采用導(dǎo)軌調(diào)整待測元件的位置,顯然,如果需要實(shí)現(xiàn)在線檢測,待測元件更不能移動。所以本發(fā)明采用方法<4>,采用多相機(jī)采集,然后進(jìn)行子孔徑拼接的方法實(shí)現(xiàn)大口徑平面光學(xué)元件的檢測。
(3)多相機(jī)采集,采用子孔徑拼接算法實(shí)現(xiàn)大口徑平面光學(xué)元件檢測。
多相機(jī)采集系統(tǒng)可以是兩個(gè)或多余兩個(gè),數(shù)目不限,這里給出六個(gè)針孔攝像機(jī)(編號為5,6,7,8,9,10)、顯示器11以及顯示器調(diào)整裝置構(gòu)成的采集系統(tǒng),示意圖如圖2(a)、(b)所示。圖2(b)中的顯示器水平調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)12和旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)13使顯示器中的像素在同一平面上,圖2(c)中的攝像機(jī)針孔14經(jīng)相機(jī)方位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)15、16和17實(shí)現(xiàn)元件被測面的正確選取。完成上述調(diào)節(jié)后,假設(shè)被測平面光學(xué)元件為長l,寬w。5,6,7,8,9,10相機(jī)分別測量覆蓋的被測元件的子孔徑情況如圖3所示,圖3中a5~a10分別是針孔相機(jī)5~10所測量的被測面上的范圍,圖中每個(gè)攝像機(jī)測量得到的子孔徑長和寬分別為l1和w1。網(wǎng)格區(qū)是相鄰子孔徑間的重疊區(qū)域,斜條紋區(qū)是各子孔徑的非重疊數(shù)據(jù)區(qū)。測量過程中,被測元件和多相機(jī)采集系統(tǒng)被放置在光學(xué)臺上,圖4是設(shè)計(jì)的大口徑平面光學(xué)元件面形的子孔徑拼接檢測技術(shù)及裝置示意圖。為了測量準(zhǔn)確,本發(fā)明將待測元件放置在調(diào)整裝置18上,如圖4所示,該圖4中水平調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)19、元件支撐板21、元件支撐板固定架24以及元件支撐板方位調(diào)節(jié)旋鈕22和23能使被測元件20對準(zhǔn)顯示器11,處于測試狀態(tài)。
假設(shè)兩相鄰子孔徑a5和a6,其測得的面形分布分別為φ1和φ2。假設(shè)a5為基準(zhǔn)面,則φ1和φ2在重疊區(qū)域滿足下面關(guān)系:
φ2=φ1+p+txx+tyy,(8)
式中,p代表平移量,tx和ty分別代表x,y方向的傾斜系數(shù),
對上式求x,y方向偏導(dǎo),得
其中
通過最小二乘數(shù)據(jù)處理方法,就可分別求出x,y方向上的傾斜系數(shù)tx和ty,通過式(9),可以求出g2x和g2y的校正結(jié)果。然后,將g2x和g2y的校正結(jié)果與g1x和g1y的進(jìn)行拼接,這樣我們就可以得到兩相鄰區(qū)域的拼接斜率數(shù)據(jù)。以此類推,通過以上類似的拼接處理,就可以得到所有子孔徑上的斜率分布,進(jìn)而得出被測大孔徑平面光學(xué)元件的面形。