專利名稱：小型在線徑向剪切干涉儀及其測(cè)量非球面的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)精密測(cè)量?jī)x器及其測(cè)量方法，具體地說是涉及一種徑向剪切干涉儀及其測(cè)量非球面的方法。
背景技術(shù)：
非球面在空間光學(xué)、軍用光學(xué)、天文研究領(lǐng)域以及高科技民用產(chǎn)品中有很重要的作用。由于非球面的面形千變?nèi)f化，現(xiàn)有的各種檢測(cè)方法都有其局限的測(cè)量對(duì)象。常見的加裝補(bǔ)償器的干涉法使得光學(xué)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜。例如，Wyko和Zygo公司的干涉儀測(cè)量孔徑達(dá)Φ500mm，準(zhǔn)確度為λ/50。但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，難以在線使用。從現(xiàn)有的專利得知，研究的技術(shù)都采用了附加全息圖和其他光學(xué)元件。例如，“實(shí)時(shí)檢測(cè)非球面的全息干涉裝置”(申請(qǐng)?zhí)?2104991.9)和“利用全息圖和凹形表面測(cè)量非球面的裝置和方法”(申請(qǐng)?zhí)?2156997.5)采用了計(jì)算全息圖或凹面光學(xué)元件?！耙环N凸非球面檢驗(yàn)干涉儀”(申請(qǐng)?zhí)?1272267.7)采用了位相型折衍混合檢驗(yàn)樣板。這些技術(shù)對(duì)于不同的測(cè)試對(duì)象需要設(shè)計(jì)制作不同的全息模板或光學(xué)元件，并且對(duì)測(cè)試環(huán)境有很高的要求，不具備通用性。因此，不需要參考波面、抗干擾能力強(qiáng)的共光路剪切干涉法就成為非球面在線檢測(cè)的最佳技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提供一種用于光學(xué)測(cè)試特別是非球面檢測(cè)的低成本小型在線徑向剪切干涉儀及其測(cè)量非球面的方法。
技術(shù)方案本發(fā)明的小型在線徑向剪切干涉儀，包括激光器、透鏡、位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其特征在于該干涉儀中He-Ne激光器、空間濾波器、準(zhǔn)直透鏡、平面反射鏡、分光棱鏡、被測(cè)非球面鏡、凸面鏡在一條光路中順序排列；分光棱鏡、被測(cè)非球面鏡、凸面鏡、波帶板、濾光片、可變光闌、成象透鏡、CCD攝象機(jī)在分光棱鏡分出的另一條光路中順序排列；其中空間濾波器、凸面鏡、波帶板、可變光闌上均設(shè)有位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以上各部分均設(shè)置在同一塊底版上。
本發(fā)明的小型在線徑向剪切干涉儀的測(cè)量非球面的方法為(1)調(diào)節(jié)徑向剪切干涉儀a將具有高面形精度的凸面鏡置于被測(cè)非球面透鏡后，并滿足凸面鏡的曲率中心與被測(cè)非球面透鏡的焦點(diǎn)重合；b光束經(jīng)過被測(cè)非球面透鏡后被凸面鏡反射按原路返回，反射光束被兩波帶板剪切，經(jīng)CCD攝象機(jī)成象；c調(diào)節(jié)儀器位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)得到水平調(diào)制和垂直調(diào)制的干涉條紋；d調(diào)節(jié)CCD攝象機(jī)鏡頭的焦距和光圈得到不同大小和對(duì)比度的條紋圖象；處理剪切干涉圖象的和重建三維波相差a一維傅立葉變換b對(duì)采集的干涉圖中選取一行，進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)，取絕對(duì)值，計(jì)算圖象頻譜；c利用窗口函數(shù)選擇一級(jí)譜進(jìn)行傅立葉逆變換，反正切求位相d計(jì)算其實(shí)部和虛部之比，取反正切獲得相位并進(jìn)行相位去包裹操作；e對(duì)波相差進(jìn)行數(shù)值積分并循環(huán)操作，得到三維波面面形。
本發(fā)明是一種小型徑向剪切干涉儀，由光學(xué)/機(jī)械系統(tǒng)和圖象處理系統(tǒng)兩部分組成光學(xué)和機(jī)械部分實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的剪切干涉并產(chǎn)生干涉圖象；圖象處理部分對(duì)圖象進(jìn)行采集和處理，分析被測(cè)面形信息。
本發(fā)明采用平行放置的雙波帶板產(chǎn)生徑向剪切干涉。波帶板可以起到兩個(gè)作用——透鏡和分光器，即光束通過波帶板后一部分直進(jìn)，一部分發(fā)生衍射。參考光通過第一塊波帶板然后被第二塊波帶板衍射，而物光被第一塊波帶板衍射再通過第二塊波帶板。這些光在象平面的中心部分重疊干涉，產(chǎn)生干涉條紋。制作波帶板時(shí)，先計(jì)算出波帶數(shù)及各波帶半徑，將各波帶半徑按一定比例放大后，繪出波帶板的矢量圖，發(fā)排膠片，再通過工業(yè)縮微制版得到波帶板成品。這樣制作的波帶板具有精度高、成本低的特點(diǎn)，滿足儀器需要。
本發(fā)明的光學(xué)和機(jī)械部分由He-Ne激光器、各種光學(xué)元件和機(jī)械元件組成。測(cè)量非球面透鏡時(shí)，光路中光束依次通過空間濾波器、準(zhǔn)直透鏡、平面反射鏡、分光棱鏡、非球面透鏡、凸面鏡、波帶板、濾光片、光闌、成象透鏡等光學(xué)元件。在濾波器、波帶板、反射鏡、光闌等不易調(diào)節(jié)或需要精密定位的地方使用了一維或二維精密位移機(jī)構(gòu)。元件的制作與使用充分考慮了儀器的小型與輕便的設(shè)計(jì)思想，光學(xué)系統(tǒng)的底部是鋼制基板，便于儀器的穩(wěn)固與移動(dòng)。只要對(duì)光路稍加改進(jìn)，即可測(cè)量平面鏡和球面鏡。
圖象的采集和處理系統(tǒng)主要由CCD攝象機(jī)、圖象采集卡、計(jì)算機(jī)和圖象處理軟件組成。圖象采集卡將CCD接收的圖象進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，變?yōu)閿?shù)字信號(hào)后送入計(jì)算機(jī)。用傅立葉變換條紋相位分析方法處理干涉條紋。根據(jù)圖象質(zhì)量選擇是否要進(jìn)行中值濾波去除噪聲，通常進(jìn)行一次濾波即可。然后選擇一維圖象點(diǎn)進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)，取絕對(duì)值，通過帶通濾波器提取變換后的+1或-1級(jí)頻譜，并將其變換到基點(diǎn)位置。對(duì)提取后的頻譜進(jìn)行快速傅立葉逆變換，通過反正切函數(shù)求出某一截面的相位分布。若一維分析的結(jié)果合理，就可循環(huán)一維分析的操作，得出數(shù)據(jù)矩陣，并以此構(gòu)造三維波相差圖形。根據(jù)波面相位偏差與波面面形差分的關(guān)系，選取包含干涉圖象的區(qū)域，對(duì)波相差進(jìn)行數(shù)值積分并循環(huán)操作，繼而可以得出三維波面面形。
有益效果本發(fā)明采用雙波帶板產(chǎn)生徑向剪切干涉，有效地簡(jiǎn)化了儀器結(jié)構(gòu)，并增強(qiáng)了儀器適應(yīng)工作環(huán)境的能力；采用工業(yè)發(fā)排與縮微制版技術(shù)制作的波帶板具有足夠高的精度并降低了成本。本項(xiàng)發(fā)明是光機(jī)電算一體化技術(shù)，通過CCD采集條紋圖象，計(jì)算機(jī)顯示和處理全場(chǎng)條紋圖。使用空間調(diào)制的波面位相檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了干涉圖的實(shí)時(shí)檢測(cè)，同時(shí)使儀器結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、代價(jià)更低。圖象處理軟件具有良好的圖形界面和豐富的人機(jī)對(duì)話操作，可以得到三維相位信息和波面面形信息。實(shí)驗(yàn)表明該干涉儀可以測(cè)量平面、球面及非球面度和相對(duì)孔徑不很大的非球面，測(cè)量精度達(dá)到λ/5(P-V)和λ/10(RMS)。


圖1是本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)光路設(shè)計(jì)圖。其中有He-Ne激光器1，空間濾波器2，準(zhǔn)直透鏡3，平面反射鏡4，分光棱鏡5，被測(cè)非球面鏡6，凸面鏡7，波帶板8、9，濾光片10，可變光闌11，成象透鏡12，CCD攝象機(jī)13，填充色代表位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
圖2是本儀器中使用的波帶板的矢量圖。
圖3是干涉圖象處理流程圖。
具體實(shí)施例方式
小型在線徑向剪切干涉儀，包括激光器、透鏡、位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其特征在于該干涉儀中He-Ne激光器1、空間濾波器2、準(zhǔn)直透鏡3、平面反射鏡4、分光棱鏡5、被測(cè)非球面鏡6、凸面鏡7在一條光路中順序排列；分光棱鏡5、被測(cè)非球面鏡6、凸面鏡7、波帶板8、9、濾光片10、可變光闌11、成象透鏡12、CCD攝象機(jī)13在分光棱鏡5分出的另一條光路中順序排列；其中空間濾波器2、凸面鏡7、波帶板8、可變光闌11上均設(shè)有位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以上各部分均設(shè)置在同一塊底版上。本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)光路中的各部件如下He-Ne激光器1(長280mm，功率1.5mw，波長632.8nm)；空間濾波器2(40X物鏡和25μ針孔，包括三維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu))；雙膠合消色差準(zhǔn)直透鏡3(直徑Φ25.4mm，焦距F10mm)；平面反射鏡4(直徑Φ25.4mm)；單波長分光棱鏡5(邊長25.4mm，波長632.8nm)；被測(cè)非球面透鏡6；凸面鏡7(曲率半徑小于被測(cè)非球面透鏡的焦長)；波帶板8、9(直徑D10mm，焦距F分別為200mm和150mm)；中性密度濾光片10(透射率T0.1％)；可變光闌11(直徑Φ1～12mm)；成象透鏡12(直徑Φ25.4mm，焦距F7.5mm)；CCD攝象機(jī)13(臺(tái)灣敏通MTV-1881EX，包括SE5018鏡頭)；填充色代表位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
圖2是本儀器中使用的波帶板的矢量圖。其中直徑D10mm，焦距F200mm，總環(huán)帶數(shù)196。
圖3是干涉圖象處理流程圖。其中中值濾波使用3×3模板；傅立葉變換象素點(diǎn)256個(gè)；帶通濾波器尺寸由人機(jī)對(duì)話完成；相位去包裹時(shí)的相位突變判斷值為4。
1、徑向剪切干涉儀的調(diào)節(jié)方法結(jié)合圖1說明干涉儀的調(diào)節(jié)方法。使用1.5mw單模He-Ne激光器1發(fā)出的光束，經(jīng)過空間濾波器2擴(kuò)束、濾波后被透鏡3準(zhǔn)直。分光棱鏡5將一部分光向上反射，分離出系統(tǒng)，一部分光直進(jìn)。將具有高面形精度的凸面鏡7置于被測(cè)非球面透鏡6后，并滿足凸面鏡的曲率中心與非球面的焦點(diǎn)重合。光束經(jīng)過非球面后攜帶其信息，被凸面鏡反射按原路返回，再次經(jīng)過分束器，光路改變90°。平行放置的兩波帶板8、9將包含被測(cè)鏡面信息的光束剪切，通過濾光片10和光闌11后，再經(jīng)過成像透鏡12，被CCD攝象機(jī)13接收后傳入計(jì)算機(jī)。
2、干涉圖象的調(diào)節(jié)和采集調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的一維、二維平移機(jī)構(gòu)，精確確定相關(guān)元件的位置。調(diào)節(jié)波帶板8的水平位移機(jī)構(gòu)或波帶板9的垂直升降機(jī)構(gòu)，得到水平調(diào)制和垂直調(diào)制的干涉條紋。調(diào)節(jié)CCD鏡頭的焦距和光圈得到不同大小和對(duì)比度的條紋圖象。
準(zhǔn)直和聚焦透鏡對(duì)成象質(zhì)量起很大的影響，在干涉儀中，我們使用的是高質(zhì)量的小口徑雙膠合消色差透鏡。CCD攝象機(jī)是非常靈敏的器件，如果干涉光太強(qiáng)或太弱，都會(huì)影響圖象的處理。在準(zhǔn)直透鏡焦距一定的情況下，當(dāng)濾波器上的顯微物鏡倍率較小，則準(zhǔn)直光束較細(xì)，光強(qiáng)集中，不利于干涉圖樣的處理。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象比較，我們確定選用40X的顯微物鏡和25μ的針孔組成濾波器。類似的道理，根據(jù)不同濾光片產(chǎn)生的干涉圖樣對(duì)比，我們最終選用透過率為0.1％的濾光片生成較為理想的圖象。
3、波帶板的設(shè)計(jì)、制作方法結(jié)合圖2說明波帶板的設(shè)計(jì)、制作方法。本發(fā)明使用的兩波帶板直徑10mm，焦距分別為150mm和200mm。(1)使用軟件計(jì)算出波帶板的環(huán)數(shù)和各環(huán)半徑，并做記錄；(2)使用矢量繪圖軟件將波帶板放大一定倍數(shù)繪出，過程中要對(duì)軟件進(jìn)行必要的設(shè)置，以消除繪圖可能產(chǎn)生的誤差；(3)將所繪圖樣1∶1發(fā)排膠片，使用工業(yè)縮微制版技術(shù)制作波帶板成品。由此方法制作的波帶板，焦距誤差可控制在0.5％以下。
4、剪切干涉圖象的處理和三維波相差的重建結(jié)合圖3說明剪切干涉圖象的處理過程。圖象采集卡采用基于PCI總線的高速圖象采集卡，符合PAL制式和NTSC制式的視頻輸入信號(hào)，用14.74MHz(PAL制式)或12.273MHz(NTSC制式)的頻率進(jìn)行采樣，然后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，通過PCI總線將圖象數(shù)據(jù)傳送到VGA卡實(shí)時(shí)顯示或傳送到計(jì)算機(jī)的內(nèi)存中實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。用VisualC++作為系統(tǒng)軟件的編程開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行編程，完成圖象顯示、采集和處理，并提供豐富的人機(jī)對(duì)話操作，其中使用了Visual C++與MATLAB接口函數(shù)編程技術(shù)構(gòu)建三維波相差與波面面形。
處理步驟為(1)在干涉圖中選取一行圖象點(diǎn)進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)，取絕對(duì)值，計(jì)算圖象頻譜；(2)利用窗口函數(shù)選擇一級(jí)譜進(jìn)行傅立葉逆變換，計(jì)算其實(shí)部和虛部之比，取反正切獲得相位并進(jìn)行相位去包裹操作；(3)對(duì)波相差進(jìn)行數(shù)值積分并循環(huán)操作，得到三維波面面形。
權(quán)利要求
1.一種小型在線徑向剪切干涉儀，包括激光器、透鏡、位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其特征在于該干涉儀中He-Ne激光器(1)、空間濾波器(2)、準(zhǔn)直透鏡(3)、平面反射鏡(4)、分光棱鏡(5)、被測(cè)非球面鏡(6)、凸面鏡(7)在一條光路中順序排列；分光棱鏡(5)、被測(cè)非球面鏡(6)、凸面鏡(7)、波帶板(8、9)、濾光片(10)、可變光闌(11)、成象透鏡(12)、CCD攝象機(jī)(13)在分光棱鏡(5)分出的另一條光路中順序排列；其中空間濾波器(2)、凸面鏡(7)、波帶板(8)、可變光闌(11)上均設(shè)有位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以上各部分均設(shè)置在同一塊底版上。
2.一種用于權(quán)利要求1的小型在線徑向剪切干涉儀的測(cè)量非球面的方法，其特征在于其方法步驟為(1)調(diào)節(jié)徑向剪切干涉儀a將具有高面形精度的凸面鏡(7)置于被測(cè)非球面透鏡(6)后，并滿足凸面鏡(7)的曲率中心與被測(cè)非球面透鏡(6)的焦點(diǎn)重合；b光束經(jīng)過被測(cè)非球面透鏡(6)后被凸面鏡(7)反射按原路返回，反射光束被兩波帶板(8、9)剪切，經(jīng)CCD攝象機(jī)(13)成象；c調(diào)節(jié)儀器位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)得到水平調(diào)制和垂直調(diào)制的干涉條紋；d調(diào)節(jié)CCD攝象機(jī)(13)鏡頭的焦距和光圈得到不同大小和對(duì)比度的條紋圖象；(2)處理剪切干涉圖象的和重建三維波相差a一維傅立葉變換b對(duì)采集的干涉圖中選取一行，進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)，取絕對(duì)值，計(jì)算圖象頻譜；c利用窗口函數(shù)選擇一級(jí)譜進(jìn)行傅立葉逆變換，反正切求位相d計(jì)算其實(shí)部和虛部之比，取反正切獲得相位并進(jìn)行相位去包裹操作；e對(duì)波相差進(jìn)行數(shù)值積分并循環(huán)操作，得到三維波面面形。
全文摘要
小型在線徑向剪切干涉儀及其測(cè)量非球面的方法涉及一種光學(xué)精密測(cè)量?jī)x器及其測(cè)量方法，該干涉儀中He－Ne激光器1、空間濾波器2、準(zhǔn)直透鏡3、平面反射鏡4、分光棱鏡5、被測(cè)非球面鏡6、凸面鏡7在一條光路中順序排列；分光棱鏡5、被測(cè)非球面鏡6、凸面鏡7、波帶板8、9、濾光片10、可變光闌11、成象透鏡12、CCD攝象機(jī)13在分光棱鏡5分出的另一條光路中順序排列；其中空間濾波器2、凸面鏡7、波帶板8、可變光闌11上均設(shè)有位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以上各部分均設(shè)置在同一塊底版上。其測(cè)量方法步驟為(1)調(diào)節(jié)徑向剪切干涉儀(2)處理剪切干涉圖象的和重建三維波相差。
文檔編號(hào)G06T15/00GK1529120SQ20031010600
公開日2004年9月15日 申請(qǐng)日期2003年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月8日
發(fā)明者王鳴, 張斌, 聶守平, 談蘇慶, 王 鳴 申請(qǐng)人:南京師范大學(xué)