[发明专利]一种测量膜基反射镜三维面形的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维面形的光学测量方法，具体涉及一种基于正交条纹反射的膜基反射镜的三维面形测量方法。

背景技术

随着空间技术的迅猛发展，迫切要求空间光学望远镜系统具有大口径、超轻型、制造周期短、研发成本相对低廉等特点。与其他传统的反射镜相比，空间薄膜反射镜以柔性薄膜材料为基胚，具有可折叠和展开、重量轻以及成本低等特点，在研制大口径、超轻型空间望远镜系统领域具有传统光学系统制造技术无法比拟的优势。由于膜基反射镜本身的特点，如对环境敏感、质薄等，使得其面形不能用常规的面形检测方法进行检测。

目前膜基反射镜的面形检测方法主要有三类，一是采用标准波面照射膜基反射镜后，取其反射光，利用波前传感器对反射光波前进行分析，计算波前和Zernike系数，得出反射镜面形参数。二是对口径较小的膜基反射镜采用干涉检验方法进行面形检测，如采用干涉仪、莫尔条纹进行检测。三是利用反射镜对物体成像，由成像质量的来评价反射镜面形的好坏。然而以上方法都具有一定的局限性，如需要专门的软件、成本高、不能用于较大口径的反射镜检测等。

对于镜面反射物体的面形检测，除了以干涉检测法为主的传统方法外，又提出了用条纹反射的方法检测面形。文献“Practical three-dimensional computer vision techniques for full-field surface measurement”[Opt.Eng，2000，39(1)：143～149]和“High-resolution 3D shape measurement on specular surfaces by fringe reflection”[Proc.SPIE，2004，5457：411～422]公开了采用条纹反射技术对镜面反射物体进行面形检测的方法。该方法对检测刚性材料为基胚的反射镜具有较好的效果，但由于该方法采用四步相移法分别计算正交两方向的相位，共需采集十六幅图像，实时性较差，而薄膜本身具有质薄、易受空气扰动影响的特性决定了该方法用于膜基反射镜面形检测的局限性。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的不足，提供一种简单、方便、实时性好的膜基反射镜三维面形的测量方法。

本发明所采用的技术方案是：一种测量膜基反射镜三维面形的方法，包括以下步骤：

1、将由计算机编程产生的正交复合条纹通过输入端口显示在液晶显示器平面上，由CCD采集得到的显示器平面上的条纹图像信号反馈到计算机，并依此调整显示器上的条纹周期和对比度；

2、CCD采集一幅被标准平面反射镜反射后的复合条纹图像，输入计算机并存储；再采集一幅被待测膜基反射镜反射后的复合条纹图像，输入计算机并存储；

3、采用傅立叶变换轮廓术分别提取被标准反射镜反射后的复合条纹的正交两个方向上的基频，计算出包裹相位，对这两个方向的包裹相位进行相位展开；采用傅立叶变换轮廓术分别提取被膜基反射镜反射的复合条纹的正交两个方向上的基频，计算出包裹相位，对这两个方向的包裹相位进行相位展开；

4、依据膜基反射镜的相位和标准平面反射镜的相位，得到由膜基反射镜面形引起的相位变化，建立膜基反射镜面的相位变化与反射镜面形的关系模型，得到膜基反射镜正交两个方向上的梯度；

5、采用自适应光学中的区域波前重构法进行面形重构，即可得到膜基反射镜的三维面形。

在本发明技术方案中，采用同频率正交复合条纹，目的是得到膜基反射镜正交两方向上的梯度，提高面形测量的简易性和实时性；CCD成像采用针孔成像模型，目的是获得更加准确的相位变化和反射镜面形的关系模型，提高膜基反射镜面形测量的精度。

在本发明中，测量系统包括液晶显示器、标准平面反射镜、CCD、图像采集卡及计算机等；液晶显示器平面、标准平面反射镜的基面、CCD的成像面均垂直于水平面；液晶显示器平面与标准平面反射镜的基面成45度角；CCD的成像面与液晶显示器平面垂直，与标准平面反射镜基面成45度角。

与现有技术相比，本发明所述的技术方案具有以下明显的进步和优点：

1、本发明以正交复合条纹进行投影，采用傅立叶变换轮廓术分别得到正交两个方向上的相位变化，只需分别采集被标准平面反射镜和膜基反射镜反射的条纹图像各一幅就可计算出变化的相位，而现有技术采用的四步相移法则要在正交两个方向上各采集四幅图像才能计算出变化的相位，因此，本发明具有简单方便、实时性好的特点；同时，克服了采集多幅图像过程中空气扰动对测量结果的影响，提高了测量的准确性。