[发明专利]基于彩色双频条纹反射的大口径凹镜面面形的测量方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种大口径凹镜面面形的测量技术，特别涉及一种基于彩色双频条纹反射的测量方法及其装置，属光学检测技术领域。

背景技术

作为天文望远镜中的核心部件，大口径光学镜面的面形精度直接影响望远镜的工作性能，因而对其检测精度的高低往往决定了加工成型效果的优劣。在传统天文望远镜中，光学镜面多为平面、球面或二次曲面。随着光学元件特别是大口径光学镜面加工技术的迅猛发展，多种形状复杂的非球面/自由曲面部件在天文望远镜中得到了应用。这些元件在减少系统光学组件数量的同时能够显著提升望远镜的性能，实现光学系统的轻量化、紧凑化以及高透过率。然而，此类镜面面形的复杂程度（如非旋转对称性、较大的非球面度等）却使传统面形检测方法面临困难，并逐步成为天文望远镜技术发展的瓶颈之一。

目前，对于天文望远镜面形，传统而直接的检测手段为接触/非接触式的三坐标机和轮廓仪。然而其点或线扫的工作方式，使得整个检测过程较长，尤其是对于较大口径的自由曲面光学（类）镜面元件，检测效能不高，且精度有限。虽然基于补偿器（如计算制全息图元件——CGH）的非球面干涉术可达到纳米量级的检测精度，但针对不同面形的光学镜面需要设计和制备相应的波面补偿元件，存在检测通用性弱、成本高的问题。

条纹反射术作为一种全场、高灵敏度、非接触、非相干的光学测量方法，在检测（类）镜面面形时具有较高的灵活性。其系统构成较为简单，一般由显示屏、面阵相机和计算机组成。然而，由于大口径（类）镜面元件尺寸的问题，传统的条纹反射测量系统结构并不完全适用。成三角结构设置的显示屏和面阵相机因其位于被测件镜面法线两侧，存在斜向投影和摄像的问题。此外，传统的条纹反射术需要分别投影显示水平和垂直两个方向的条纹，并且为了获取条纹的绝对相位信息，每个方向通常需要多幅相移的条纹图像，导致测量效率不高。虽然，基于单帧彩色复合光栅条纹反射的镜面三维面形测量方法仅需一幅条纹图像，提高了检测效率，但傅里叶变换的使用却妨碍了绝对相位的获取。更为突出的是，其相应的测量系统结构并不适用于大口径（类）镜面元件的检测。

发明内容

本发明针对现有大口径镜面元件检测技术所存在的不足，提供一种对表面变化复杂的大口径凹镜面物体的三维面形能实现快速、准确检测的测量方法及其装置。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是提供一种基于彩色双频条纹反射的大口径凹镜面面形的测量方法，包括如下步骤：

1、将两个显示屏、合光器件、分束器、待测大口径凹镜面与彩色相机按共光路结构放置，两个显示屏和彩色相机均位于待测镜面的焦平面处，彩色相机聚焦于待测镜面；

2、计算机按条纹图像编码方法沿两个正交方向分别编码生成红色和蓝色双频条纹图像，分别传输至两个显示屏同步显示；显示屏上的显示信号经合光器件输出彩色双频条纹图，由分束器反射至待测镜面表面；待测镜面反射的目标变形条纹图经分束器后由彩色相机接收，传输至计算机；

3、计算机对获得的目标变形条纹图像进行解调，得到与待测镜面面形对应的绝对相位分布；

4、依据步骤3得到的绝对相位分布，结合相位一致性约束和标定的系统结构参数，得到两个正交方向上待测镜面面形的梯度分布；再经积分重构得到待测镜面的三维面形分布。

本发明的一个优选方案是，所述的条纹图像编码方法，采用时域双频唯一性编码方法。具体为采用时域相移双频正弦条纹的唯一性编码方法，在两个显示屏上分别同步显示水平和垂直两个方向上的红色和蓝色相移双频正弦条纹图像，通过合光器件合成相移彩色双频正弦条纹图像。条纹图像编码方法的另一个优选方案是采用时域相移双频正弦条纹的唯一性编码方法，具体为单幅红色或蓝色条纹图中包含同方向的高低两种不同频率的条纹，低频条纹的空间频率为单位基频，高频条纹的空间频率为低频条纹的整数倍；时域相移条纹图像为等步长移相，高频条纹的每步相移量为，低频条纹的每步相移量为，总相移步数；所述的目标变形条纹图像的解调处理方法为采用最小二乘N步相移解调算法，计算得到双频截断相位；经双频相位展开，得到变形的高频条纹图像中与待测镜面面形对应的绝对相位分布。