[发明专利]大口径平面光学元件面形的子孔径拼接检测技术及装置

说明书

本发明提出了一种大口径平面光学元件面形的子孔径拼接检测技术及装置。使用该技术测量光学元件时，基本器件包括多个针孔摄像机，平面光学元件，显示器组成。在显示器上显示一系列正弦编码的周期变化的条纹图，经过被测面反射后被多个针孔相机同时采集。为避免后表面反射光的干扰，使用谱估计算法计算反射光线在显示器平面的坐标，并引入一个光线追迹求参考坐标面为参照的方法来实现参考面和被测面的精确复位，从而扣除测试系统系统误差。多相机得到的斜率数据采用子孔径拼接算法得到被测全孔径上的斜率分布，进而积分得到大口径平面光学元件面形分布。设计的测试装置结构简单，抗震能力好，测试精度高，能为大口径平面光学元件在线检测提供一种新思路。

技术领域

本发明涉及一种相位测量偏折术(PMD,Phase Measuring Deflectometry)进行光学元件面形检测的技术领域，特别是一种基于子孔径拼接技术(Sub-aperture Stitching)实现大口径平面光学元件面形精密检测的相位测量偏折术。

背景技术

干涉测量技术作为一种可行并常用的非接触，高精度的表面检测技术已有一个世纪的历史。其被广泛应用的原因主要有：(1)测量中高度相位映射关系简单直接，(2)由于测量的对象由波长进行度量，使得它有很高的测量精度。但其测量大口径元件面形时，对环境要求非常苛刻，通常需要在控制的实验室环境才能进行准确检测，对元件在线状态和相应变化过程的精密检测非常困难，在测量自由曲面时通常需要补偿镜或者CGH，使得干涉测量术非常不灵活并且价格昂贵。因此，科研工作者对不同的方法进行了研究。一种可行的思路是测量光束进入反射面之后的光束偏折，从而得出反射面的面形。基于这种偏折术原理的方法有傅科刀口边缘检测法以及夏克-哈特曼传感器。最近提出的可以实现高分辨率全场测量的方法为相位测量偏折术(Phase measuring deflectometry),该方法是基于光栅反射法的原理，而使用相移条纹对二值光栅替换(International Society for Optics andPhotonics,2004: 366-376.)，具有非常高的灵敏度和比拟于干涉方法的精度，而且可用于工作环境，动态范围大，能实现在线光学元件面形的精密检测。与该方法相类似，但有不同的命名的方法有：美国亚利桑那光学中心提出的SCOTS,该方法将偏折术与哈特曼测量方法进行了比较，提出了 SCOTS的本质为逆哈特曼光学测试方法(Software configurableoptical test system)(Appl. Opt.2010,49(23),4404-4412.)；其他命名有结构光反射、条纹反射；或者直接命名为偏折术。

偏折术易于实现，并且成本低廉。它的发展也得益于现有技术的进步，比如，计算机控制显示器来产生条纹的技术，摄像机标定技术等，但现在它多用于具有曲率中心的球面或非球面元件面形检测，以及小口径平面元件面形检测。

使用相位测量偏折术对大口径平面光学元件进行测量时，存在三个方面的问题。(1)被测件的大尺寸要求投影条纹的显示器尺寸足够大，此时显示器的平整度难以保证，并且本身的重力会导致显示器变形。

(2)通常选用标准参考平面镜镜来扣除系统误差，然而被测平面元件如果和参考平面存在复位误差时，二者的系统误差不再恒定。(3)如果待测元件的前后表面都有条纹反射，这时会出现前后表面反射条纹的混叠。这三个方面的问题都会严重影响测试精度。

针对以上3个方面的问题，提出使用多相机采集方法和子孔径拼接相位测量偏折术测量大口径平面光学元件面形，避免了大尺寸显示器的使用。借助参考面辅助调整方法，使得被测平面元件和参考元件精确复位，从而扣除系统误差，同时使用谱估计算法分离后表面反射干扰来提高测试精度。

发明内容