[发明专利]一种透射元件像差的高精度大动态范围测量系统及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其是涉及一种基于光学偏折术对透射元件像差测量的系统及测量方法。

背景技术

透射元件在光学元件和工业产品具有不可或缺的地位。其在成像光学、照明光学、透射玻璃和透明玻璃均有广泛应用。随着工业生产发展和科研技术的进步，对透射元件加工误差检测的要求也不断的提高。目前检测的方法主要有：干涉测量法和几何光线检测法。干涉测量法，作为一种亚波长级的光学测量方法得到了广泛应用。常见的干涉测量仪如菲佐干涉仪、泰曼格林干涉仪和点衍射干涉仪等，提供了一种非接触式的高精度透射表面检测。但其测量的动态范围是有限的，通常只有几个波长，且系统的设计、制造和校准都具有很高的要求，使得干涉测量非常的昂贵和不便。利用干涉法测量，测量过程较为复杂，且无法完成大动态范围的测量。在几何光线检测方法中，哈特曼检验方法与朗奇检验方法在面型检测中的应用较为成熟。中国专利申请公布号CN102636131A，申请公布日2012年8月15日，名称为“用于微小非球面加工的在位测量装置”的发明专利公布文件，就是一种光学三维测量装置。它有计算机，其特征在于，可配置双屏显卡、图像采集卡，与CCD镜头兼容：普通液晶显示器，其特征在于，与计算机相连接，可独立显示条纹图：CCD镜头，其特征在于具有较小的F数，可清晰拍摄离焦条纹图：模具，其特征在于小口径非球面模具样品，表面光滑：变频条纹图处理软件，其特征在于，用于处理变频条纹图，可实现任意组变频条纹的处理。但是由于该装置的局限性，它的测量动态范围小。

发明内容

为了解决现有技术中非接触式的高精度透射元件表面检测的动态范围小、测量过程复杂、测量设备昂贵的技术问题，本发明提供一种在干涉测量法和几何光线检测方法中，实现高精度大测量动态范围的透射元件像差检测系统及测量方法。

本发明的技术方案是：一种透射元件像差的高精度大动态范围测量系统，它包括显示器、待测透射元件、CCD相机、三坐标测量机和计算机，显示器的显示屏与CCD相机的镜头面对面布置，待测透射元件位于显示器与CCD相机之间，且CCD相机能够获得待测透射元件的完整成像，计算机预存有显示x方向和y方向的四步90°移相正弦直条纹的程序，且能控制该条纹在所述显示器的显示屏显示，显示器显示的该条纹发出的光穿过待测透射元件被CCD相机获得形成逆向哈特曼检验光路的光学偏折光路系统，三坐标测量机用于对光学偏折光路系统的几何结构位置参数预标定，计算机分别与显示器、CCD相机和三坐标测量机电连接。检测设备实现通用化，设备数量少，降低了系统搭建和使用的难度，提高测量效率。

作为优选，CCD相机前端设有滤光孔板，滤光孔板设有直径为1—2mm的滤光孔，滤光孔板贴紧CCD相机镜头；滤除杂光提高检测精度。

作为优选，三坐标测量机测量精度为微米量级；设备精度要求低，操作简单，效率高。

一种透射元件像差的高精度大动态范围测量系统的测量方法，三坐标测量机预标定光学偏折光路系统的几何结构位置参数；显示器显示x方向和y方向的黑白间隔条纹，条纹光线分别透过待测透射元件被CCD相机采集；计算机根据光学偏折的原理，采用四步移相法求解出CCD相机拍摄的条纹对应的相位分布，并得到与相位对应的待测透射元件透射表面上的点投影在CCD相机中的实际光斑坐标值；计算机利用光线追迹法生成理想检验光路系统，并得到与实际光斑坐标值对应的理想光斑坐标值，通过实际光斑坐标值与理想光斑坐标值计算待测透射元件表面加工误差造成的斜率误差，利用积分法得到待测透射元件表面加工误差造成的像差数据。

作为优选，所述理想检验光路系统由计算机软件模拟搭建。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：检测设备实现通用化，设备数量少，降低了系统搭建和使用的难度，操作简单、效率高。无需其他补偿光学元件与标准光学元件，测量系统校准简化，在满足高精度与大动态范围的条件下，降低了检测成本。为透射像差的检测提供了非接触，高精度，大动态范围的测量方法。

附图说明

附图1为本发明光学测量光路示意图；

附图2为透过待测透射元件的正弦条纹图；

附图3为利用四步移相算法求得的相位分布图；

附图4为测得的与图3相位对应的实际光斑分布和光线追迹法得到理想光斑分布图；

附图5为测得的待测透射元件表面加工误差造成的像差结果图。

图中：1-显示器；2-待测透射元件；3-滤光孔板；4-CCD相机。

具体实施方式