[发明专利]一种条纹投影检测平面元件面形方法及装置

说明书

一种条纹投影检测平面元件面形方法及装置，首先，用张氏标定法求出CCD相机的像素坐标与镜面像素坐标间的映射关系即内外参数矩阵，得到平面元件表面各点的坐标；其次，用相移展开算法对CCD相机拍摄得到的变形正弦条纹图进行相位展开，得到第二显示器上对应变形条纹上各点的坐标；然后，将得到的相机针孔坐标，平面元件表面各点的坐标和第二显示器上对应各点的坐标带入平面元件的斜率计算公式中，得到平面元件表面的斜率数据；最后，用Zernike多项式重建平面元件表面的波前信息。该检测方法的系统结构简单，可实现高精度测量。

技术领域

本发明涉及一种条纹投影检测平面元件面形方法及装置，属于测量技术领域。

背景技术

大多数激光惯性约束聚变装置(ICF)，如美国国家点火装置(NIF),法国的兆焦耳装置和中国的神光III系统，都有相类似的设计原理，许多束百焦耳级的激光束被产生，放大，净化，转换，最终聚焦到一个靶丸上。在实现这些功能的过程中用到了多种大口径光学元件，包括透镜、晶体、变形镜、传输反射镜等。为了实现点火，对这些元件的面形精度提出了十分苛刻的要求，同时，对元件参数检测需要的检测方法也提出了越来越高的要求。

光学三维面形测量方法广泛应用于军事、医学、天文学、文物保护及现代化先进产品等方面。目前，世界上比较流行的检测方法有：静态平面干涉仪，动态偏振相移干涉仪，偏振相移径向剪切干涉仪三种干涉测量方法，Ritchey-Common检测法，扫描五棱镜法，哈特曼子孔径拼接技术，相位测量偏折术。在这些方法中，干涉测量作为一种非接触的高精度光学检测方法已经有超过100年的历史，然而，干涉测量动态范围小，其对环境比较敏感,在元件斜率变化较大的边缘难以得到较好的数据，使其的应用受到了限制。而且大多数干涉测量系统要求光学器件加工并校准到非常高的精度。这使得干涉测量非常不灵活并且价格昂贵。

在三维测量方法中，无论是干涉仪法，Ritchey-Common检测法还是扫描五棱镜法，都难以实现在线检测。为了克服上述不足，本发明提出了一种条纹投影检测平面元件面形方法及装置。

发明内容

本发明的目的是为了对平面元件面形实现高精度的检测，发明了一种条纹投影检测平面元件面形方法及装置，该方法的测量系统结构简单，灵敏度高，无需辅助光学元件，能一次完成全场测量，并且效率很高。

一种条纹投影检测平面元件面形的相位测量偏折术(PMD)测试装置包括：CCD相机、相机针孔、第二显示器、平面元件、计算机、直线导轨、普通显微镜、靶标针尖、第一显示器组成；其中，CCD相机、相机针孔、第二显示器、平面元件、计算机组成检测系统，直线导轨、普通显微镜、靶标针尖、第一显示器组成标定调整系统；相机针孔位于CCD相机镜头最前端，第二显示器所在平面与平面元件所在的平面平行；该设计的优点是：孔径光阑设置符合相机标定的针孔模型，并能准确确定相机针孔的位置坐标，还可消除相机系统的光瞳像差；其次，平面元件所在平面与第二显示器所在平面为平行状态，能准确获得光线反射点“镜像素”的坐标；相位展开得到变形条纹对应第二显示器上各像素点的坐标，从而能计算平面元件表面各像素点处法线的方向。再次，该测试系统容易实现，用直线导轨和普通显微镜可将调整问题中带入的全局面形误差进行控制。

一种条纹投影检测平面元件面形的相位测量偏折术(PMD)测试方法的具体检测步骤如下：

步骤1：实验设备姿态调整和标定参数测量

利用直线导轨和普通显微镜对第一显示器和第二显示器进行位置姿态调整，分别测量相机针孔坐标(x_c,y_c)和靶标针尖的位置坐标；在第二显示器显示标记点，并测量该标记点坐标；

步骤2：CCD相机标定