一種大口徑凹鏡面面形的測(cè)量裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種大口徑凹鏡面面形的測(cè)量裝置，特別涉及一種基于彩色雙頻 條紋反射的測(cè)量裝置，屬光學(xué)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為天文望遠(yuǎn)鏡中的核心部件，大口徑光學(xué)鏡面的面形精度直接影響望遠(yuǎn)鏡的工 作性能，因而對(duì)其檢測(cè)精度的高低往往決定了加工成型效果的優(yōu)劣。在傳統(tǒng)天文望遠(yuǎn)鏡中， 光學(xué)鏡面多為平面、球面或二次曲面。隨著光學(xué)元件特別是大口徑光學(xué)鏡面加工技術(shù)的迅 猛發(fā)展，多種形狀復(fù)雜的非球面/自由曲面部件在天文望遠(yuǎn)鏡中得到了應(yīng)用。這些元件在 減少系統(tǒng)光學(xué)組件數(shù)量的同時(shí)能夠顯著提升望遠(yuǎn)鏡的性能，實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的輕量化、緊湊 化以及高透過(guò)率。然而，此類(lèi)鏡面面形的復(fù)雜程度(如非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性、較大的非球面度等)卻 使傳統(tǒng)面形檢測(cè)方法面臨困難，并逐步成為天文望遠(yuǎn)鏡技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。
[0003] 目前，對(duì)于天文望遠(yuǎn)鏡面形，傳統(tǒng)而直接的檢測(cè)手段為接觸/非接觸式的三坐標(biāo) 機(jī)和輪廓儀。然而其點(diǎn)或線掃的工作方式，使得整個(gè)檢測(cè)過(guò)程較長(zhǎng)，尤其是對(duì)于較大口徑的 自由曲面光學(xué)(類(lèi)）鏡面元件，檢測(cè)效能不高，且精度有限。雖然基于補(bǔ)償器(如計(jì)算制全息 圖元件一一CGH)的非球面干涉術(shù)可達(dá)到納米量級(jí)的檢測(cè)精度，但針對(duì)不同面形的光學(xué)鏡面 需要設(shè)計(jì)和制備相應(yīng)的波面補(bǔ)償元件，存在檢測(cè)通用性弱、成本高的問(wèn)題。
[0004] 條紋反射術(shù)作為一種全場(chǎng)、高靈敏度、非接觸、非相干的光學(xué)測(cè)量方法，在檢測(cè) (類(lèi))鏡面面形時(shí)具有較高的靈活性。其系統(tǒng)構(gòu)成較為簡(jiǎn)單，一般由顯示屏、面陣相機(jī)和計(jì)算 機(jī)組成。然而，由于大口徑(類(lèi)）鏡面元件尺寸的問(wèn)題，傳統(tǒng)的條紋反射測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并不 完全適用。成三角結(jié)構(gòu)設(shè)置的顯示屏和面陣相機(jī)因其位于被測(cè)件鏡面法線兩側(cè)，存在斜向 投影和攝像的問(wèn)題。此外，傳統(tǒng)的條紋反射術(shù)需要分別投影顯示水平和垂直兩個(gè)方向的條 紋，并且為了獲取條紋的絕對(duì)相位信息，每個(gè)方向通常需要多幅相移的條紋圖像，導(dǎo)致測(cè)量 效率不高。雖然，基于單幀彩色復(fù)合光柵條紋反射的鏡面三維面形測(cè)量方法僅需一幅條紋 圖像，提高了檢測(cè)效率，但傅里葉變換的使用卻妨礙了絕對(duì)相位的獲取。更為突出的是，其 相應(yīng)的測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并不適用于大口徑(類(lèi)）鏡面元件的檢測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有大口徑鏡面元件檢測(cè)技術(shù)所存在的不足，提供一種對(duì)表面變 化復(fù)雜的大口徑凹鏡面物體的三維面形能實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確檢測(cè)的測(cè)量裝置。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是提供一種大口徑凹鏡面面形的測(cè) 量裝置，它包括兩個(gè)顯示屏、合光器件、分束器、彩色相機(jī)、圖像輸出器和目標(biāo)圖像處理器； 所述的兩個(gè)顯示屏分別位于合光器件的兩個(gè)端面；兩個(gè)顯示屏、合光器件、分束器、待測(cè)大 口徑凹鏡面與彩色相機(jī)形成共光路結(jié)構(gòu)，顯示屏和彩色相機(jī)均位于待測(cè)鏡面的焦平面位 置，彩色相機(jī)聚焦于待測(cè)鏡面；所述的圖像輸出器將沿兩個(gè)正交方向分別編碼的紅色和藍(lán) 色雙頻條紋圖像分別傳輸至兩個(gè)對(duì)應(yīng)的顯示屏上同步顯示，顯示屏上的顯示信號(hào)經(jīng)合光器 件輸出彩色雙頻條紋圖，由分束器反射至待測(cè)鏡面表面；待測(cè)鏡面反射的目標(biāo)變形條紋圖 通過(guò)分束器后由彩色相機(jī)接收，傳輸至目標(biāo)圖像處理器。
[0007] 上述技術(shù)方案中，所述的合光器件為分別透過(guò)/反射紅色和藍(lán)色光信號(hào)的合光棱 鏡。所述的分束器為工作在紅色和藍(lán)色波段的半透半反鏡。所述的彩色相機(jī)為彩色三芯片 面陣CCD(電荷耦合元件)或CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)相機(jī)。所述的顯示屏為L(zhǎng)CD液 晶顯示屏或空間光調(diào)制器（SLM、LC0S)。
[0008] 采用本實(shí)用新型提供的大口徑凹鏡面面形的測(cè)量裝置，測(cè)量方法包括如下步驟：
[0009] 1、將兩個(gè)顯示屏、合光器件、分束器、待測(cè)大口徑凹鏡面與彩色相機(jī)按共光路結(jié)構(gòu) 放置，兩個(gè)顯示屏和彩色相機(jī)均位于待測(cè)鏡面的焦平面處，彩色相機(jī)聚焦于待測(cè)鏡面；
[0010] 2、圖像輸出器按條紋圖像編碼方法沿兩個(gè)正交方向分別編碼生成紅色和藍(lán)色雙 頻條紋圖像，分別傳輸至兩個(gè)顯示屏同步顯示；顯示屏上的顯示信號(hào)經(jīng)合光器件輸出彩色 雙頻條紋圖，由分束器反射至待測(cè)鏡面表面；待測(cè)鏡面反射的目標(biāo)變形條紋圖經(jīng)分束器后 由彩色相機(jī)接收，傳輸至目標(biāo)圖像處理器；
[0011] 3、目標(biāo)圖像處理器對(duì)獲得的目標(biāo)變形條紋圖像進(jìn)行解調(diào)，得到與待測(cè)鏡面面形對(duì) 應(yīng)的絕對(duì)相位分布；
[0012] 4、依據(jù)步驟3得到的絕對(duì)相位分布，結(jié)合相位一致性約束和標(biāo)定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參 數(shù)，得到兩個(gè)正交方向上待測(cè)鏡面面形的梯度分布；再經(jīng)積分重構(gòu)得到待測(cè)鏡面的三維面 形分布。
[0013] 測(cè)量時(shí)，條紋圖像編碼方法可采用時(shí)域雙頻唯一性編碼方法。具體為采 用時(shí)域相移雙頻正弦條紋的唯一性編碼方法，在兩個(gè)顯示屏上分別同步顯示水平 和垂直兩個(gè)方向上的紅色和藍(lán)色相移雙頻正弦條紋圖像，通過(guò)合光器件合成相移 彩色雙頻正弦條紋圖像。條紋圖像編碼方法的另一個(gè)優(yōu)選方案是采用時(shí)域相移雙 頻正弦條紋的唯一性編碼方法，具體為單幅紅色或藍(lán)色條紋圖中包含同方向的高 低兩種不同頻率的條紋，低頻條紋的空間頻率為單位基頻，高頻條紋的空間頻率為 低頻條紋的整數(shù)倍；時(shí)域相移條紋圖像為等步長(zhǎng)移相，高頻條紋的每步相移量為 沒(méi)，=2不/#:，低頻條紋的每步相移量為,=4#，總相移步數(shù);所述的目標(biāo)變形 條紋圖像的解調(diào)處理方法為采用最小二乘N步相移解調(diào)算法，計(jì)算得到雙頻截?cái)嘞辔?；?jīng) 雙頻相位展開(kāi)，得到變形的高頻條紋圖像中與待測(cè)鏡面面形對(duì)應(yīng)的絕對(duì)相位分布。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：
[0015] 1、本實(shí)用新型提供的大口徑凹鏡面面形的測(cè)量裝置，其測(cè)量方法在繼承了傳統(tǒng)條 紋反射術(shù)固有優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，大幅減少了檢測(cè)表面變化復(fù)雜的(類(lèi)）鏡面物體所需的投影顯 示條紋圖像幀數(shù)，有效地提高了測(cè)量效率，克服了現(xiàn)有的基于單幀彩色復(fù)合光柵條紋反射 的鏡面三維面形測(cè)量方法只適用于面形變化相對(duì)簡(jiǎn)單的(類(lèi)）鏡面物體的問(wèn)題。
[0016] 2、測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)了不同顏色的水平和垂直條紋的復(fù)合編碼與分離獲取，從硬件上 有效地避免了現(xiàn)有的單顯示屏和相機(jī)結(jié)構(gòu)存在的顏色串?dāng)_（Colourcross-talk)問(wèn)題，提 高了面形檢測(cè)的精度。
[0017] 3、測(cè)量裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、無(wú)中心遮攔，測(cè)量速度快、精度高、動(dòng)態(tài)范圍大， 特別適用于針對(duì)表面變化復(fù)雜的大口徑凹(類(lèi)）鏡面物體的三維面形測(cè)量。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種基于彩色雙頻條紋反射的大口徑凹(類(lèi))鏡面 面形的測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種基于彩色雙頻條紋反射的大口徑凹(類(lèi))鏡面 面形的測(cè)量裝置中合光器件(合光棱鏡）的光譜透過(guò)/反射率曲線示意圖。
[0020] 其中：1、顯示屏；2、合光器件(合光棱鏡);3、分束器；4、待測(cè)大口徑(類(lèi))鏡面物體； 5、彩色三芯片相機(jī)；6、數(shù)據(jù)傳輸控制連接線；7、計(jì)算機(jī)。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型所述的測(cè)量裝置作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0022] 實(shí)施例1
[0023] 參見(jiàn)附圖1