一种光学自由曲面全频段像差检测系统及检测方法技术方案

一种光学自由曲面全频段像差检测系统及检测方法，涉及光学自由曲面检测领域，解决现有光学自由曲面检测中动态范围与检测精度不可兼得的矛盾和光学自由曲面的检测难点。包括中高频段像差检测系统和低频像差检测系统；所述中高频段像差检测系统包括待测镜、发光屏和CCD相机；CCD相机包括焦平面、相机透镜和针孔；低频像差检测系统包括成像透镜、分光棱镜、可调节光阑、光纤激光器、会聚透镜、成像相机和电动平移台；本发明专利技术采用了基于计算机辅助反向哈特曼测量方法和相位恢复方法，具有测量精度高，测量斜率的动态范围大，而且空间分辨率高，可以测量干涉仪和哈特曼检测无法测量的大数值斜率问题。

An optical free-form surface all band aberration detection system and method

【技术实现步骤摘要】
一种光学自由曲面全频段像差检测系统及检测方法
本专利技术涉及光学自由曲面检测领域，具体涉及一种高精度、大测量范围、结构简单、低成本、光学自由曲面全频段像差检测系统与方法。
技术介绍
对比于传统的球面和非球面，光学自由曲面对像差校正和控制光线方向有着更大的自由度，并且能够简化光学系统，使其结构更加紧凑的同时，具有更高的光学性能。由于光学自由曲面是一类非轴对称、不规则、随意构造的曲面，其形状比较复杂，精度要求很高，其没有一个明确的基准面，因此能否实现光学自由曲面的基准面和测量面之间的最佳匹配问题是光学自由曲面检测的关键，光学自由曲面面形精密检测仍是当今科学研究领域的主要障碍，一些关键科学问题和技术瓶颈仍没有得到很好的解决，迄今为止仍没有统一成形的检测技术。目前，光学自由曲面的检测有接触式和非接触式的测量方法。对于高精度的光学表面，采用接触式测量容易划伤表面。非接触式测量法分为干涉法和扫描法，但是一般扫描法的精度都不高，测量范围不大，而且扫描速度慢，实现不了高精度的、快速的、任意的光学自由曲面检测。常用的干涉法有子孔径拼接技术和计算全息(CGH)技术。子孔径拼接技术的子孔径轴向平移和倾斜会极大地降低测量的精确度，子孔径拼接测量面临着拼接测量过程中的误差累积问题。用CGH作为零位补偿器来检测光学自由曲面，当被检面的斜率过大时，作为零位补偿器的CGH的刻线会很密，加工的误差增大，精度下降。而且对自由曲面来说，每测试一个曲面，就需要一个CGH或者零透镜，大大增加了检测的造价。香港理工大学先进光学制造中心李荣彬教授率领的研究小组在自由曲面光学设计和加工方面取得了一定的研究成果，但在光学自由曲面检测方面还没有完善的方法，由于曲面的匹配和拟合，加工面形与设计面形都有问题。清华大学精密仪器系谭峭峰教授的研究小组利用PR技术和CGH技术检测自由曲面光学面形精度，并与干涉方法比较，虽然得到的结果表明了PR技术和CGH技术的可行性，但是检测得到的光学自由曲面面形精度并不高。和本专利技术专利“高精度，大测量范围、结构简单、低成本、光学自由曲面全频段像差检测”相关的报道还没有检索到。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种光学自由曲面全频段像差检测系统及检测方法，以解决光学自由曲面检测中动态范围与检测精度不可兼得的矛盾和光学自由曲面的检测难点。一种光学自由曲面全频段像差检测系统，包括中高频段像差检测系统和低频像差检测系统；所述中高频段像差检测系统包括待测镜、发光屏和CCD相机；所述CCD相机包括焦平面、相机透镜和针孔；所述低频像差检测系统包括成像透镜、分光棱镜、可调节光阑、光纤激光器、会聚透镜、成像相机和电动平移台；所述发光屏上显示的是相移条纹图，经待测镜反射后经CCD相机的针孔、相机透镜后由焦平面接收，所述CCD相机将获得的图像由计算机处理，获得待测镜中高频面形信息；所述光纤激光器发出的光经过可调节光阑入射到分光棱镜，经所述分光棱镜透射的光束经成像透镜后汇聚到待测镜后反射，反射的光束再次经分光棱镜反射，反射光束经会聚透镜会聚在CCD相机上，用于实现基于PR的波前信息测量；所述CCD相机置于电动平移台上，使CCD相机沿光轴方向移动并进行前后位置的调整，获得不同离焦量的图像，并由计算机处理，获得待测镜低频面形信息。一种光学自由曲面全频段像差检测方法，该方法由以下步骤实现：步骤1、对中高频段像差检测系统和低频像差检测系统进行搭建和装调；步骤2、采用装调后的中高频段像差检测系统和低频像差检测系统分别对待测镜进行图像信息的采集；步骤3、采用计算机分别对采集的图像信息进行中高频段和低频段像差进行处理，获得待测镜的面形信息。本专利技术的有益效果：本专利技术所述的检测系统和检测方法采用了一种基于计算机辅助反向哈特曼测量方法和相位恢复(PhaseRetrieval，PR)方法，根据PR对于低阶像差的测量具有较高的精度，而对于高阶像差测量精度较低。计算机辅助反向哈特曼测量方法对于高阶像差的测量具有较高的精度，而对于低阶测量精度较低。本专利技术解决现有技术存在的检测问题，不但增大了检测动态范围，又保证了高阶像差的检测精度，而且能进行全阶像差检测。本专利技术所述的检测系统结构简单，造价便宜，解决了光学自由曲面的波前像差测量问题，测量精度高，测量斜率的动态范围大，而且空间分辨率高，可以测量干涉仪和哈特曼检测无法测量的大数值斜率问题。附图说明图1为计算机辅助反向哈特曼测量方法原理图；图2为计算机辅助反向哈特曼测量方法结构图；图3为计算机辅助反向哈特曼检测标校过程图；图4为中高频段像差检测系统A1的检测流程图；图5为PR光路原理示意图；图6为相位恢复波前传感器测量的实验图；图7为PR方法与计算机辅助反向哈特曼测量方法结合的检测实验装置图。具体实施方式具体实施方式一、结合图1至图7说明本实施方式，一种光学自由曲面全频段像差检测系统，包括中高频段像差检测系统A1和低频像差检测系统A2；所述中高频段像差检测系统A1包括待测镜Q1、发光屏Q2和CCD相机Q3；低频像差检测系统A2包括成像透镜Q7，分束棱镜Q8，可调节光阑Q9，光纤激光器，成像透镜Q11是成像透镜，相机Q12和电动平移台Q13；所述发光屏Q2出射的光线经待测镜Q1反射镜由CCD相机Q3接收，所述CCD相机Q3将获得的图像由计算机Q14处理，得到待测镜Q1的面形信息。从光纤激光器Q10发出的光经过孔径可调节光阑Q9打到棱镜Q8上的光被分成两部分，一部分发出的光不需要考虑，另一部分的平行光经透镜Q7后汇聚到待测镜面Q1上后反射，反射的光束带有相位信息(即像差)，再次由分光棱镜Q8分为两路，其中一路原路返回，另一部分经过会聚透镜Q11会聚在成像相机Q12上，用于实现基于PR的波前测量。成像相机Q12被安置在一个可移动平台Q13上，通过使成像相机Q12沿光轴方向移动和前后位置的调整，得到焦点前后接收不同离焦量的图像由计算机Q14处理,得到待测镜面Q1的面形信息。本实施方式中，成像透镜Q7的口径为25.4mm，分束棱镜Q8的口径为25.4mm，光纤激光器Q10的波长为635nm，NA为0.12，成像透镜Q11的口径为25.4mm。成像相机Q12为大恒图像公司的工业相机，电动平移台Q13为Thorlab公司生产的平移台。本实施方式中，由于中高频段像差检测系统A1难点在于系统的标定，所以先装调好中高频段像差检测系统A1，然后再根据已调好的被测镜Q1来装调低频像差检测系统A2。根据装调的先后顺序阐述中高频段像差检测系统A1和低频像差检测系统A2的具体实施过程：中高频段像差检测系统A1以发光屏作为光源，发光屏Q2上显示的是光强编码的相移条纹图通过待测镜Q1后，经过相机针孔Q4投射到相应的CCD相机的焦平面Q6上，从而得到对应光线的位置，根据光学系统的几何关系计算波前斜率，重构出波前面形，以此计算出波像差。其测量原理如图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学自由曲面全频段像差检测系统，包括中高频段像差检测系统(A1)和低频像差检测系统(A2)；其特征是：所述中高频段像差检测系统(A1)包括待测镜(Q1)、发光屏(Q2)和CCD相机(Q3)；/n所述CCD相机(Q3)包括焦平面(Q6)、相机透镜(Q5)和针孔(Q4)；/n所述低频像差检测系统(A2)包括成像透镜(Q7)、分光棱镜(Q8)、可调节光阑(Q9)、光纤激光器(Q10)、会聚透镜(Q11)、成像相机(Q12)和电动平移台(Q13)；/n所述发光屏(Q2)上显示的是相移条纹图，经待测镜(Q1反射后经CCD相机(Q3)的针孔(Q4)，再经相机透镜(Q5)后由焦平面(Q6)接收，所述CCD相机(Q3)获得的图像由计算机(Q14)处理，获得待测镜(Q1)中高频面形信息；/n所述光纤激光器(Q10)发出的光经过可调节光阑(Q9)入射到分光棱镜(Q8)，经所述分光棱镜(Q8)透射的光束经成像透镜(Q7)后汇聚到待测镜(Q1)后反射，反射的光束再次经分光棱镜(Q8)反射，反射光束经会聚透镜(Q11)会聚在成像相机(Q12)上，用于实现基于PR的波前信息测量；/n所述成像相机(Q12)置于电动平移台(Q13)上，使成像相机(Q12)沿光轴方向移动并进行前后位置的调整，获得不同离焦量的图像，并由计算机(Q14)处理，获得待测镜(Q1)低频面形信息。/n...

【技术特征摘要】
1.一种光学自由曲面全频段像差检测系统，包括中高频段像差检测系统(A1)和低频像差检测系统(A2)；其特征是：所述中高频段像差检测系统(A1)包括待测镜(Q1)、发光屏(Q2)和CCD相机(Q3)；
所述CCD相机(Q3)包括焦平面(Q6)、相机透镜(Q5)和针孔(Q4)；
所述低频像差检测系统(A2)包括成像透镜(Q7)、分光棱镜(Q8)、可调节光阑(Q9)、光纤激光器(Q10)、会聚透镜(Q11)、成像相机(Q12)和电动平移台(Q13)；
所述发光屏(Q2)上显示的是相移条纹图，经待测镜(Q1反射后经CCD相机(Q3)的针孔(Q4)，再经相机透镜(Q5)后由焦平面(Q6)接收，所述CCD相机(Q3)获得的图像由计算机(Q14)处理，获得待测镜(Q1)中高频面形信息；
所述光纤激光器(Q10)发出的光经过可调节光阑(Q9)入射到分光棱镜(Q8)，经所述分光棱镜(Q8)透射的光束经成像透镜(Q7)后汇聚到待测镜(Q1)后反射，反射的光束再次经分光棱镜(Q8)反射，反射光束经会聚透镜(Q11)会聚在成像相机(Q12)上，用于实现基于PR的波前信息测量；
所述成像相机(Q12)置于电动平移台(Q13)上，使成像相机(Q12)沿光轴方向移动并进行前后位置的调整，获得不同离焦量的图像，并由计算机(Q14)处理，获得待测镜(Q1)低频面形信息。


2.根据权利要求1所述的一种光学自由曲面全频段像差检测系统，其特征在于：在所述全频段像差检测系统检测之前，需要先进行中高频段像差检测系统(A1)装调，再根据装调后的待测镜(Q1)装调低频像差检测系统(A2)；对中高频段像差检测系统(A1)检测的具体过程为：
步骤a、在所述发光屏(Q2)上生成一组水平和竖直方向的正弦相移条纹图；
步骤b、采用光路挟持与装调系统(A3)将发光屏(Q2)、CCD相机(Q3)和待测镜(Q1)构成的系统进行准直和标定，使CCD相机(Q3)和待测镜(Q1)的光轴重合，且与发光屏(Q2)的屏幕垂直，获得所述发光屏(Q2)、CCD相机(Q3)和待测镜(Q1)的空间位置坐标，将CCD相机(Q3调焦在待测镜(Q1)的表面，采用计算机辅助优化模块(A4)进行标定误差的有效校正；获得标定测量的发光屏(Q2)、针孔(Q4)和待测镜(Q1)之间的距离；
步骤c、采用CCD相机(Q3)拍下经待测镜(Q1)偏折后的发光屏(Q2)上显示的相移条纹图，移去待测镜(Q1)后再拍一组水平和竖直相移条纹图作为参考；
步骤d、将拍到的相移条纹图采用计算机辅助优化模块(A4)进行相位展开、计算斜率并恢复波前，根据恢复的待测镜面形信息分析波前像差。


3.根据权利要求2所述的一种光学自由曲面全频段像差检测系统，其特征在于：对低频像差检测系统(A2)装调的过程为：

【专利技术属性】
技术研发人员：马鑫雪，王建立，刘欣悦，王斌，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22