基于差动彩色共焦技术的自由曲面测量装置及检测方法制造方法及图纸

本发明专利技术基于差动彩色共焦技术的自由曲面测量装置及检测方法，属于光学测量技术领域，解决单一共焦技术无法同时实现高轴向分辨率和大测量范围自由曲面的测量，及普通扫描方式无法同时实现高精度和快速扫描的技术难题，在差动共焦技术的基础上引入彩色共焦技术，保证了差动共焦技术高轴向分辨率的同时，大大地增加了测试范围，利用两个面阵彩色光电探测器分别采集焦点前和焦点后的R、G和B三色光强分布，通过差动计算得到被测自由曲面的轴向坐标，测试中小孔阵列板实现了快速高精度面扫描，如需增加横向分辨率，只需利用压电陶瓷横向移动待测曲面即可实现。

【技术实现步骤摘要】
基于差动彩色共焦技术的自由曲面测量装置及检测方法
本专利技术涉及光学测量
，特别是涉及基于差动彩色共焦技术的自由曲面测量装置及检测方法。
技术介绍
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，不仅能够简化光学系统，使其结构更加紧凑，而且具有更高的光学性能。对于光学自由曲面的检测来说，高轴向分辨率固然重要，因为它直接影响检测精度，但是无论是自由曲面，还是球面的测量，测量范围同样重要。目前，对于自由曲面的检测有很多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。非接触式测量又分为干涉法和扫描法，干涉法的测量精度高，但是对自由曲面来说，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；扫描法有很多种，有干涉式的，也有彩色共焦法，还有差动共焦法等等。彩色共焦法采用复色光源，通过轴向色散获得波长和位移的映射关系，并结合共聚焦光路获得锐利信号和轴向层析能力，省去了传统激光共聚焦显微镜的轴向扫描过程。目前彩色共焦技术已经实现了商用化，德国PRECITEC公司推出了彩色共焦测量系统，采用卤素光源和多透镜光学系统聚焦，量程达到10mm，轴向分辨率14nm。该方法利用不同波长的光聚焦位置不同来测量表面形状，其优点是量程大，缺点是轴向分辨率不高，无法实现高精度检测。差动共焦法将探测器放在针孔前后距离相等的焦前、焦后两路探测器进行离焦探测，对采集到的光强电压信号进行差动处理，大大地改善了共焦显微技术的轴向分辨能力，其轴向分辨率可以实现纳米量级，但是其量程仅仅是1mm，无法实现大范围的自由曲面的检测。另外，大部分共焦测量均是单点或者线扫描，存在机械结构复杂，扫描速度慢等问题。而面扫描常用的Nipkow转盘制作复杂，针孔大小和位置要求严格，光能利用率低，视场小，都会影响测量精度。采用大数值孔径的微透镜阵列替换共焦光学系统中的普通物镜，光束变成了光束阵列，提高了共焦显微系统的光能利用率，具有较高的分辨能力，解决了Nipkow旋转盘视场小的缺点，实现了全场同步测量，因此提高了测量速度，但是此法也存在很多缺点，结构复杂，微透镜制作工艺不完善，轴向测量范围受到限制，信噪比不高，测量精度受到影响。现有的扫描方法很难在实现快速扫描的同时保证扫描精度，对于光学元件来说，检测精度要求比较高，采用干涉检测的方式可以实现纳米量级的检测，但是采用扫描方式的检测却很难实现如此高精度的检测。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，设计了基于差动彩色共焦技术的自由曲面测量装置，并提出了基于差动彩色共焦技术的自由曲面检测方法，解决单一共焦技术无法同时实现高轴向分辨率和大测量范围自由曲面的测量，及普通扫描方式无法同时实现高精度和快速扫描的技术难题。实现本专利技术采用的技术方案之一是：基于差动彩色共焦技术的自由曲面测量装置，它包括：彩色光源1、A聚焦物镜2、照明小孔阵列板3、B聚焦物镜4、A分光棱镜5、彩色物镜6、待测曲面7、B分光棱镜8、C聚焦物镜9、A探测小孔阵列板10、A面阵彩色光电探测器11、D聚焦物镜12、B探测小孔阵列板13、B面阵彩色光电探测器14、计算机18，在所述的A探测小孔阵列板10后方设置A面阵彩色光电探测器11，在所述的B探测小孔阵列板13后方设置B面阵彩色光电探测器14，所述的A面阵彩色光电探测器11和B面阵彩色光电探测器14分别与计算机18电连接；所述的彩色光源1发出光的传播方向依次为：A聚焦物镜2、照明小孔阵列板3、B聚焦物镜4、A分光棱镜5、彩色物镜6，照射在待测曲面7上；在所述的待测曲面7上反射的光传播方向依次为：彩色物镜6、A分光棱镜5、经B分光棱镜8透射、C聚焦物镜9、A探测小孔阵列板10、A面阵彩色光电探测器11；在所述的待测曲面7上反射的光传播方向依次为：彩色物镜6、A分光棱镜5、经B分光棱镜8反射、D聚焦物镜12、B探测小孔阵列板13、B面阵彩色光电探测器14。它还包括：B压电陶瓷17，所述的B压电陶瓷17与待测曲面7固连。实现本专利技术采用的技术方案之二是：基于差动彩色共焦技术的自由曲面检测方法，其特征是，它包括以下步骤：1)搭建光学测量系统：所述的彩色光源1发出光的传播方向依次为：A聚焦物镜2、照明小孔阵列板3、B聚焦物镜4、A分光棱镜5、彩色物镜6，照射在标准平面15上，在所述的标准平面15背面固连A压电陶瓷16；所述标准平面15上反射的光传播方向依次为：彩色物镜6、A分光棱镜5、经B分光棱镜8透射、C聚焦物镜9、A探测小孔阵列板10、A面阵彩色光电探测器11；所述标准平面15上反射的光传播方向依次为：彩色物镜6、A分光棱镜5、经B分光棱镜8反射、D聚焦物镜12、B探测小孔阵列板13、B面阵彩色光电探测器14；所述的A面阵彩色光电探测器11和B面阵彩色光电探测器14分别与计算机18电连接；2)打开所述的彩色光源1，其发出的光经A聚焦物镜2后，照射至照明小孔阵列板3，所述的照明小孔阵列板3将平行光分成若干光束，所述的若干光束经B聚焦物镜4、A分光棱镜5后，由彩色物镜6聚焦到标准平面15上；聚焦在所述标准平面15上的光反射后，再次经过彩色物镜6，经B分光棱镜8后，分成两束光，其中一束透射，经C聚焦物镜9、A探测小孔阵列板10、A面阵彩色光电探测器11；另一束反射，经D聚焦物镜12、B探测小孔阵列板13、B面阵彩色光电探测器14；调整所述A探测小孔阵列板10的位置，使所述经B分光棱镜8透射的光束，经过C聚焦物镜9聚焦至A探测小孔阵列板10的小孔上，调整所述B探测小孔阵列板13的位置，使所述经B分光棱镜8反射的光束，经过D聚焦物镜12聚焦至B探测小孔阵列板13的小孔上；3)沿着所述的透射光束和反射光束方向，分别平移A探测小孔阵列板10和B探测小孔阵列板13，使得A探测小孔阵列板10和B探测小孔阵列板13分别位于焦面对称的前后两处离焦位置+um和-um处；4)调整所述的A面阵彩色光电探测器11的装调位置，经过所述A探测小孔阵列板10的透射光能够被A面阵彩色光电探测器11全部接收；调整所述的B面阵彩色光电探测器14的装调位置，经过所述B探测小孔阵列板13的反射光能够被B面阵彩色光电探测器14全部接收；5)将A面阵彩色光电探测器11和B面阵彩色光电探测器14采集透射光和反射光的离焦R、G、B三色光强信息并送至计算机18；6)利用公式计算出R、G、B三色归一化差动光强；其中Ir、Ig、Ib为R、G、B三色光强信息，u为轴向坐标信息，ΓR(u)、ΓG(u)、ΓB(u)为R、G、B三色归一化差动光强；7)采用A压电陶瓷16等间隔移动标准平面15，得到R、G、B三色归一化差动光强与轴向坐标的关系曲线；8)R，G，B每一个颜色区间对应一个独立的线性响应区间，分别是AB，BC和CD，三个独立的线性测量区间称为可交替工作的扩展区间，系统实际工作区间为AB-BC-CD区间；当测量面由位置A向位置B运动过程中，AB区间为工作本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于差动彩色共焦技术的自由曲面测量装置，它包括：计算机(18)，其特征是，它还包括：彩色光源(1)、A聚焦物镜(2)、照明小孔阵列板(3)、B聚焦物镜(4)、A分光棱镜(5)、彩色物镜(6)、待测曲面(7)、B分光棱镜(8)、C聚焦物镜(9)、A探测小孔阵列板(10)、A面阵彩色光电探测器(11)、D聚焦物镜(12)、B探测小孔阵列板(13)、B面阵彩色光电探测器(14)，在所述的A探测小孔阵列板(10)后方设置A面阵彩色光电探测器(11)，在所述的B探测小孔阵列板(13)后方设置B面阵彩色光电探测器(14)，所述的A面阵彩色光电探测器(11)和B面阵彩色光电探测器(14)分别与计算机(18)电连接；/n所述的彩色光源(1)发出光的传播方向依次为：A聚焦物镜(2)、照明小孔阵列板(3)、B聚焦物镜(4)、A分光棱镜(5)、彩色物镜(6)，照射在待测曲面(7)上；/n在所述的待测曲面(7)上反射的光传播方向依次为：彩色物镜(6)、A分光棱镜(5)、经B分光棱镜(8)透射、C聚焦物镜(9)、A探测小孔阵列板(10)、A面阵彩色光电探测器(11)；/n在所述的待测曲面(7)上反射的光传播方向依次为：彩色物镜(6)、A分光棱镜(5)、经B分光棱镜(8)反射、D聚焦物镜(12)、B探测小孔阵列板(13)、B面阵彩色光电探测器(14)。/n...

【技术特征摘要】
1.基于差动彩色共焦技术的自由曲面测量装置，它包括：计算机(18)，其特征是，它还包括：彩色光源(1)、A聚焦物镜(2)、照明小孔阵列板(3)、B聚焦物镜(4)、A分光棱镜(5)、彩色物镜(6)、待测曲面(7)、B分光棱镜(8)、C聚焦物镜(9)、A探测小孔阵列板(10)、A面阵彩色光电探测器(11)、D聚焦物镜(12)、B探测小孔阵列板(13)、B面阵彩色光电探测器(14)，在所述的A探测小孔阵列板(10)后方设置A面阵彩色光电探测器(11)，在所述的B探测小孔阵列板(13)后方设置B面阵彩色光电探测器(14)，所述的A面阵彩色光电探测器(11)和B面阵彩色光电探测器(14)分别与计算机(18)电连接；
所述的彩色光源(1)发出光的传播方向依次为：A聚焦物镜(2)、照明小孔阵列板(3)、B聚焦物镜(4)、A分光棱镜(5)、彩色物镜(6)，照射在待测曲面(7)上；
在所述的待测曲面(7)上反射的光传播方向依次为：彩色物镜(6)、A分光棱镜(5)、经B分光棱镜(8)透射、C聚焦物镜(9)、A探测小孔阵列板(10)、A面阵彩色光电探测器(11)；
在所述的待测曲面(7)上反射的光传播方向依次为：彩色物镜(6)、A分光棱镜(5)、经B分光棱镜(8)反射、D聚焦物镜(12)、B探测小孔阵列板(13)、B面阵彩色光电探测器(14)。


2.根据权利要求1所述的基于差动彩色共焦技术的自由曲面测量装置，其特征是，它还包括：B压电陶瓷(17)，所述的B压电陶瓷(17)与待测曲面(7)固连。


3.基于差动彩色共焦技术的自由曲面检测方法，其特征是，它包括以下步骤：
1)搭建光学测量系统：
所述的彩色光源(1)发出光的传播方向依次为：A聚焦物镜(2)、照明小孔阵列板(3)、B聚焦物镜(4)、A分光棱镜(5)、彩色物镜(6)，照射在标准平面(15)上，在所述的标准平面(15)背面固连A压电陶瓷(16)；
所述标准平面(15)上反射的光传播方向依次为：彩色物镜(6)、A分光棱镜(5)、经B分光棱镜(8)透射、C聚焦物镜(9)、A探测小孔阵列板(10)、A面阵彩色光电探测器(11)；
所述标准平面(15)上反射的光传播方向依次为：彩色物镜(6)、A分光棱镜(5)、经B分光棱镜(8)反射、D聚焦物镜(12)、B探测小孔阵列板(13)、B面阵彩色光电探测器(14)；
所述的A面阵彩色光电探测器(11)和B面阵彩色光电探测器(14)分别与计算机(18)电连接；
2)打开所述的彩色光源(1)，其发出的光经A聚焦物镜(2)后，照射至照明小孔阵列板(3)，所述的照明小孔阵列板(3)将平行光分成若干光束，所述的若干光束经B聚焦物镜(4)、A分光棱镜(5)后，由彩色物镜(6)聚焦到标准平面(15)上；
聚焦在所述标准平面(15)上的光反射后，再次经过彩色物镜(6)，经B分光棱镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宇，
申请(专利权)人：东北电力大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22