大口徑平面光學元件面形的子孔徑拼接檢測技術及裝置的制作方法
本發明涉及一種相位測量偏折術(pmd,phasemeasuringdeflectometry)進行光學元件面形檢測的技術領域，特別是一種基于子孔徑拼接技術(sub-aperturestitching)實現大口徑平面光學元件面形精密檢測的相位測量偏折術。
背景技術：
干涉測量技術作為一種可行并常用的非接觸，高精度的表面檢測技術已有一個世紀的歷史。其被廣泛應用的原因主要有：(1)測量中高度相位映射關系簡單直接，(2)由于測量的對象由波長進行度量，使得它有很高的測量精度。但其測量大口徑元件面形時，對環境要求非常苛刻，通常需要在控制的實驗室環境才能進行準確檢測，對元件在線狀態和相應變化過程的精密檢測非常困難，在測量自由曲面時通常需要補償鏡或者cgh，使得干涉測量術非常不靈活并且價格昂貴。因此，科研工作者對不同的方法進行了研究。一種可行的思路是測量光束進入反射面之后的光束偏折，從而得出反射面的面形。基于這種偏折術原理的方法有傅科刀口邊緣檢測法以及夏克-哈特曼傳感器。最近提出的可以實現高分辨率全場測量的方法為相位測量偏折術(phasemeasuringdeflectometry),該方法是基于光柵反射法的原理，而使用相移條紋對二值光柵替換(internationalsocietyforopticsandphotonics,2004:366-376.)，具有非常高的靈敏度和比擬于干涉方法的精度，而且可用于工作環境，動態范圍大，能實現在線光學元件面形的精密檢測。與該方法相類似，但有不同的命名的方法有：美國亞利桑那光學中心提出的scots,該方法將偏折術與哈特曼測量方法進行了比較，提出了scots的本質為逆哈特曼光學測試方法(softwareconfigurableopticaltestsystem)(appl.opt.2010,49(23),4404-4412.)；其他命名有結構光反射、條紋反射；或者直接命名為偏折術。
偏折術易于實現，并且成本低廉。它的發展也得益于現有技術的進步，比如，計算機控制顯示器來產生條紋的技術，攝像機標定技術等，但現在它多用于具有曲率中心的球面或非球面元件面形檢測，以及小口徑平面元件面形檢測。
使用相位測量偏折術對大口徑平面光學元件進行測量時，存在三個方面的問題。(1)被測件的大尺寸要求投影條紋的顯示器尺寸足夠大，此時顯示器的平整度難以保證，并且本身的重力會導致顯示器變形。
(2)通常選用標準參考平面鏡鏡來扣除系統誤差，然而被測平面元件如果和參考平面存在復位誤差時，二者的系統誤差不再恒定。(3)如果待測元件的前后表面都有條紋反射，這時會出現前后表面反射條紋的混疊。這三個方面的問題都會嚴重影響測試精度。
針對以上3個方面的問題，提出使用多相機采集方法和子孔徑拼接相位測量偏折術測量大口徑平面光學元件面形，避免了大尺寸顯示器的使用。借助參考面輔助調整方法，使得被測平面元件和參考元件精確復位，從而扣除系統誤差，同時使用譜估計算法分離后表面反射干擾來提高測試精度。
技術實現要素：
本發明要解決的技術問題是提供一種子孔徑拼接相位測量偏折術實現大口徑平面光學元件面形檢測的方法及裝置。針對傳統相位測量偏折術中需要大尺寸顯示器、復位精度難以保證，采集到的條紋易受到后表面干擾等缺點，通過引入多相機采集，參考坐標面輔助調整和譜估計算法分離前后表面干擾有效的克服了原有技術的缺點。本方法很好的融合了相位測量偏折術，子孔徑拼接技術，譜估計算法等原有技術的優勢。具有結構簡單，抗環境振動能力強，測量動態范圍大，測試精度高等特點。
本發明要解決上述技術問題采用的技術方案是：使用相位測量偏折術測量光學元件時，其中基本器件包括針孔攝像機，待測平面光學元件和顯示器。在顯示器上顯示正弦編碼的條紋圖，經過被測面反射后被針孔相機采集，正弦條紋被反射鏡的面形調制而發生變形。根據條紋的變形量便可得知被測面的面形。
傳統的偏折術使用相移算法得出顯示器像素點坐標(xs,ys)，然而，當后表面也有反射時，前后表面的條紋將會疊加，得到疊加條紋，這時采用傳統的相移計算方法會帶來比較大的測量誤差。一種方法是對待測光學元件做黑化或粗糙化處理，以避免后表面反射對條紋相位提取的干擾，但這導致了測量過程繁瑣，甚至光學表面的損壞，所以本發明使用了譜估計算法來代替傳統的相移算法計算(xs,ys)。在用顯示器投影正弦條紋后，把待測光學元件后表面反射的信號看作干擾項，由ccd探測到的光強信號可看成是有用信號和干擾信號之和。那么，pmd計算斜率需要的顯示器投影點的歸一化位置信息可以看作是兩個周期信號的頻率，后表面反射引起的干擾信號的算法分離問題實質上就是兩個周期信號的分離問題。
具體實現過程為：拍攝一系列周期等間隔變化的條紋；提取單像素點的一組光強值，作為待分析的(包含兩個周期分量的)信號；計算功率譜密度(psd)，分析其中的頻譜成分，最后乘以屏幕寬度(高度)即可得到顯示器投影點坐標。然后采用非線性無約束最優化算法中的直接搜索法，對譜估計法計算出的顯示器投影點坐標進行優化，最終得到顯示器像素坐標。
使用以上方法可以解決后表面反射干擾的問題，然而，相位測量偏折術對系統標定誤差非常敏感。通常采用比待測元件面形精度更高的參考元件來扣除系統誤差，為了使參考元件和被測元件達到很好的復位精度，本發明引入一個高精度調整待測元件的方法實現準確復位。它是基于利用標定得到的(xm,ym)坐標，再通過數學方法建立一個位于顯示器平面上的理想坐標面(xs_ideal,ys_ideal)。使用譜估計算法得出的顯示器面上求出的坐標和理想坐標面內的坐標比較，反復多次對光學元件位置姿態進行調整，使得二者的差盡可能小，以達到理想的復位精度。
使用多相機采集系統完成子孔徑數據測量，然后將子孔徑上的斜率使用拼接算法完成數
據拼接，從而實現大口徑平面光學元件面形的檢測。
本發明與現有技術相比其顯著的優點是：
(1)與普通干涉儀相比，本發明是一種非干涉測量方式；能有效抑制環境擾動，測量的動態范圍大，抗振動能力好，結構簡單成本低廉，并且有望成為一種實現在線檢測的方法。
(2)與哈特曼子孔徑拼接方法相比，哈特曼的分辨率受到微透鏡陣列大小和個數的影響，而本發明的分比率只取決于相機的分辨率。并且在相鄰子孔徑上重疊數據點較多，可減小重疊區域內數據點少而由拼接引入的誤差。
(3)與傳統的相位測量偏折術相比，本發明有三個方面的優勢：不需要對平面光學元件后面鍍膜或者涂黑，而使用多頻條紋投影的方法實現前后表面的信號分離，使測量過程變得簡單；使用簡單的調整方法使參考鏡和被測鏡精確復位，從而避免使用一些昂貴的調整設備；使用多相機采集搭建子孔徑拼接系統，而不使用平移臺等設備實現數據拼接，從而提高測量精度。
附圖說明
圖1是基于相位測量偏折術測量平面光學元件測量原理示意圖。
圖2是多相機相位測量偏折術采集系統結構示意圖。
圖3是被測面子孔徑分布情況示意圖。
圖4是設計的大口徑光學元件子孔徑拼接裝置圖。
具體實施方式
下面結合附圖通過實例對本發明進行詳細說明。有必要在此指出的是，以下實施例只用于本發明做進一步的說明，不能理解為對本發明保護范圍的限制，該領域技術熟練人員根據上述本發明內容對本發明做出一些非本質的改進和調整，仍屬于本發明的保護范圍。
本發明包括多個相機組成圖像采集系統，其中一路相機相位測量偏折術原理如圖1所示，其基本器件包括針孔攝像機1，平面光學元件2，顯示器3。在商用顯示器3上顯示正弦編碼的條紋圖，經過被測面2反射后被針孔相機1采集，正弦條紋被反射鏡的面形調制而發生變形。根據條紋的變形量便可得知被測面的面形。公式(1)給出在圖中待測點的斜率值的計算方法。(xm,ym)是ccd像素對應的被測面上的坐標。(xs,ys)是顯示器上被點亮像素的坐標，(xc,yc)是ccd相機針孔的位置坐標。dm2s和dm2c是被測面位置到對應顯示器像素點和攝像機孔徑的距離；zm2s和zm2c是被測面頂點到光源和攝像機孔徑的z方向距離。
ccd針孔位置(xc,yc)可以直接測量得到，ccd像素對應被測面上點m的坐標(xm,ym)可以由機器視覺的方法標定得出。如果能夠獲得顯示器像素點坐標(xs,ys)后，便可利用公式(1)計算得到被測表面2的斜率分布。使用southwell算法或者zernike多項式擬合的算法就可以得到被測面面形。
傳統的偏折術使用相移算法得出顯示器像素點坐標(xs,ys)，然而，當后表面也有反射時，前后表面的條紋將會疊加，得到疊加條紋4，這時采用傳統的相移計算方法會帶來比較大的測量誤差。一種方法是對待測光學元件2做黑化或粗糙化處理，以避免后表面反射對條紋相位提取的干擾，但這很繁瑣。所以本發明使用譜估計算法來代替傳統的相移算法計算(xs,ys)。
(1)譜估計方法計算(xs,ys)
在用顯示器投影正弦條紋后，如果把待測光學元件后表面反射的信號看作干擾項，由ccd探測到的光強信號可表示為：
iobs(k)＝isignal(k)+ijammer(k)(2)其中iobs表示ccd像素點探測到的總光強，isignal表示有用信號，ijammer表示干擾信號(thejammer)，k表示相移步數。
若下標“1”代表有用信號，下標“2”代表干擾信號，結合條紋編碼，以豎條紋為例，公式(2)又可進一步表示為
其中
設ws是屏幕寬度，則歸一化的x坐標為
公式(3)可寫作
ws/p是顯示器上的條紋總數，用τ表示，視為歸一化條紋空間頻率。合并常數項，于是
其中，
如果將τ(條紋空間頻率)看作自變量，那么，pmd計算斜率需要的顯示器投影點的歸一化位置信息
具體實現過程為：拍攝一系列周期等間隔變化的條紋；提取單像素點的一組光強值，作為待分析的(包含兩個周期分量的)信號；計算功率譜密度(psd)，分析其中的頻譜成分，最后乘以屏幕寬度(高度)即可得到顯示器投影點坐標。
譜估計無法達到理想的分離精度。更重要的是，公式(4)所涉及的相位求解問題實際上是一個非線性反演問題，而存在多個頻率分量時，周期圖法本身就是信號功率譜的一個有偏估值。于是，將平均周期圖法的結果作為迭代起點，采用非線性無約束最優化算法中的直接搜索法，對譜估計法計算出的顯示器投影點坐標進行優化，最終得到顯示器像素坐標(xs,ys)。
使用以上方法可以解決后表面反射干擾的問題，然而，相位測量偏折術對系統標定誤差非常敏感。通常采用比待測元件面形精度更高的參考元件來扣除系統誤差，為了使參考元件和被測元件達到很好的復位精度，本發明引入一個對參考坐標面進行高精度調整的方法實現準確復位。
(2)參考面光線追跡調整方法實現準確復位
在測量系統中某z＝zm的平面上，先利用標定技術得到該面內各點的(xm,ym)坐標。然后光線從針孔(xc,yc,zc)出射，經z＝zm面上某點(xm,ym,zm)反射到達顯示器表面，于是就可以在顯示器面上得到該反射點對應的坐標，而z＝zm的平面上所有反射點在顯示器面上就得到了一個坐標面，定義為參考坐標面(xs_ideal,ys_ideal)。然后將參考元件放在調整裝置上進行調整，拍攝條紋圖再后將通過譜估計算法得到的參考元件形成的(xs,ys)分別減去相應參考坐標面坐標(xs_ideal,ys_ideal)令：
通過調節平晶的俯仰和傾斜，分別使dx和dy的rms接近零，且pv最小，就實現了精密調整，在這個前提下得到的(xs,ys)即為最終參與計算斜率的坐標。
然后，將被測元件放在測試平臺上，采用上述同樣的方式進行調整，實現被測元件的精密調整，得到相應的(xs,ys)即為該元件最終參與計算斜率的坐標，并恢復面形。
最后，用被測元件面形減去參考元件面形數據即d＝dtest-dref，就能得到該子孔徑內的面形數據。
通過以上的周期圖法、顯示器坐標計算和待測元件精確的調整處理方法，我們可以對口徑不大的光學元件實現高精度的面形檢測。但是測量大口徑的光學元件時，這種方法不再適用。可以采用的方法有：<1>選用大尺寸的顯示器作為投影光源。<2>平移pmd測試裝置進行拼接測量。<3>平移被測光學元件實現全孔徑測量。<4>采用多相機拍攝的方法進行子孔徑拼接測量。
方法<1>選用大尺寸的顯示器，可能會存在平整度的問題，并且顯示器本身的重力會導致顯示器面形誤差，對系統標定造成不必要的麻煩。方法<2>通過移動測量設備進行子孔徑拼接測量，但是這會對平移裝置提出較高的要求，導軌的直線度和平移精度直接影響測試精度。方法<3>需要采用導軌調整待測元件的位置，顯然，如果需要實現在線檢測，待測元件更不能移動。所以本發明采用方法<4>,采用多相機采集，然后進行子孔徑拼接的方法實現大口徑平面光學元件的檢測。
(3)多相機采集，采用子孔徑拼接算法實現大口徑平面光學元件檢測。
多相機采集系統可以是兩個或多余兩個，數目不限，這里給出六個針孔攝像機(編號為5,6,7,8,9,10)、顯示器11以及顯示器調整裝置構成的采集系統，示意圖如圖2(a)、(b)所示。圖2(b)中的顯示器水平調節機構12和旋轉調節機構13使顯示器中的像素在同一平面上，圖2(c)中的攝像機針孔14經相機方位調節機構15、16和17實現元件被測面的正確選取。完成上述調節后，假設被測平面光學元件為長l,寬w。5,6,7,8,9,10相機分別測量覆蓋的被測元件的子孔徑情況如圖3所示，圖3中a5～a10分別是針孔相機5～10所測量的被測面上的范圍，圖中每個攝像機測量得到的子孔徑長和寬分別為l1和w1。網格區是相鄰子孔徑間的重疊區域，斜條紋區是各子孔徑的非重疊數據區。測量過程中，被測元件和多相機采集系統被放置在光學臺上，圖4是設計的大口徑平面光學元件面形的子孔徑拼接檢測技術及裝置示意圖。為了測量準確，本發明將待測元件放置在調整裝置18上，如圖4所示，該圖4中水平調節機構19、元件支撐板21、元件支撐板固定架24以及元件支撐板方位調節旋鈕22和23能使被測元件20對準顯示器11，處于測試狀態。
假設兩相鄰子孔徑a5和a6，其測得的面形分布分別為φ1和φ2。假設a5為基準面，則φ1和φ2在重疊區域滿足下面關系：
φ2＝φ1+p+txx+tyy,(8)
式中，p代表平移量，tx和ty分別代表x,y方向的傾斜系數，
對上式求x,y方向偏導，得
其中
通過最小二乘數據處理方法，就可分別求出x,y方向上的傾斜系數tx和ty，通過式(9)，可以求出g2x和g2y的校正結果。然后，將g2x和g2y的校正結果與g1x和g1y的進行拼接，這樣我們就可以得到兩相鄰區域的拼接斜率數據。以此類推，通過以上類似的拼接處理，就可以得到所有子孔徑上的斜率分布，進而得出被測大孔徑平面光學元件的面形。
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