一種大口徑凹鏡面面形的測量裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種大口徑凹鏡面面形的測量裝置，特別涉及一種基于彩色雙頻 條紋反射的測量裝置，屬光學檢測技術領域。
【背景技術】
[0002] 作為天文望遠鏡中的核心部件，大口徑光學鏡面的面形精度直接影響望遠鏡的工 作性能，因而對其檢測精度的高低往往決定了加工成型效果的優劣。在傳統天文望遠鏡中， 光學鏡面多為平面、球面或二次曲面。隨著光學元件特別是大口徑光學鏡面加工技術的迅 猛發展，多種形狀復雜的非球面/自由曲面部件在天文望遠鏡中得到了應用。這些元件在 減少系統光學組件數量的同時能夠顯著提升望遠鏡的性能，實現光學系統的輕量化、緊湊 化以及高透過率。然而，此類鏡面面形的復雜程度(如非旋轉對稱性、較大的非球面度等)卻 使傳統面形檢測方法面臨困難，并逐步成為天文望遠鏡技術發展的瓶頸之一。
[0003] 目前，對于天文望遠鏡面形，傳統而直接的檢測手段為接觸/非接觸式的三坐標 機和輪廓儀。然而其點或線掃的工作方式，使得整個檢測過程較長，尤其是對于較大口徑的 自由曲面光學(類）鏡面元件，檢測效能不高，且精度有限。雖然基于補償器(如計算制全息 圖元件一一CGH)的非球面干涉術可達到納米量級的檢測精度，但針對不同面形的光學鏡面 需要設計和制備相應的波面補償元件，存在檢測通用性弱、成本高的問題。
[0004] 條紋反射術作為一種全場、高靈敏度、非接觸、非相干的光學測量方法，在檢測 (類)鏡面面形時具有較高的靈活性。其系統構成較為簡單，一般由顯示屏、面陣相機和計算 機組成。然而，由于大口徑(類）鏡面元件尺寸的問題，傳統的條紋反射測量系統結構并不 完全適用。成三角結構設置的顯示屏和面陣相機因其位于被測件鏡面法線兩側，存在斜向 投影和攝像的問題。此外，傳統的條紋反射術需要分別投影顯示水平和垂直兩個方向的條 紋，并且為了獲取條紋的絕對相位信息，每個方向通常需要多幅相移的條紋圖像，導致測量 效率不高。雖然，基于單幀彩色復合光柵條紋反射的鏡面三維面形測量方法僅需一幅條紋 圖像，提高了檢測效率，但傅里葉變換的使用卻妨礙了絕對相位的獲取。更為突出的是，其 相應的測量系統結構并不適用于大口徑(類）鏡面元件的檢測。
【發明內容】
[0005] 本實用新型針對現有大口徑鏡面元件檢測技術所存在的不足，提供一種對表面變 化復雜的大口徑凹鏡面物體的三維面形能實現快速、準確檢測的測量裝置。
[0006] 為實現上述發明目的，本實用新型的技術方案是提供一種大口徑凹鏡面面形的測 量裝置，它包括兩個顯示屏、合光器件、分束器、彩色相機、圖像輸出器和目標圖像處理器； 所述的兩個顯示屏分別位于合光器件的兩個端面；兩個顯示屏、合光器件、分束器、待測大 口徑凹鏡面與彩色相機形成共光路結構，顯示屏和彩色相機均位于待測鏡面的焦平面位 置，彩色相機聚焦于待測鏡面；所述的圖像輸出器將沿兩個正交方向分別編碼的紅色和藍 色雙頻條紋圖像分別傳輸至兩個對應的顯示屏上同步顯示，顯示屏上的顯示信號經合光器 件輸出彩色雙頻條紋圖，由分束器反射至待測鏡面表面；待測鏡面反射的目標變形條紋圖 通過分束器后由彩色相機接收，傳輸至目標圖像處理器。
[0007] 上述技術方案中，所述的合光器件為分別透過/反射紅色和藍色光信號的合光棱 鏡。所述的分束器為工作在紅色和藍色波段的半透半反鏡。所述的彩色相機為彩色三芯片 面陣CCD(電荷耦合元件)或CMOS(互補金屬氧化物半導體)相機。所述的顯示屏為LCD液 晶顯示屏或空間光調制器（SLM、LC0S)。
[0008] 采用本實用新型提供的大口徑凹鏡面面形的測量裝置，測量方法包括如下步驟：
[0009] 1、將兩個顯示屏、合光器件、分束器、待測大口徑凹鏡面與彩色相機按共光路結構 放置，兩個顯示屏和彩色相機均位于待測鏡面的焦平面處，彩色相機聚焦于待測鏡面；
[0010] 2、圖像輸出器按條紋圖像編碼方法沿兩個正交方向分別編碼生成紅色和藍色雙 頻條紋圖像，分別傳輸至兩個顯示屏同步顯示；顯示屏上的顯示信號經合光器件輸出彩色 雙頻條紋圖，由分束器反射至待測鏡面表面；待測鏡面反射的目標變形條紋圖經分束器后 由彩色相機接收，傳輸至目標圖像處理器；
[0011] 3、目標圖像處理器對獲得的目標變形條紋圖像進行解調，得到與待測鏡面面形對 應的絕對相位分布；
[0012] 4、依據步驟3得到的絕對相位分布，結合相位一致性約束和標定的系統結構參 數，得到兩個正交方向上待測鏡面面形的梯度分布；再經積分重構得到待測鏡面的三維面 形分布。
[0013] 測量時，條紋圖像編碼方法可采用時域雙頻唯一性編碼方法。具體為采 用時域相移雙頻正弦條紋的唯一性編碼方法，在兩個顯示屏上分別同步顯示水平 和垂直兩個方向上的紅色和藍色相移雙頻正弦條紋圖像，通過合光器件合成相移 彩色雙頻正弦條紋圖像。條紋圖像編碼方法的另一個優選方案是采用時域相移雙 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 低頻條紋的整數倍；時域相移條紋圖像為等步長移相，高頻條紋的每步相移量為 沒，=2不/#:，低頻條紋的每步相移量為,=4#，總相移步數;所述的目標變形 條紋圖像的解調處理方法為采用最小二乘N步相移解調算法，計算得到雙頻截斷相位；經 雙頻相位展開，得到變形的高頻條紋圖像中與待測鏡面面形對應的絕對相位分布。
[0014] 與現有技術相比，本實用新型的有益效果是：
[0015] 1、本實用新型提供的大口徑凹鏡面面形的測量裝置，其測量方法在繼承了傳統條 紋反射術固有優點的基礎上，大幅減少了檢測表面變化復雜的(類）鏡面物體所需的投影顯 示條紋圖像幀數，有效地提高了測量效率，克服了現有的基于單幀彩色復合光柵條紋反射 的鏡面三維面形測量方法只適用于面形變化相對簡單的(類）鏡面物體的問題。
[0016] 2、測量裝置實現了不同顏色的水平和垂直條紋的復合編碼與分離獲取，從硬件上 有效地避免了現有的單顯示屏和相機結構存在的顏色串擾（Colourcross-talk)問題，提 高了面形檢測的精度。
[0017] 3、測量裝置的系統結構簡單緊湊、無中心遮攔，測量速度快、精度高、動態范圍大， 特別適用于針對表面變化復雜的大口徑凹(類）鏡面物體的三維面形測量。
【附圖說明】
[0018]圖1為本實用新型實施例提供的一種基于彩色雙頻條紋反射的大口徑凹(類)鏡面 面形的測量裝置的結構示意圖；
[0019]圖2為本實用新型實施例提供的一種基于彩色雙頻條紋反射的大口徑凹(類)鏡面 面形的測量裝置中合光器件(合光棱鏡）的光譜透過/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、待測大口徑(類)鏡面物體； 5、彩色三芯片相機；6、數據傳輸控制連接線；7、計算機。
【具體實施方式】
[0021] 下面結合附圖及實施例對本實用新型所述的測量裝置作進一步詳細說明。
[0022] 實施例1
[0023] 參見附圖1