[发明专利]二维散斑数字相关技术的光学镜面变形测量装置和方法

说明书

本发明涉及一种利用二维散斑数字相关技术测量光学镜面变形的装置和方法，属于光电技术领域。该系统利用液晶显示器显示人造散斑图，经被测镜面反射后由相机记录。当镜面发生变形时，记录下的散斑图会发生位移和变形。利用二维数字图像相关技术可测得散斑位移，然后求得相对应的反射光线方向变化，进而求得被测面法线方向变化，最后求得变形量。该方法利用普通的液晶显示器和相机即可实现平面、球面、非球面等多种光学镜面光波长量级的变形量高精度实时测量，系统结构和算法均非常简单，其精度可与干涉仪媲美。

技术领域

本发明涉及一种利用二维散斑数字相关技术测量光学镜面变形的装置和方法，属于光电技术领域。

背景技术

成像系统在天文光学、空间光学和地基空间目标探测与识别等国防科技领域，以及特种眼镜、照明系统、投影显示等民用成像领域得到广泛的应用。光学镜面是成像系统最重要的组成部分，包括平面、球面、非球面等。在大口径天文望远镜、光刻系统中，为了实现极高分辨率和极小像差的高精度成像，通常要求这些镜面具有微米量级的面形精度和纳米量级的表面粗糙度。上述精度要求通过加工环节保证。除此之外，装调精度，以及装调、使用过程中的机械、温度变形都会直接影响成像系统的最终成像质量。镜面相对位置和姿态的装调可借助激光跟踪仪等完成，也可利用波面准直性等光学指标来校验，与本发明关系不大，在此不再赘述。而测量并控制光学镜面在装调或使用过程中的变形量，是光学镜面装卡机构设计、工作环境控制的重要目的之一。该变形量可通过常用光学镜面面形测量方法测量。

常用高精度光学镜面面形测量方法包括非接触三坐标测量仪、干涉仪、逆向哈特曼测量方法等。

非接触三坐标测量仪采用扫描方法进行面形测量，缺点为速度非常慢，无法进行变形量的实时全场测量，且空间分辨率与扫描时间之间存在矛盾。

干涉仪是一种相对测量方法，在已知被测面形的基础上，通过设计专用的补偿器完成面形误差的测量。缺点为干涉仪本身结构复杂成本高，切补偿器设计加工难度高、可测面形误差动态范围较小，更换被测面时补偿镜头也要更换，进一步提高了干涉测量的成本，降低了干涉仪的灵活性。

美国亚利桑那大学提出的SCOTS(Software configurable optical testingsystem)是一种逆向哈特曼测量系统。通过液晶显示器投射横条纹或竖条纹等编码图样到被测面上，相机记录下图样的变形来检测被测面反射光线的斜率，进而测得被测面面形参数和面形误差。该方法缺点为测量精度极大依赖于几何参数的标定精度，测量过程繁琐；需测得光学镜面变形前和变形后的面形，再进行相减才能得到变形量。

除上述直接适用于光学镜面变形量的测量方法，数字散斑相关是光测力学领域常用的变形量测量方法。利用散斑数字相关和散斑干涉相结合可以进行被测面三维变形量的测量。不过，该方法缺点为仅适用于粗糙表面，当被测面的粗糙度和光洁度达到光学镜面的水平时，入射激光无法在被测表面产生对比度足够强的散斑，限制了该方法的应用领域。

发明内容

本发明的目的是为了解决干涉仪测量光学镜面光波长量级变形的高成本、结构复杂问题，逆向哈特曼测量法对结构参数要求严格、定标复杂的问题，以及现有数字散斑相关技术无法应用于光学镜面的问题，提出一种基于二维散斑数字相关的光学镜面变形量测量装置和方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种二维散斑数字相关技术的光学镜面变形的测量装置，包括显示人造散斑图像的液晶显示器、无台阶或自身遮挡的连续光学镜面、成像镜头和面阵探测器；