[发明专利]基于差动彩色共焦技术的自由曲面测量装置及检测方法

权利要求书

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，其利用权利要求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，它包括以下步骤：

1)搭建光学测量系统：

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B分光棱镜(8)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+u_m和-u_m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I_r、I_g、I_b为R、G、B三色光强信息，u为轴向坐标信息，Γ_R(u)、Γ_G(u)、Γ_B(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区间为工作区间，而当测量面由位置A运动到B时，系统响应区间切换到BC区间，工作原理同AB，CD区间也是同样切换，最终系统实际工作区间为AB-BC-CD线段对应的轴向位移范围；

通过公式

将步骤7)得到的三个独立的深度测量区域组合成一个更大的深度测量范围,最终得到归一化差动光强与轴向坐标的关系曲线；

9)用待测曲面(7)和B压电陶瓷(17)替换标准平面(15)和A压电陶瓷(16)，在所述的待测曲面(7)背面固连B压电陶瓷(17)，设定静态和动态工作模式，两种工作模式可自由切换；

静态工作模式：指待测曲面(7)保持不动，一次测量待测曲面上所有点的归一化差动光强，与步骤8)的关系曲线对比，得到待测曲面的轴向坐标；

动态工作模式：指采用B压电陶瓷(17)横向移动待测曲面，采集多组面数据进行拼接，得到更高横向分辨率的待测曲面的轴向坐标。