专利名称：等矢高系数比较法数字化无损检测大曲率半径检测系统的制作方法
技术领域：
本发明是一种新颖的光学检测系统，等矢高系数比较法数字化无损检测系统特别适用于各类宽范围大曲率半径的测量。
背景技术：
球面曲率半径的测量就其测量方法有接触式及非接触式。一般对小曲率半径的测量有球面样板法、球经仪法及自准直显微镜法，而一般激光器谐振腔的曲率半均比较大，尤其是曲率半径变化的范围也越来越大，如从1-25米或更大。对于大曲率半径测量，一般有自准直望远镜法、刀口仪法、牛顿环法、激光球面干涉仪法以及莫尔偏折术法。这些方法可以对某一范围的曲率半径进行测量，有些方法虽具有较高精度，但有较多的局限性，且结构都较庞大。
牛顿环测量的数学模式是测量其干涉环的半径，对于大曲率半径而言，测试可以达到较高的精度，已有利用非接触的牛顿环测试方法，它是采用物象距满足2f的1∶1光学干涉成象系统，对牛顿环进行人工判读，精度为0.5％，其虽然达到了非接触的测量目的，但是测量速度慢，效率低。如1∶1成象系统要快速数字化处理则必须有与被测口径相应的高分辨率、大口径的数字成象器件，在目前尚有困难。

发明内容
本发明的目的是研究一种全新测量系统，以非接触牛顿环测量为前提，利用一构思巧妙、简洁的扫描体系，将CCD成象与计算机数据处理及判读结合的新方法。其不但测量范围大，而且能非接触检测凹、凸球面，同时对环境的要求不是太苛刻，是一个结构简单、使用方便、实时快速新颖的曲率半径非接触的测量系统。
大曲率半径测量系统的光学原理如附

图1所示，He-Ne激光束经扩束准直后垂直射入一偏振分光镜(PBS)，反射光射入参考面，透射光线经一五棱镜后，垂直射入被检面后返回，经偏振分光镜PBS后形成中疏边密的同心圆环，又经成象系统成象在CCD列阵上，为适应不同反射率的被测面，用偏振系统，旋转1/2波片可调节双光束的光强，即通过PBS的P、S分量，使得到更好的条纹对比度，测量方程为R=r2Nλ]]>或R=r22-r12(N2-N1)λ----(1)]]>式中ri——对应某一暗环的半径；N——该暗环相对中心的条纹级次；λ——波长。
因为非接触测量中心未必为零级，因此必须用两个暗环半径的后式计算。测试中，首先调试出理想的干涉条纹，图2(a)(b)是利用图1系统在CCD象面上得到的非接触牛顿环图象，数据采集系统先对如图2(a)所示的第一幅干涉图进行图象采集及存储，由计算机判读确定O点，然后五棱镜扫描系统沿平行于入射光轴方向移动，光束沿被测球面扫描，此时条纹中心O点移到如图2(b)所示O′处，同理计算机判读确定O′点，OO′之间的象素数是Pl。同时，精密测长系统在扫描的同时，测出五棱镜系统的实际移动距离l。由此方程(1)可写为R=r22-r12(N2-N1)λ=K2(Pr22-Pr12)(N2-N1)λ]]>=(lp1)2(Pr22-Pr12)(N2-N1)λ----(2)]]>式中l——OO′之距，对应CCD象素数Pl；K——物面长度值与象面素数对应的比例系数 ——对应的第i个暗环间的象素数扫描可以有两种形式一个为图1(a)所述的五棱镜扫描系统。也可以用图1(b)的形式。用反射镜代替五棱镜，而对样品进行扫描并测出移动距离l。采用样品扫描的前提是必须有一个精密移导系统，否则导轨的非直线性将使样品倾斜，从而使沿被检面中心的反射光线不能沿原路返回，在CCD成象面上引入误差，同时也使l的计量引入一阶阿贝误差，而五棱镜扫描系统的特点是入、出射光线基本上始终成90°角(这主要是由五棱镜的加工角度的精度而定)。因此扫描过程中，沿被检面中心的反射光线对导轨非直线性影响是不敏感的，则中心的反射光线始终沿原路返回。这样就可以避免精密计算中由于导轨非直线性而引入的一阶阿贝误差，保证l的测试精度。
该干涉测试系统的特点是参考面与被检面置于同一方向，且尽量靠得很近，以有效地抑制外界环境干扰，将牛顿法的接触式改进成非接触测量，以免面形受损，同时又可测凹面，五棱镜扫描精密测长系统与CCD条纹定位技术结合，用计算机即可作出一系列的数据处理与判读。
测量中，根据不同的曲率半径按接近等矢高测量确定被测面口径，使投影在CCD象面上有适量条纹，主要是为以下的干涉图象的离散化处理满足抽样定理及多项式拟合，这样对于不同半径的被测球面，成象系统可变焦以满足CCD上有适量的条纹数，以便于干涉条纹的解析法的数据处理及判读。如对R＝25米时，当光束口径为25mm时，视场中则有近10条条纹，有利于图象的数据处理。
条纹图象的数字化处理上述光学系统产生的干涉图象CCD采样及A/D转换后，沿干涉图中心所得到的理想曲线。这是一组沿X方向伸展的中疏边密的每一周期内按余弦规律变化的离散图样。由(2)式可知，必须求出任两个暗环的半径。观察图样，在每一周期内与抛物线的形状类似。考虑在相邻的峰一峰处于干涉条纹分区间进行多项式拟合，使离散图样连续化，求极值后可以和到N个暗环的精确值，最终求得R。
实测中，所得到的数据除信息外还包含有噪声。这在干涉条纹的灰度图中表现为波动及毛刺。图3(a)是测量的离散数据图。可见有较大的噪声，因此上述数据拟合中无法确定拟合区间，而区间有误，将影响多项式的拟合，使暗环的极值点移位。数据处理中，利用移动平滑法的数字滤波器，滤去随机噪声得到较光滑的离散数据图，其方程为Yj(n)=1NΣi=-mmXj+i(n)----(3)]]>式中N——平均数据点的点数，N＝2m+1；Xj+i(n)——不同j点的数据值；Yj(n)——i＝0点的平均值。处理中对Yj(n)采用9点平滑，由Z变换求出传递函数，其频率响应H(ejω)=15[cos4(ω)+cos3(ω)+cos2(ω)+cos(ω)+1]----(4)]]>可见相当于一个低通滤波器，其对高频分量即噪声的平滑作用非常明显。而牛顿环呈低频变化规律，不受滤波器的影响。图3(b)是用数字滤波器得到的光滑后的离散数据图，该图在一个周期内符合抛物线变化规律。在数据处理中判读区间，在每个区间内用Y(x)＝a0+a1x+a2x2(5)式(5)在每一周期内拟合，相应的法方程(加权为1)为9ΣxiΣxi2ΣxiΣxi2Σxi3Σxi2Σxi3Σi4a0a1a2=ΣyiΣxiyiΣxi2yi----(6)]]>式中求和∑是 的简写。用消去法解此方程组可以求得a0，a1，a2条纹中心在光强分布极小值处。令dydx=0,]]>可得某区间暗纹中心坐标xi=-a12a2i=1,2,3,K----(7)]]>则环半径ri＝|xi-x0|·K (8)式(7)(8)中X0是中心点的坐标，Xi已是经过拟合的在连续函数上的极值点的精确位置，可精确到1/5～1/10象素，最终曲率半径可由视场中N个环中的任何两个环半径计算后的M个排列组合的均值得到R‾=1MΣi=1MRi=1MΣ1M(ri2-rj2(Ni-Nj)λ)----(9)]]>条纹级次i，j＝1，2，3，ΛN i≠j； 由于曲率半径是多个R的平均，上述计算还可以降低由于局部变形引入的曲率半径的测量误差。
系统的误差分析该测试方法的主要误差来源和最终的相对精度ΔR/R可对(2)式进行微分(注r1与r2的测量误差是相同的)得到ΔR=±2(∂R∂l)2Δl2+(∂R∂Pl)2ΔPl2+(∂R∂Pr)2ΔPr2+(∂R∂λ)2Δλ2----(10)]]>由于波长的误差为一二阶小量，忽略不计，则可导出ΔRR=±22(1l)2Δl2+(1Pr)2ΔPr2+(1Pl)2ΔPl2----(11)]]>从(11)式可看出，与相对误差相关的参数有移动距离l的精确度Δl；与暗纹半径r及移动距离l有关的参数Pr，Pl和它们的定位精度ΔPr，ΔPl。可见，l，Pr，Pl取大则误差可降低。
由于利用了五棱镜扫描系统，入、出射光线的角度由五棱镜的加工精度而定，因此对于移导系统的非直线性要求大为降低。如控制精密测长系统的误差Δl＝1μm，与图象数字化抽样网格N1×N1有关的象素值取pr＝pl＝320，暗纹的定位误差ΔPr=ΔPl=1/5~1/10]]>象素。将上述参数代入(11)式可得R＝3m2l=3mm,ΔRR=0.00156]]>R＝25m2l=10mm,ΔRR=0.00128]]>可得其余R的 均小于0.2％，理论分析具有较高的相对精度。
初步实验结果及分析CCD面阵的口径是1/3英寸，采用经图象数字化后的象元数pr＝pl≥320。对一激光器谐振腔的曲率半径用图1(a)(b)两种扫描系统进行测量及比较。图2(a)(b)即为扫描前后的两幅干涉图。图2(c)为沿X轴的过牛顿环中心理想的曲线图。图3(a)是测量的沿牛顿环中心的离散数据图。图3(b)是利用移动平滑法的数字滤波器滤去随机噪声得到光滑的离散数据图。在图3(b)的基础上，利用方程(5)～(9)式进行数据处理。表1是两种系统分别对名义尺寸为1m和2m的激光器谐振腔的曲率半径的测量结果。
表1曲率半径的测量结果及比较样品扫描R＝1m 五棱镜扫描1.044 1.941测量值(m) 1.137 2.0701.181 2.004均值R(m) 1.112 2.004相对误差 11.2 0.2ΔR/R(％)从表1可见，平面反射镜固定而样品扫描移动的系统其测量的曲率半径值均偏大，这是由于一阶阿贝误差的影响，即移导系统的非直线性而导致导轨移动方向与被测标准平面的方向不一致，有一微小倾角。则l的值总是大于实际的OO′，使曲率半径的测量结果也偏大，而扫描系统在扫描时，五棱镜的移动量与投影在被测面上是保持一致的，这是由五棱镜的性质决定的，测长系统的移动方向与五棱镜入射光线方向一致，消除了阿贝误差，测量的结果相对理论值有大有小，符合计量中误差的分布规律，与理论分析一致。
该系统用非接触牛顿环法与现代CCD干涉条纹解析法计量技术结合，具有较高的相对精度，可测曲率半径范围大，不受凹、凸面限制，仪器结构紧凑，尤其不需要与半径等长的移导系统及暗室条件，对环境要求不苛刻可利用多次采样数据处理，降低系统随机噪声，自动化程度高。特别适用于各类大曲率半径尤其是高精度激光器谐振腔的测量。
具体实施例方式
实施例1本发明的半径测量的光学系统如附图1所示，He-Ne激光束经扩束后垂直射入一偏振分光镜PBS，反射光射入参考面，透射光线经一五棱镜后，垂直射入被检面后返回，经PBS后形成中疏边密的同心圆环，又经成象系统成象在CCD列阵上。为适应不同反射率的被测面，用偏振系统，可调节双光束的光强，旋转1/2波片，可以调节通过PBS的P、S分量，使得到更好的条约对比度，可以对长曲率半径1～25米的凹凸球面半径进行高精度非接触检测。
利用等矢高系数比较法数字化无损检测大曲率半径系统，将光学系统产生的牛顿环与计算机数据图象处理的最小二乘法多项式拟合技术相结合，利用计算机根据测量原理编制自动判读软件，最终求得大曲率半径R。
实施例2偏振光路系统与样品扫描系统的组合，如图1。0.6328μm的He-Ne线偏振激光束经可旋转的1/2波片后，再经准直扩束后射入偏振分光镜PBS，旋转1/2波片可调节偏振光束的P、S分量的大小，垂直于主截面振动的S分量沿路径1/4波片——参考镜——再经1/4波片，偏振分量旋转90°而透过偏振分光镜PBS，同理P分量沿路经1/4波片——被检面——再经1/4波片后偏振分量旋转90°而被PBS反射。两垂直分量经检偏器后形成干涉，干涉图经成象透镜后被CCD所接受。检测中，如图1(b)所示，只需移动被检面，移导系统正确记录样品移动的长度l，数据处理系统计算出CCD上对应移动量的象素数，根据公式，就可求出相应的比例系数K。该系统为降低阿贝误差，移导系统要具有较好的直线性。
实施例3偏振光路系统与五棱镜扫描系统的组合。同样在实施例2的偏振光路中，用五棱镜扫描代替样品扫描，如图1(a)所示，即样品固定，移动五棱镜对样品扫描，同样可以求得比例系数K。由于五棱镜的入、出射光线基本上始终成90°角，因此对移导系统导轨的非直线性不敏感，可以提高测量精度。
实施例4非偏振光路系统与样品扫描系统的组合。在实施例2中，当被检面与参考面的反射率接近时可以采用非偏振系统，即可以省去1/2波片、1/4波片和检偏器这些偏振器件，用普通分光镜替代偏振分光镜。0.6328μm的He-Ne激光束经准直扩束后射入普通分光镜BS，一路经参考镜反射后透过BS；同理另一路经被检面反射后再被BS反射，两束光会聚后形成干涉，曲率半径干涉图经成象透镜后被CCD所接受。检测中，如图1(b)所示，只需移动被检面，移导系统正确记录样品移动的长度l，数据处理系统计算出CCD上对应移动量的象素数，根据公式，就可求出相应的比例系数K。
实施例5非偏振光路系统与五棱镜扫描系统的组合。同样在实施例4的非偏振光路中，用五棱镜扫描代替样品扫描。即样品固定，移动五棱镜对样品扫描，同样可以求得比例系数K。由于五棱镜的入、出射光线基本上始终成90°角，因此对移导系统导轨的非直线性不敏感，可以提高测量精度。
权利要求
1.一种半径测量的光学检测系统，如附图1所示。其特征在于用He-Ne激光束经扩束后垂直射入一偏振分光镜PBS，反射光射入参考面，透射光线经一五棱镜后，垂直射入被检面后返回，经偏振分光镜PBS后形成中疏边密的同心圆环，又经成象系统成象在象面(CCD)列阵上，利用偏振系统，可调节双光束的光强，旋转1/2波片，调节通过偏振分光镜PBS的P、S分量，使得到更好的条纹对比度，将光学系统产生的牛顿环与计算机数据图象处理及最小二乘法多项式拟合技术相结合，利用计算机根据测量原理编制自动判读软件，利用等矢高系数比较法数字化无损检测系统最终求得曲率半径R。
2.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于检测系统利用光学双光束干涉方法产生非接触牛顿环。
3.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于利用等矢高系数比较法检测长曲率半径。
4.根据权利要求1或3所述的检测系统，其特征在于不同半径的被检面可在成象面(CCD)上形成适当等量的干涉牛顿环，便于数据处理。
5.根据权利要求1或4所述的检测系统，其特征在于利用扫描系统求取物面扫描移动长度l与象面(CCD)象素数对应的比例系数K，作为判读不同级次的干涉环暗环位置的依据，用于曲率半径R的计算。
6.根据权利要求1或5所述的检测系统，其特征在于采用二种扫描系统来求取比例系数K。
7.根据权利要求6所述的检测系统，其特征在于一是样品直接移动的扫描系统，另一为样品固定，五棱棱移动扫描系统。
8.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于可对长曲率半径1～25米的凹凸球面进行高精度非接触检测。
全文摘要
本发明是一种非接触的测量技术，等矢高系数比较法数字化无损检测系统特别适用于各类宽范围大曲率半径的测量。用激光偏振干涉体系产生非接触的牛顿环，并与CCD图象处理技术相结合的测量方法，可测量的曲率半径为1－25米，具有很宽的测量范围，非接触测量不会损坏高精度表面，并可测试任意反射率的凹、凸球面，而测试体系结构都非常紧凑。干涉条纹经计算机数据处理可自动、快速获得测量结果。
文档编号G01B9/02GK1438468SQ03114760
公开日2003年8月27日 申请日期2003年1月5日 优先权日2003年1月5日
发明者杨甬英, 卓永模 申请人:浙江大学