一种用于焦距检测的双刀口差分检测装置、检测方法及数据处理方法

摘要

本发明公开了一种可用于球面、非球面反射镜或透镜的焦距检测的双刀口差分检测装置、检测方法及数据处理方法，特别适用于大口径长焦距光学元件的焦距检测，涉及光学检测领域。沿光路方向该装置主要包括光源（1）、光束聚焦透镜组（2）、第一光束分光元件（3）、反射元件组（4、5、6、7、8、9）、滤波小孔（10、11）、第二光束分光元件（12）、被测光学元件（13）、切光刀口（14、15）、数字成像系统（16）；本发明提供的双刀口差分检测装置由于采用了两套对称的刀口检测光路，并形成两个对称的阴影图像，通过使用差分处理分析的方法，具有很好的抗干扰能力，更易于实现刀口阴影检测的全数字化检测，进而能够显著提高刀口检测法对焦距检测的精度。

说明书

技术领域

本发明涉及光学检测领域，尤其涉及一种可用于球面、非球面反射镜或透镜的双刀口差分光学元件焦距检测装置、检测方法及数据处理方法，特别适用于大口径长焦距光学元件的焦距检测。

背景技术

大口径长焦距光学元件作为各类大型光学系统中非常重要的光学元件，其光学性能指标的优劣已经成为制约光学系统整体性能指标提升的重要因素之一。而焦距作为此类光学元件的最重要的光学指标之一，准确性和一致性的严格控制有利于提升光学系统的性能和减小光学系统的装调时间，这对光学元件的加工、特别是加工过程中的检测提出了更高的要求。

刀口检测法作为一种简单有效的焦距检测方法，广泛应用于加工过程中焦距控制的检测方法，传统的刀口检测法由于使用目视的方法来判断焦点的位置，受限于检测人员的主观因素，焦距检测的精度难以保证，特别是长焦距光学元件的焦距检测，由于检测光线的光程过长，容易受环境温度不均、气流扰动等因素的影响，即使使用数字成像系统来替代目视判断也难以消除这些因素对焦距检测精度的影响。除此之外，传统方法中焦点位置是通过切光过程中阴影图随时间的变化规律来确定的，这种确定焦点位置的方法在阴影图像数字化后难以通过相关的算法实现焦点的准确定位。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种高精度、高抗干扰能力的双刀口差分光学元件焦距检测装置，以及基于该检测装置的检测方法和数据处理方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种用于焦距检测的双刀口差分检测装置，沿光路方向该装置主要包括光源(1)、光束聚焦透镜组(2)、第一光束分光元件(3)、反射元件组(4、5、6、7、8、9)、滤波小孔(10、11)、第二光束分光元件(12)、被测光学元件(13)、切光刀口(14、15)、数字成像系统(16)；

当光源(1)发出的光经过光束聚焦透镜组(2)的两个聚焦透镜聚焦后，由第一光束分光元件(3)将聚焦光束分为光强相等方向垂直的两束光，这两束光分别经过反射元件组反射后，在两个滤波小孔(10、11)处聚焦为两个点光源，通过滤波小孔(10、11)滤波后的光束透过第二光束分光元件(12)入射到被测光学元件(13)的球面，经被测光学元件(13)的球面反射后再通过第二光束分光元件(12)反射在两个切光刀口(14、15)处成像为两个像点，最后由数字成像系统(16)对两个像点进行数字成像和处理。

所述光源(1)为低压钠灯或类似的单色光源以保证焦距测量的精度；所述聚焦透镜组(2)为双胶合消色差透镜；所述数字成像系统(16)为CCD相机，所述第一光束分光元件(3)和第二光束分光元件(12)为分光棱镜，且分光棱镜使用50/50分光棱镜，使分光后的两束光的光强相等，且到达切光刀口(14、15)处的光强最大。

所述反射元件组(4、5、6、7、8、9)包含三对轴对称分布的反射镜(4、5、6、7、8、9)，所述反射镜(4、5、6、7、8、9)和滤波小孔(10、11)沿被测光学元件(13)的中心轴对称排布，使分束以后的两束光具有相等的光程。

所述切光刀口(14、15)沿垂直于被测元件中心轴的方向对称，并且在切光的过程中两个切光刀口(14、15)以相同速度相向或相背运动，使其一直保持对称关系；

切光刀口(14、15)使用一根一半左旋一半右旋的丝杆进行驱动，在切光过程中保证两个刀口同时对称相向或相背运动。

另一方面本发明提供了一种基于前述任一双刀口差分检测装置进行焦点检测的方法，该检测方法包括如下步骤：

S1，调整焦点检测装置，使得两个滤波小孔(10、11)放置在被测光学元件(13)的焦点附近的某一位置，且相对于被测光学元件(13)的光轴对称；

S2，将切光刀口(14、15)对称相向或相背移动进行切光操作；

S3，利用数字成像系统(16)采集切光刀口(14、15)切光过程中当前位置的阴影图像，并进行差分处理得到阴影差分图；

S4，根据所述阴影差分图判断当前位置是焦点前、焦点后或者焦点处，若不在焦点处，则依据“焦前往后移、焦后往前移”的原则将焦点检测装置移动一定距离，然后重新返回步骤S2开始切光检测；

S5，当所述阴影差分图符合一定条件时，则认定此时的两个滤波小孔(10、11)所在位置为焦点。

所述一定条件是指在整个切光过程中阴影差分图都为全暗。

另一方面，本发明还提供了一种基于前述任一双刀口差分的焦点检测装置进行数字化确定焦点位置的数据处理方法，该方法包括以下具体步骤如下：

(1).将对称的两个点光源放置在被测光学元件(13)的焦点附近的某一位置；

(2).让对称的切光刀口(14、15)相向或相背移动切光，使点光源在数字成像系统(16)中的成像由全明变为全暗，并在刀口运动路径上等间距捕捉和记录n幅图像用于分析光源是否处于焦点位置，每一幅图像中均包含两个切光刀口(14、15)对应像点的图像数据；

(3).将记录的每一幅图像数据进行数字化差分处理，得到对应的差分图像；

(4).将点光源在被测光学元件(13)的光轴方向上进行移动使得其分别放置在焦点附近的不同位置x，并求得每一个位置x处的标准差e(x)，得到标准差e与对应光源位置x的关系，其中最小值e_min所在的位置f就是焦点的位置，且e_min越靠近零表明被测元件的表面面形误差越小。

所述步骤(3)具体包括：

将记录的每一幅图像数据转换为如下所示的两个大小为n×n的矩阵，其中M和M′分别为两个切光刀口(14、15)对应像点的图像数据：

然后将两个像点的图像数据做如下绝对值差分处理得到对应的差分图像矩阵：

其中δ为一趋于零的小数，主要用于消除杂散光对检测结果的影响；

最后将n幅处理后的差分图像按如下方法求标准差e：

其中i表示第i幅图像，

表示s的平均值。

在调整点光源位置时使用电控平移台来调节位置，并根据e(x)关系曲线进行位置控制，进而实现电控自动寻找焦点位置。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明提供的双刀口差分检测装置由于采用了两套对称的刀口检测光路，并形成两个对称的阴影图像，通过使用差分处理分析的方法，使该利用该装置进行的焦点检测方法具有很好的抗干扰能力，同时基于该装置进行的数字化分析方法更易于实现刀口阴影检测的全数字化检测，进而能够显著提高刀口检测法对焦距检测的精度。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明的光路及结构示意图。

图2为本发明中的刀口在不同位置的阴影示意图。

图3为本发明中的刀口在焦点前和焦点后的阴影差分变化示意图。

图4为本发明中的刀口在焦点处的阴影差分变化示意图。

图5为本发明中被测元件存在局部误差时的阴影差分示意图。

图6为本发明中焦点评价参数与光源位置的关系示意图。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

实施例1

如图1所示，为一种用于焦距检测的双刀口差分检测装置，沿光路方向该装置主要包括光源(1)、光束聚焦透镜组(2)、第一光束分光元件(3)、反射元件组(4、5、6、7、8、9)、滤波小孔(10、11)、第二光束分光元件(12)、被测光学元件(13)、切光刀口(14、15)、数字成像系统(16)。

当光源(1)发出的光经过光束聚焦透镜组(2)的两个聚焦透镜聚焦后，由第一光束分光元件(3)将聚焦光束分为光强相等方向垂直的两束光，这两束光分别经过反射元件组反射后，在两个滤波小孔(10、11)处聚焦为两个点光源，通过滤波小孔(10、11)滤波后的光束透过第二光束分光元件(12)入射到被测光学元件(13)的球面，经被测光学元件(13)的球面反射后再通过第二光束分光元件(12)反射在两个切光刀口(14、15)处成像为两个像点，最后再由数字成像系统(16)对两个像点进行数字成像和处理。

在一个实施例中所述光源(1)使用低压钠灯或类似的单色光源以保证焦距测量的精度。所述聚焦透镜组(2)使用双胶合消色差透镜，能够消除聚焦后的点光源的色差和球差。所述数字成像系统(16)为CCD相机，所述第一光束分光元件(3)和第二光束分光元件(12)为分光棱镜，且分光棱镜使用50/50分光棱镜，使分光后的两束光的光强相等，且到达切光刀口(14、15)处的光强最大。所述反射元件组(4、5、6、7、8、9)包含三对轴对称分布的反射镜4、5、6、7、8、9，所述反射镜4、5、6、7、8、9和滤波小孔(10、11)沿被测光学元件(13)的中心轴对称排布，使分束以后的两束光具有相等的光程。经过滤波小孔(10、11)滤波后的光束的光轴与被测元件的中心轴平行，且距离中心轴很小，满足近轴光学系统的要求。

本实施例中，切光刀口(14、15)沿垂直于被测元件中心轴的方向对称，并且在切光的过程中两个切光刀口(14、15)以相同速度相向或相背运动，使其一直保持对称关系。切光刀口(14、15)使用一根一半左旋一半右旋的丝杆进行驱动，这样在切光过程中可以保证两个刀口同时以相同的速度对称相向或相背运动。

实施例2

本实施例为对基于前述的双刀口差分的焦点检测装置进行焦点检测方法的具体说明，该检测方法包括如下步骤：

S1，调整焦点检测装置，使得两个滤波小孔(10、11)放置在被测光学元件(13)的焦点附近的某一位置，且相对于被测光学元件(13)的光轴对称；

所述焦点附近包括焦点前、焦点处和焦点后；

如图1所示的球面反射镜被放置在球面的曲率中心，在其他实施例中还可以测试聚焦透镜、非球面反射镜等光学元件。

S2，将切光刀口(14、15)对称相向或相背移动进行切光操作；

S3，利用数字成像系统(16)采集刀口(14、15)切光过程中当前位置的阴影图像，并进行差分处理得到阴影差分图；

S4，根据所述阴影差分图判断当前位置是焦点前、焦点后或者焦点处，若不在焦点处，则依据“焦前往后移、焦后往前移”的原则将焦点检测装置移动一定距离，然后重新返回步骤S2开始切光检测；

S5，当所述阴影差分图符合一定条件时，则认定此时的两个滤波小孔(10、11)所在位置为焦点。

所述一定条件是指在整个切光过程中阴影差分图都为全暗。

当采用以上检测方法进行检测时，切光刀口(14、15)在焦点前、焦点处、焦点后不同位置切光时的阴影图如图2所示，图2中a、b处为一对切光刀口(14、15)，移动检测装置的时候切光刀口(14、15)也相应移动到c、d位置或者e、f位置，在a-e位置处采集的刀口切光图像的示意图分别与图2下部的图a-e一一对应。

需要说明的是，在本实施例提供的图中位置a-e表示刀口和刀口位置，成像a-e表示对应刀口在对应位置的切光图像。

当检测装置位于焦点前或焦点后时，切光时的阴影差分图随刀口位置变化而变化，如图3的1-7所示，在整个切光过程中阴影差分图从全暗到全明然后再到全暗。而在焦点处切光时，假设被测元件无像差，则如图4的1-4所示在整个切光过程中阴影差分图都为全暗；如果被测元件存在局部误差，则如图5所示，在焦点处的阴影差分图除了局部误差的位置外其余地方都为全暗。

实施例3

在前述实施例2中为进行焦点检测，使用所述焦点检测装置进行检测并得到由数字成像系统(16)采集的阴影差分图，并根据阴影差分图中的差分阴影的变化进行判断是否在焦点处，而本实施例提供一种数字化确定焦点位置的数据处理方法，其具体步骤如下：

(1).将对称的两个点光源放置在被测光学元件(13)的焦点附近的某一位置；

(2).让对称的切光刀口(14、15)相向或相背移动切光，使点光源在数字成像系统(16)中的成像由全明变为全暗，并在刀口运动路径上等间距捕捉和记录n幅图像用于分析光源是否处于焦点位置；

(3).将记录的每一幅图像数据转换为如下所示的两个大小为n×n的矩阵，其中M和M′分别为两个切光刀口(14、15)对应像点的图像数据：

然后将两个像点的图像数据做如下绝对值差分处理得到对应的差分图像矩阵：

其中δ为一趋于零的小数，主要用于消除杂散光对检测结果的影响；

最后将n幅处理后的差分图像按如下方法求标准差e：

其中i表示第i幅图像，

表示s的平均值。

(4).将点光源在被测光学元件(13)的光轴方向上进行移动使得其分别放置在焦点附近的不同位置x，并求得每一个位置x处的标准差e(x)，得到标准差e与对应光源位置x的关系，其中最小值e_min所在的位置f就是焦点的位置，且e_min越靠近零表明被测元件的表面面形误差越小。

在实际使用中可以使用电控平移台来调节位置，并根据图6所示的关系曲线进行位置控制，进而实现电控自动寻找焦点位置。

需要说明的是，在前述实施例中需要将点光源的位置进行调整，是通过将前述焦点检测装置除被测光学元件(13)以外的其他部件进行整体移动，从而实现调整点光源的位置进而找到焦点位置。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。