本发明涉及一种曲面基底衍射光学元件测量方法。
背景技术：
衍射光学元件(doe)是基于光的衍射原理发展起来的一种回转对称的新型光学元件，通常由在基底上分布的一系列同心环台阶组成。因其在基底上特定相位突变点通过添加台阶结构，从而实现了光学系统衍射效率的增加，并且能够有效缩小光学元件的体积和质量，提高光学系统指标。所以doe是实现光学系统小型化的重要手段，在光学成像系统、光学表面检测、光谱分析和仿生学等领域具有重要的应用价值。doe性能的发挥极大地依赖于其光学面形的加工质量，但由于doe表面为非连续表面且部分doe表面曲率大等原因，其检测具有相当高的难度。目前国内外的研究表明，对doe的检测仍停留在以特征测量的基础研究阶段。常用的测量手段有接触式表面轮廓仪测量，白光干涉法测量，激光干涉法测量，光学共焦法测量等，但这些手段都存在着各自的缺陷，特别是均无法准确获得doe台阶部分几何特征信息。单一的从测量硬件入手难以解决doe检测问题，但硬件结合特殊的数据处理手段为解决这一难题提供了可能。
技术实现要素：
针对采集到的数据，本专利提出了一种专门的测量数据处理方法，通过匹配及坐标变换可实现doe完整三维面型重构，分析获取被测doe表面轮廓几何量信息二维轮廓信息提取。有效避免了扫描点必须高精度一一定位准确的弊端，无需实时获取系统坐标，降低测量过程中对定位坐标点的依赖，保证高精度测量的同时，提高了测量效率。技术方案如下：
一种曲面基底衍射光学元件测量方法，包括以下步骤：
(1)测量系统搭建：将色谱测距传感器和被测doe工件均固定在多轴位移装置上，多轴位移装置带动色谱测距传感器相对被测doe工件运动；
(2)色谱测距传感器找正；
(3)测量数据获取：色谱测距传感器沿被测的doe的基底轮廓中心线以恒定的速度与采样频率采集测量数据，所获得的测量数据是沿着被测doe工件设计基底“展开”的含高度信息的数据点云，即将被测doe工件的doe曲面基底延展成平面；
(4)测量数据前处理：对步骤(3)所获得的测量数据进行中值滤波前处理以减小测量数据中包含的误差；
(5)获得设计模型沿基底展开的数据：将doe的设计模型沿基底中心线展开，获得一条分布有doe设计面形中心轮廓信息的直线；
(6)经过步骤(4)的中值滤波测量数据与设计模型数据的优化匹配：将经过步骤(4)的中值滤波测量数据与展开后的模型数据进行多次匹配的方式来获得测量数据与原始设计模型间的映射关系；
(7)根据映射关系，将测量数据还原到doe的设计模型的基底之上，得到包含实际尺寸信息的测量数据。
优选地，步骤(2)的方法如下：定位色谱测距传感器的初始位置，为初始位置处色谱测距传感器光轴与被测doe工件中心顶点对正，先将一标准球固定在放置被测doe工件的平面基底上，控制多轴位移装置搭载色谱测距传感器沿x轴方向运动，采集记录标准球上一条轮廓线的测量数据，对此测量数据通过圆拟合求得一极值，该极值的x坐标为标准球中心的x坐标；在该x坐标下，控制多轴位移装置搭载色谱测距传感器沿y轴方向运动，采集记录标准球上另一条轮廓线测的量数据，通过测量数据圆拟合求得另一极值，该极值的y坐标为标准球中心的y坐标，获得的xy坐标即为色谱测距传感器与被测doe工件对准的中心；完成对准后换下标准球，固定上被测doe工件，完成色谱测距传感器与被测doe工件的对正。
步骤(6)采用sparseicp算法将经过步骤(4)的中值滤波测量数据与展开后的模型数据进行多次匹配的方式来获得测量数据与原始设计模型间的映射关系。
该测量数据处理方法的优势在于，数据处理过程独立于高精度多轴位移台所提供的位置坐标，不需要位移装置反馈位移的具体位置信息，减小了测量系统结构的复杂度，消除了位移装置输出坐标的过程中对位移装置运动的干扰。同时，数据处理过程中的优化匹配步骤可以消除色谱测距传感器初始位置定位误差与被测doe工件放置倾斜对测量带来的影响，减小了测量中的系统误差。该数据处理方法利用算法也在一定程度上降低了对位移装置的精度要求。
附图说明
图1是曲面基底doe测量系统示意图。
图2是曲面基底doe测量方法示意图。
图3是测量数据与模型基底展开数据匹配优化效果示意图，(a)是测量数据与展开后的设计模型数据匹配示意图，(b)是展开后的设计模型数据和匹配后的测量数据示意图。
附图说明：1色谱测距传感器；2被测doe工件，即曲面基底doe；3测量数据；4展开后的设计模型数据；5匹配后的测量数据。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的进行详细描述。
本发明提出一种新的曲面基底doe测量方法及数据处理方法，将色谱测距传感器集成到高精度的多轴位移装置上，实现曲面基底doe完整三维面形的高精度快速测量。运动装置控制色谱测距传感器在其可测范围内相对于被测doe工件保持一固定高度，并带动色谱测距传感器沿doe基底轮廓线以恒定速度运动，色谱测距传感器以固定采样频率采集测量数据。测量路径过doe基底中心顶点横跨所有台阶结构，实现完整doe面形信息测量表征。该方法中色谱测距传感器独立负责采集被测件轮廓数据点，运动系统独立负责以恒定速度带动色谱测距传感器沿doe基底轮廓运动。
本发明的测量系统结构如图1所示，将色谱测距传感器1固定集成到高精度的多轴位移装置上，系统位移台带动色谱测距传感器沿被测doe工件2的基底轮廓线以恒定速度运动，色谱测距传感器采集测量数据，实现被测doe工件2完整三维面形的高精度快速测量与评价表征。
基于本发明提出的数据处理方法使用的doe测量方案的测量流程如下：
(1)测量系统搭建。将色谱测距传感器和被测doe工件均固定在高精度多轴位移装置上，多轴位移装置带动色谱测距传感器相对被测doe工件运动。在多轴位移装置上固定被测doe工件时，应将被测doe工件放置在平面度较高的平面基座上，并使工件稳定固定，确保其在测量过程中不发生晃动。多轴位移装置应确保较高的行程精度，保证测量时色谱测距传感器的定位精度。同时高精度位移装置应确保拥有足够的位移行程，能够带动色谱测距传感器在doe工件的尺寸范围内任意运动。位移装置固定色谱测距传感器时，应保证色谱测距传感器光轴在测量过程中始终与放置被测doe工件的平面基底保持垂直。
(2)色谱测距传感器找正。定位色谱测距传感器的初始位置，初始位置处色谱测距传感器光轴与被测doe工件中心对正。先将一标准球固定在放置被测doe工件的平面基底上，并使用位移装置完成色谱测距传感器与标准球中心的粗对准。接下来进行色谱测距传感器与标准球中心的细对准。位移装置控制色谱测距传感器沿x轴方向(水平方向)运动，记录标准球一条线上的测量数据，数据通过拟合必然可以求得一极值，该极值的x坐标为标准球中心的x坐标。在该x坐标处，位移装置控制色谱测距传感器沿y轴方向(垂直方向)运动，记录另一条线上的高度测量数据，数据拟合可以求得另一极值，该极值的y坐标为标准球中心的y坐标，获得的xy坐标即为色谱测距传感器与被测doe工件对准的中心。完成对准后即可换下标准球，固定上被测doe工件，此时色谱测距传感器已与被测doe工件对正。
(3)doe测量。在高精度多轴位移台的控制下，色谱测距传感器沿被测doe工件的基底中心线运动，色谱测距传感器相对于被测doe工件，在色谱测距传感器的可测范围内保持恒定的高度，以固定的速度与采样频率采集数据，测量时应注意速度与采样频率的设置，色谱测距传感器移动速度过快，采样频率过高都将影响测量的准确度。采集获得的测量数据是沿着被测件设计基底“展开”的等间隔的含doe面形信息的数据点云。这样扫描测量获得的只是单独一条线上的数据，为了获得doe整体面形的信息，需要以色谱测距传感器的初始位置为基准等间隔角度的扫描多组数据，从而完成doe面形的整体测量，测量过程如图2所示。设计模型基底中心线展开的原理也就是将所有设计数据点展开到一条的直线上。模型基底方程为f(r,y)，设相邻两点在模型基底上的坐标为a(r1,y1)与b(r2,y2)，设基底这两点对应在设计面型上的点的坐标为a(r1,y1)与b(r2,y2)，设在基底展开后这两点间的间隔为△l，那么间隔长度可以表示为：
δl＝∫lf(r,y)ds(1)
数据处理中将曲线的积分运算近似为两点的直线距离计算，则(1)式可以近似地处理为：
则展开后的面型上这两点坐标可以表示为a(r1,y1)与b(r1 △l,y2)与b(r1 δl,y2)，模型数据点间依次经过处理便可获得基底上的菲涅尔面型。
(4)测量数据处理。测量完成后对测量数据进行处理，将doe工件的设计模型沿基底中心线“展开”，获得一条在直线上分布的doe设计面形的中心轮廓信息。测量数据在进行下一步处理前，需要选择合适的滤波器进行滤波，减小测量中随机误差与粗大误差的干扰。将滤波处理后的测量数据与展开后的模型数据进行优化匹配，匹配过程使用icp(iterativeclosestpoint迭代最近点算法)算法，来获得测量数据与原始设计模型间的映射关系，测量数据经过映射关系变换抑制了测量误差，该过程能够有效的减小测量中因色谱测距传感器初始位置定位误差与被测doe工件固定倾斜带来的系统误差。再将处理过后的测量数据使用分段线性插值的方法，将展开后的模型基底与未展开的模型基底数据作为已知数据，将匹配过的测量数据作为需要内插的值进行计算，将测量数据还原回doe基底之上，将该数据作为doe测量数据处理的最终结果，处理过程如图3所示。使用sparseicp[1-2]算法进行展开设计模型数据与测量数据的匹配，其基本思路为将一数据组中的每一点在另一数据组中寻找几何关系中的距离最近点构成匹配点对，而后基于最小二乘法寻找使所有点对几何距离最短的刚体变换旋转与平移矩阵参数，对此数据组使用求得的变换得到一个新的数据组，利用这个新的数据组重复以上过程进行迭代，直到两数据组点对间的距离相关参数小于一定阈值。
[1]mavridis,pavlos,andreadis,anthousis,papaioannou,georgios.efficientsparseicp[j].computeraidedgeometricdesign,35-36:16-26.
[2]mavridisp,andreadisa,papaioannoug.efficientsparseicp[m].2015.
sparseicp算法在传统的icp基础上进行了一定的改进，削弱了离群值对最后匹配结果的影响，具体可描述为以下形式：
其中r∈rk×k为旋转矩阵，t∈rk×k为平移矢量，x为x面上的点，y为y面上的点。利用指示函数将r限制在正交矩阵类so(k)之中，这里指示函数ia(b)表示若b∈a函数为0，若
1.一种曲面基底衍射光学元件测量方法，包括以下步骤：
(1)测量系统搭建：将色谱测距传感器和被测doe工件均固定在多轴位移装置上，多轴位移装置带动色谱测距传感器相对被测doe工件运动。
(2)色谱测距传感器找正；
(3)测量数据获取：色谱测距传感器沿被测的doe的基底轮廓中心线以恒定的速度与采样频率采集测量数据，所获得的测量数据是沿着被测doe工件设计基底“展开”的含高度信息的数据点云，即将被测doe工件的doe曲面基底延展成平面；
(4)测量数据前处理：对步骤(3)所获得的测量数据进行中值滤波前处理以减小测量数据中包含的误差；
(5)获得设计模型沿基底展开的数据：将doe的设计模型沿基底中心线展开，获得一条分布有doe设计面形中心轮廓信息的直线；
(6)经过步骤(4)的中值滤波测量数据与设计模型数据的优化匹配：将经过步骤(4)的中值滤波测量数据与展开后的模型数据进行多次匹配的方式来获得测量数据与原始设计模型间的映射关系；
(7)根据映射关系，将测量数据还原到doe的设计模型的基底之上，得到包含实际尺寸信息的测量数据。
2.根据权利要求1所述的曲面基底衍射光学元件测量方法，其特征在于，步骤(2)的方法如下：定位色谱测距传感器的初始位置，为初始位置处色谱测距传感器光轴与被测doe工件中心顶点对正，先将一标准球固定在放置被测doe工件的平面基底上，控制多轴位移装置搭载色谱测距传感器沿x轴方向运动，采集记录标准球上一条轮廓线的测量数据，对此测量数据通过圆拟合求得一极值，该极值的x坐标为标准球中心的x坐标；在该x坐标下，控制多轴位移装置搭载色谱测距传感器沿y轴方向运动，采集记录标准球上另一条轮廓线测的量数据，通过测量数据圆拟合求得另一极值，该极值的y坐标为标准球中心的y坐标，获得的xy坐标即为色谱测距传感器与被测doe工件对准的中心；完成对准后换下标准球，固定上被测doe工件，完成色谱测距传感器与被测doe工件的对正。
3.根据权利要求1所述的曲面基底衍射光学元件测量方法，其特征在于，步骤(6)采用sparseicp算法将经过步骤(4)的中值滤波测量数据与展开后的模型数据进行多次匹配的方式来获得测量数据与原始设计模型间的映射关系。
技术总结