一種非球面鏡頂點曲率半徑測量方法及裝置制造方法及圖紙

一種非球面鏡頂點曲率半徑測量方法及裝置，涉及一種非球面光學元件的檢測技術。本發明專利技術基于光線追跡原理，將激光以點陣結構光形式入射到被測非球面鏡上，通過ＣＣＤ攝像機分別測量一簇入射光光點和反射光光點在光接收屏上的位置，并利用計算機對入射光斑及反射光斑圖像的分析處理，直接計算得到非球面鏡頂點曲率半徑。其原理、結構簡單，易于實現，成本低，尤其對于頂點曲率半徑較大的非球面鏡的檢測有較高的測量精度。本發明專利技術不僅可以用于測量非球面鏡頂點曲率半徑，而且可以實現非球面鏡加工的在線測量。（*該技術在2022年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種光學元件的檢測技術，特別涉及一種非球面鏡頂點曲率半徑的直接測量方法及裝置，例如在非球面鏡生產加工的在線檢測中，用于非球面鏡頂點曲率半徑的直接測量。本專利技術的目的是通過如下技術方案實現的一種非球面鏡頂點曲率半徑測量方法，該方法基于光線追跡原理，將激光以點陣結構光形式入射到被測非球面鏡上，通過CCD攝像機分別測量一簇入射光光點和反射光光點在光接收屏上的位置，并利用計算機對入射光斑及反射光斑圖像的分析處理，直接計算得到非球面鏡的頂點曲率半徑，其具體測量步驟如下(1)將激光以點陣結構光形式入射到被測非球面鏡上，通過CCD攝像機分別采樣入射光點和反射光點在各自接收屏上的位置，將采樣得到的圖像輸入計算機；(2)計算機通過對采樣圖像中光斑中心的識別，結合接收屏的位置以及接收屏的圖像放大率，計算各個光點的空間坐標，得到入射光簇和反射光簇的空間直線方程組，然后求得交點簇的空間坐標；(3)利用交點簇的空間坐標按照二次曲面空間方程的一般形式進行曲面擬合，得到非球面鏡曲面方程以及頂點V的坐標；同時利用交點簇的空間坐標，根據反射定律計算出非球面鏡的法線簇方程組，然后利用優化函數計算獲得到所有法線的距離之和最小的空間一點M；(4)利用點V和點M得到非球面鏡的光軸直線方程，再通過空間坐標變換使得非球面鏡曲面方程符合二次曲面空間方程的標準形式；(5)利用縱向法線像差修正點V和點M之間的距離，最終得到非球面鏡頂點曲率半徑。為了保證測量精度，上述的交點簇至少含有10個型值點；且計算機至少應在接收屏的兩個位置上進行采樣。本專利技術還提供了一種實施如上述測量方法的裝置，該裝置包括產生入射光簇陣列的激光器和結構光光柵頭、入射光接收屏、反射光接受屏、兩個分別記錄入射光接收屏和反射光接受屏上光斑的面陣CCD攝像機、與兩個攝像機的輸出端相連的并含有計算程序的計算機以及兩個分別安裝入射光接收屏和反射光接受屏的精密步進工作臺，所述的兩個接收屏和CCD攝像機的像面都分別垂直于各自的工作臺絲杠。所述的兩個工作臺絲杠應相互平行。所述的兩個光接收屏通過重復定位表座安裝在各自的精密步進工作臺上。本專利技術與現有技術相比，具有以下優點及突出性進步本專利技術利用光線追跡原理，直接測量非球面鏡頂點曲率半徑，其原理、結構簡單，易于實現，成本低，尤其對于頂點曲率半徑較大的非球面鏡的檢測有較高的測量精度。測量中利用了成像光路中的多個過渡平面，使光線測量精度以及頂點曲率半徑計算精度有較大提高。此方法不僅可以用于測量非球面鏡的頂點曲率半徑，而且能夠實現非球面鏡加工的在線測量。圖2為本專利技術提供的實施例裝置的結構示意圖。圖3為非球面鏡頂點曲率半徑測量計算流程框圖。下面結合附圖進一步說明本專利技術的測量原理及具體實施方式。附圖說明圖1為非球面法線與頂點曲率中心的關系示意圖(大多數光學系統中所采用的非球面為旋轉二次曲面，在研究其性質時，給出其子午曲線方程就足夠了)。該圖顯示了當非球面頂點為坐標原點O’，旋轉對稱軸(光軸)為O’-X’時，非球面A與其頂點球面F的關系示意圖。此時，二次曲面空間標準方程符合以下形式 y′2+z′2＝2Rx′-(1-e2)x′2(1)其中，R為頂點曲率半徑，e為偏心率，它們反映了非球面的形狀特征。在圖1中，C’0為非球面頂點曲率中心，|O′C′0|即為頂點曲率半徑R。C’1和C’N分別為非球面上點Q’1和Q’N的法線與光軸的交點。考慮到非球面的旋轉對稱性，在光軸上交于一點的非球面的法線將構成一個圓錐面。由于非球面的法線簇是非共心光束，其與光軸交于不同點，且構成不同的角度，并且在一定程度內有∠O′C′1Q′1＜∠O′C′NQ′N，即隨著非球面上點遠離頂點，其對應的法線與光軸的夾角在隨著增大。設有空間一點M’滿足到法線簇各法線的距離之和最小，考慮到法線相對于光軸旋轉對稱，以及法線與光軸夾角的關系，M’點即為光軸上點C’N。M’的縱向法線像差為δM′=|C′OC′N|=e2X′Q′N---(2)]]>有別于圖1中的坐標系，笛卡兒空間的二次曲面一般方程為ax2+by2+cz2+2fyz+2gzx+2hxy+2px+2qy+2rz+d＝0(3)因此，通過測量非球面上至少10個型值點的空間坐標，就可以依照最小二乘法的原則擬合出二次曲面空間一般方程，進一步依照下列方程組求得該非球面的頂點坐標V。ax+hy+gz+p＝0hx+by+fz+q＝0 (4)gx+fy+cz+r＝0圖2為非球面頂點曲率半徑測量裝置的結構示意圖。該裝置包括產生入射光簇陣列的激光器和結構光光柵頭2、入射光接收屏3、反射光接受屏7、兩個分別記錄入射光接收屏和反射光接受屏上光斑的面陣CCD攝像機1和6、與兩個攝像機的輸出端相連的并含有計算程序的計算機9以及兩個分別安裝入射光接收屏和反射光接受屏的精密步進工作臺。激光器和光柵陣列2用于產生N×N的點陣結構光，其完全入射到待測非球面鏡5上，并且被反射。在保證系統各部件不干涉的情況下，激光器和結構光光柵頭2應該使得入射光簇在非球面鏡5上的入射角盡量小，并且使非球面鏡上的光斑盡量分布在中心區域。入射光接收屏3和反射光接收屏7分別安裝在各自的精密步進工作臺上(在圖中沒有繪出)。4和8分別代表精密步進工作臺絲杠軸線的一條平行線。入射光接收屏3垂直于絲杠軸線4，反射光接收屏7垂直于絲杠軸線8，當工作臺運轉時，入射光接收屏3可以沿著4作平動；反射光接收屏7可以沿著8作平動。3可以停在不同位置，用于接收入射光線，形成N×N的光斑點陣。CCD攝像機1的像面亦垂直于4，用來采樣3面上的光斑(A1，A2..)，并存儲到計算機9中。實際上，只要根據3在兩個不同的位置上接收光斑，就可以確定相應的入射光線，但多測幾個位置，可以用最小二乘法優化光線的直線方程，提高精度。同樣，7可以沿絲杠軸線8停在不同位置，用于接收反射光線。CCD攝像機6的像面垂直絲杠軸線8，用來采樣不同位置的7面上的N×N的光斑(B1，B2..)，并存儲到計算機9中。為保證后續計算的簡便，絲杠軸線4和絲杠軸線8應該相互平行。為了預防該測量系統中各部件之間的干涉，兩光接收屏3和7可以通過重復定位表座安裝在各自的精密步進工作臺上。入射光線和反射光線的空間直線方程可以分別由位于不同位置的入射光斑和反射光斑確定。根據光線傳播的反射定律可以知道，入射光線與其對應反射光線的交點為反射面上的型值點(Q1，Q2…)；該點的法線即為入射光線和反射光線的角平分線。由此，可以在非球面鏡上得到N×N的型值點，按照公式(3)和(4)可以得到該非球面鏡頂點的坐標V；同時，還可以得到N×N的法線簇，用優化算法可以得到與法線簇距離之和最短的空間點坐標M。注意，非球面鏡的法線簇并不相交于一點，M只是一個到法線簇距離之和最短的優化點。以V和M確定的直線作為該非球面鏡的光軸，進行通常的空間坐標變換，得到二次曲面標準方程式(1)以及|O′M′|。最后用式(2)結合非球面上邊緣型值點(x′Q′的值相對最大的點)對|O′M′|修正，即可得到該非球面鏡的頂點曲率半徑R。圖3為非球面鏡頂點曲率半徑測量計算流程圖。在進行本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種非球面鏡頂點曲率半徑測量方法，其特征是：該方法基于光線追跡原理，將激光以點陣結構光形式入射到被測非球面鏡上，通過ＣＣＤ攝像機分別測量一簇入射光光點和反射光光點在光接收屏上的位置，并利用計算機對入射光斑及反射光斑圖像的分析處理，直接計算得到非球面鏡的頂點曲率半徑，其具體測量步驟如下：（１）將激光以點陣結構光形式入射到被測非球面鏡上，通過ＣＣＤ攝像機分別采樣入射光點和反射光點在各自接收屏上的位置，將采樣得到的圖像輸入計算機；（２）計算機通過對采樣圖像中光斑中心的識別， 結合接收屏的位置以及接收屏的圖像放大率，計算各個光點的空間坐標，得到入射光簇和反射光簇的空間直線方程組，然后求得交點簇的空間坐標；（３）利用交點簇的空間坐標按照二次曲面空間方程的一般形式進行曲面擬合，得到非球面鏡曲面方程以及頂點Ｖ的坐標 ；同時利用交點簇的空間坐標根據反射定律計算出非球面鏡的法線簇方程組，然后利用優化函數計算出到所有法線的距離之和最小的空間一點Ｍ；（４）利用頂點Ｖ和所述的點Ｍ得到非球面鏡的光軸直線方程，再通過空間坐標變換使得非球面鏡曲面方程符合二次曲面空 間方程的標準形式；（５）利用縱向法線像差公式修正點Ｖ和點Ｍ之間的距離，最終得到非球面鏡頂點曲率半徑。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：曾理江，王浩，殷純永，
申請(專利權)人：清華大學，
類型：發明
國別省市：11[中國|北京]