CN102175183A - 基于位移传感器的球面曲率半径检测方法 - Google Patents

Abstract

基于位移传感器的球面曲率半径检测方法属于光学检测技术领域。现有技术采用自准直球径仪检测球面曲率半径，检测范围有限。本发明由成像光学系统对无穷远处清晰成像，此时成像光学系统主面H的位置为初始零点；再由成像光学系统通过调焦对一个近距离物点A清晰成像，得到成像光学系统主面H的位移ΔS₁′；将待测球面加入到物点A与无穷远处之间，待测球面顶点位于成像光学系统光轴上，并且与成像光学系统像面相距定值L，由成像光学系统通过调焦对物点A的待测球面反射像A′清晰成像，得到成像光学系统主面H的位移ΔS₂′；根据所得到的位移ΔS₁′、ΔS₂′以及成像光学系统的焦距f、待测球面顶点与成像光学系统像面相距定值L计算待测球面的曲率半径r。

Description

基于位移传感器的球面曲率半径检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于位移传感器的球面曲率半径检测方法，用于检测凹、凸球面曲率半径，属于光学检测技术领域。

背景技术

现有技术采用自准直球径仪检测球面曲率半径。自准直球径仪是一种光学检测仪器，检测光学样板、透镜等的曲率半径，该仪器根据抛光球面的反射成像原理而设计。采用自准直球径仪检测球面曲率半径的方法包括以下步骤：由自准直球径仪中的自准直显微镜分别对被测球面顶点和球心调焦成像，人眼通过目镜分别看到或者由图像传感器及图像处理器分别探测被测球面顶点和球心清晰无视差的自准直像。而自准直显微镜在所述调焦过程中沿轴向移动的距离，即为待测球面的曲率半径。该方法不仅具有非接触的特点，能够避免因接触检测所引起的检测误差及对被测件的损伤，而且重复性好，检测效率与精度都较高。但是，该方法的检测范围有限，当检测凹球面曲率半径时，由于自准直显微镜导轨行程的限制，检测范围限于2～1200mm，而对应这一检测范围，自准直球径仪的体积已经很大；当检测凸球面曲率半径时，由于大半径凸球面的球心像已经超出自准直显微镜的检测范围，检测范围只有2～30mm。

发明内容

为了克服现有采用自准直球径仪检测球面曲率半径所存在的检测范围小的不足，我们发明了一种基于位移传感器的球面曲率半径检测方法。

本发明之检测方法其特征在于，见图1所示，由成像光学系统1对无穷远处清晰成像，此时成像光学系统1主面H的位置为初始零点；再由成像光学系统1通过调焦对一个近距离物点A清晰成像，得到成像光学系统1主面H的位移ΔS₁′；将待测球面2加入到物点A与无穷远处之间，待测球面2顶点位于成像光学系统1光轴上，并且与成像光学系统1像面相距定值L，由成像光学系统1通过调焦对物点A的待测球面2反射像A′清晰成像，得到成像光学系统1主面H的位移ΔS₂′；根据所得到的位移ΔS₁′、ΔS₂′以及成像光学系统1的焦距f、待测球面2顶点与成像光学系统1像面相距定值L计算待测球面2的曲率半径r。

下面结合检测装置说明本发明之检测方法的技术效果，见图1、图2所示，成像光学系统1的位置调整或者说调焦是由上位机3指令控制与处理电路4控制电机5驱动凸轮筒6来实现。在所述三个成像过程中，CCD图像传感器7将来自成像光学系统1的视频图像信号传输给上位机3，由上位机3通过计算机图像识别技术识别视频图像的清晰程度，同时指令控制与处理电路4控制电机5，直到视频图像最清晰，此时成像光学系统1对焦成功。在所述调焦过程中，成像光学系统1在光路中的位移如ΔS₁′、ΔS₂′经由位移传感器8探测，并由控制与处理电路4读取后传递给上位机3，由上位机3据此计算出待测球面2的曲率半径r并显示计算结果。本发明之检测方法仍然属于非接触检测，对待测件的检测表面没有损伤。同时，由于该检测方法基于球面反射镜的成像而实现，计算出经待测球面2反射成像的物与像的位置关系，依据光学反射成像定律计算出待测球面2的曲率半径，所以检测范围大，能够检测具有任意曲率半径的凹、凸球面，甚至平面。由于待测球面2与成像像面相距定值L，所以检测范围与检测装置的体积之间不存在正比关系，检测装置整体体积小，检测过程中操作简便，适合在普通实验室中检测。

附图说明

图1是本发明之检测方法成像步骤及各成像步骤的成像关系示意图，该图兼作为摘要附图。图2是本发明之检测方法所采用的检测装置结构示意图。

具体实施方式

本发明之检测方法具体是这样实施的，见图1、图2所示，由成像光学系统1对无穷远处清晰成像，此时成像光学系统1主面H的位置为初始零点。成像光学系统1的焦距f＝45.8mm。再由成像光学系统1通过调焦对一个近距离物点A清晰成像，得到成像光学系统1主面H的位移ΔS₁′＝45.80mm。物点A与所述初始零点相距二倍焦距2f＝91.6mm，采用LED灯作为物点A。将待测球面2加入到物点A与无穷远处之间。待测球面2为一个待测件凹面镜的标称曲率半径为-100.00mm的凹球面。待测球面2顶点位于成像光学系统1光轴上，并且与成像光学系统1像面相距定值L＝213.2mm，由成像光学系统1通过调焦对物点A的待测球面2反射像A′清晰成像，得到成像光学系统1主面H的位移ΔS₂′＝11.32mm。根据所得到的位移ΔS₁′、ΔS₂′以及成像光学系统1的焦距f、待测球面2顶点与成像光学系统1像面相距定值L计算待测球面2的曲率半径r。计算步骤如下：

$A,\left\{\begin{array}{c}{l_1}^{\′}=f+{\mathrm{\ΔS}}_1^{\′}\\ {l_2}^{\′}=f+{\mathrm{\ΔS}}_2^{\′}\end{array}\right.$

$B,\left\{\begin{array}{c}{l}_1=\frac{f\×{l_1}^{\′}}{f-{l_1}^{\′}}\\ l_2=\frac{f\×{l_2}^{\′}}{f-{l_2}^{\′}}\end{array}\right.$

$C,\left\{\begin{array}{c}{l}_r=L-{l_1}^{\′}+l_1\\ {l_r}^{\′}={l_2}^{\′}-l_2-L\end{array}\right.$

$D,r=\frac{2l_r{l_r}^{\′}}{{l_r}^{\′}-l_r}$

在上述公式中：l₁′是成像光学系统1对物点A清晰成像时的像距，l₂′是成像光学系统1对物点A的待测球面2反射像A′清晰成像时的像距，f是成像光学系统1的焦距，ΔS′₁是成像光学系统1对物点A清晰成像后其主面H相对于初始零点的位移，ΔS′₂是成像光学系统1对物点A的待测球面2反射像A′清晰成像后其主面H相对于初始零点的位移，l₁是成像光学系统1对物点A清晰成像时的物距，l₂是成像光学系统1对物点A的待测球面2反射像A′清晰成像时的物距，l_r是待测球面2对物点A反射成像的物距，l_r′是待测球面2对物点A反射成像的像距，L是待测球面2顶点与成像光学系统1像面相距定值，r是待测球面2的曲率半径。

最后计算出待测件凹面镜的凹球面曲率半径为-99.98mm，与标称值非常接近，说明本发明之方法的检测精度非常高。

Claims (2)

1.一种基于位移传感器的球面曲率半径检测方法，其特征在于，由成像光学系统(1)对无穷远处清晰成像，此时成像光学系统(1)主面H的位置为初始零点；再由成像光学系统(1)通过调焦对一个近距离物点A清晰成像，得到成像光学系统(1)主面H的位移ΔS₁′；将待测球面(2)加入到物点A与无穷远处之间，待测球面(2)顶点位于成像光学系统(1)光轴上，并且与成像光学系统(1)像面相距定值L，由成像光学系统(1)通过调焦对物点A的待测球面(2)反射像A′清晰成像，得到成像光学系统(1)主面H的位移ΔS₂′；根据所得到的位移ΔS₁′、ΔS₂′以及成像光学系统(1)的焦距f、待测球面(2)顶点与成像光学系统(1)像面相距定值L计算待测球面(2)的曲率半径r。

2.根据权利要求1所述的球面曲率半径检测方法，其特征在于，待测球面(2)的曲率半径r计算步骤如下：

$A,\left\{\begin{array}{c}{l_1}^{\′}=f+{\mathrm{\ΔS}}_1^{\′},\\ {l_2}^{\′}=f+\mathrm{\Δ}{S}_2^{\′};\end{array}\right.$

$B,\left\{\begin{array}{c}{l}_1=\frac{f\×{l_1}^{\′}}{f-{l_1}^{\′}},\\ l_2=\frac{f\×{l_2}^{\′}}{f-{l_2}^{\′}};\end{array}\right.$

$C,\left\{\begin{array}{c}{l}_r=L-{l_1}^{\′}+l_1,\\ {l_r}^{\′}={l_2}^{\′}-l_2-L;\end{array}\right.$

$D,r=\frac{2l_r{l_r}^{\′}}{{l_r}^{\′}-l_r};$

在上述公式中：l₁是成像光学系统(1)对物点A清晰成像时的像距，l₂′是成像光学系统(1)对物点A的待测球面(2)反射像A′清晰成像时的像距，f是成像光学系统(1)的焦距，ΔS′₁是成像光学系统(1)对物点A清晰成像后其主面H相对于初始零点的位移，ΔS′₂是成像光学系统(1)对物点A的待测球面(2)反射像A′清晰成像后其主面H相对于初始零点的位移，l₁是成像光学系统(1)对物点A清晰成像时的物距，l₂是成像光学系统(1)对物点A的待测球面(2)反射像A′清晰成像时的物距，l_r是待测球面(2)对物点A反射成像的物距，l_r′是待测球面(2)对物点A反射成像的像距，L是待测球面(2)顶点与成像光学系统(1)像面相距定值，r是待测球面(2)的曲率半径。

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