CN104833319A - 透镜中心偏差测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的透镜中心偏差测量方法和系统，将待检测透镜在转台上粗装调完成后，调整测量头模块的高度，选择某一时刻转台的位置为初始位置，并记录此时分划板在CCD中的像作为参考图像，转动转台分别记录转过不同角度时对应分划板的像作为目标图像，通过图像处理模块对参考图像和目标图像进行预处理，再利用双相位编码联合变换技术求解目标图像与参考图像之间的位移矢量，最后根据位移矢量拟合圆得到待检测透镜的中心偏差，本发明利用联合变换技术，提高了光学成像部分的测量精度；同时，通过对目标图像与参考图像之间的相关运算，实现了它们之间位移矢量的亚像元测量，进而实现中心偏差的高精度测量。

Description

透镜中心偏差测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及光学测量系统技术领域，尤其是涉及一种透镜中心偏差测量系统及测量方法。

背景技术

光学镜头生产过程中的一个关键问题是如何控制透镜装配过程中的中心偏差。中心偏差的存在严重影响了光学系统的性能。为了减小镜头装配过程中的中心偏差，保证光学镜头各光学面的共轴性，需要设计和制造高精度的光学定心仪。

在传统的自准直成像定心设备中，分划板在待测面的球心处成像，该像经过待测面反射或折射后经自准直光学系统在分划板或探测器上成像。若待测面存在偏心，旋转转台使待测面围绕基准轴旋转，则掩膜板在分划板或探测器上的像随着待测面的旋转作划圆运动。划圆半径与待测光学表面的偏心存在线性关系，因此通过计算圆的轨迹半径即可求得待测面的中心偏差。

提高定心设备中心偏差测量精度的途径主要有两种：一种是提高转台的主轴回转精度；另一种是提高光学成像部分的测量精度。第一种途径受机械制造水平和加工工艺的限制，在实际应用中很难有突破性的提高；通过选择合理的图像处理方法，第二种途径可有效地提高定心仪的测量精度，具有更大的实际意义。传统的中心偏差测量装置大多采用针孔或者十字叉丝作为分划板的图案，通过拟合分划板成像的中心位置计算轨迹圆的半径。由于受到图案自身大小、形状以及探测器像元尺寸的限制，难以确定其准确的中心，降低了轨迹圆半径的测量精度。

发明内容

本发明的目的是：提供一种透镜中心偏差测量方法，该透镜中心偏差测量方法能够实现透镜中心偏差的精确测量。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种透镜中心偏差测量系统，包括转台、测量头模块及图像处理模块，所述转台上安装有待检测透镜，所述测量头模块包括沿光轴设置的光源、聚光镜、分划板、半透半反镜、内调焦透镜组、显微镜组及CCD，所述图像处理模块信号连接于所述测量头模块；

所述光源出射的光束依次经所述聚光镜、分划板后由所述半透半反镜反射进入所述内调焦透镜组，并成像于所述待检测透镜表面的球心处，记为第一球心像；所述第一球心像经所述待检测透镜表面反射后再次在上述球心处成像，记为第二球心像，所述第二球心像依次经所述内调焦透镜组、半透半反镜、显微镜组成像于所述CCD上；

所述内调焦透镜组的放大倍率可调整，调整所述内调焦透镜组的放大倍率及所述测量头模块的高度，使所述分划板在所述CCD上成像，记为参考图像；

所述转台可旋转，以不同的角度旋转所述转台至少两次，使所述分划板在所述CCD上分别成像，并记为目标图像；

所述图像处理模块用于获取所述参考图像和目标图像，并对所述参考图像和目标图像进行处理；

所述图像处理模块还用于利用双相位编码联合变换技术计算处理后的所述目标图像与参考图像之间的位移矢量；

所述图像处理模块还用于根据所述位移矢量拟合圆得到所述待检测透镜的中心偏差。

一种透镜中心偏差测量系统的测量方法，包括下述步骤：

所述光源出射的光束依次经所述聚光镜、分划板后由所述半透半反镜反射进入所述内调焦透镜组，并成像于所述待检测透镜表面的球心处，记为第一球心像；所述第一球心像经所述待检测透镜表面反射后再次在上述球心处成像，记为第二球心像，所述第二球心像依次经所述内调焦透镜组、半透半反镜、显微镜组成像于所述CCD上；

将待检测透镜安装于所述转台上，并调整所述测量头模块的高度和所述内调焦透镜组的放大倍率，使所述分划板在所述CCD上成像，记为参考图像；

以不同的角度旋转所述转台至少两次，使所述分划板在所述CCD上分别成像，并记为目标图像；

所述图像处理模块获取所述参考图像和目标图像，并对所述参考图像和目标图像进行处理；

所述图像处理模块利用双相位编码联合变换技术计算处理后的所述目标图像与参考图像之间的位移矢量；

所述图像处理模块根据所述位移矢量拟合圆得到所述待检测透镜的中心偏差。

下面对上述技术方案进一步解释：

所述图像处理模块对所述参考图像和目标图像进行处理包括滤波、边缘提取处理。

所述图像处理模块利用双相位编码联合变换技术计算处理所述目标图像与参考图像之间的位移矢量后还包括对所述目标图像与参考图像进行图像增强的处理步骤。

所述图像增强处理的方法包括：条纹调制、振幅调制、功率谱相移法、功率谱相减法或功率谱二值化。

所述图像处理模块根据所述位移矢量拟合圆得到所述待检测透镜的中心偏差，包括下述步骤：

利用所述位移矢量拟合圆，所述圆的圆心到圆上某点的矢量即为所述转台转动相应角度的偏心矢量；

所述偏心矢量采用下述公式得到所述待检测透镜的中心偏差，所述公式为：

$a=\frac{D}{\mathrm{k\β}}$

其中，k为系统系数，D为所述分划板在所述CCD上的像作划圆运动的直径，β＝β₁β₂β₃，β₁为所述显微镜组的放大倍率，β₂为所述内调焦透镜组的放大倍率，β₃为所述待检测透镜的放大倍率。

采用上述技术方案，本发明的优点是：

本发明提供的透镜中心偏差测量方法和系统，将待检测透镜在转台上粗装调完成后，调整测量头模块的高度，选择某一时刻转台的位置为初始位置，并记录此时分划板在CCD中的像作为参考图像，转动转台分别记录转台转过不同角度时对应分划板的像作为目标图像，通过图像处理模块对参考图像和目标图像进行预处理后，再利用双相位编码联合变换技术求解目标图像与参考图像之间的位移矢量，最后根据位移矢量拟合圆得到待检测透镜的中心偏差，本发明利用联合变换技术，提高了光学成像部分的测量精度；同时，本发明提供的透镜中心偏差测量系统和方法，通过对目标图像与参考图像之间的相关运算，实现了它们之间位移矢量的亚像元测量，进而实现透镜中心偏差的高精度测量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的透镜中心偏差测量系统的步骤流程图。

图2为本发明实施例提供的透镜中心偏差测量方法的结构示意图。

图3中(a)为参考图像，图3中(b)、(c)、(d)分别为转台相对于初始位置转过90°、180°、270°后取得的目标图像。

图4中(a)、(b)、(c)、(d)分别为与图3中(a)、(b)、(c)、(d)对应的经图像预处理后图像。

图5为图4采用双相位编码联合变换技术后的相关峰输出图像。

图6为利用图像位移拟合圆示意图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明实施例提供的透镜中心偏差测量系统100包括：安装有待检测透镜M的转台(图未示)、测量头模块110及与所述测量头模块110信号连接的图像处理模块(图未示)。

所述测量头模块110包括沿光轴设置的光源111、聚光镜112、分划板113、半透半反镜114、内调焦透镜组115、显微镜组116及CCD 117。

所述光源111出射的光束依次经所述聚光镜112、分划板113后由所述半透半反镜114反射进入所述内调焦透镜组115，并成像于所述待检测透镜M表面的球心处，记为第一球心像；所述第一球心像经所述待检测透镜M表面反射后再次在所述球心处成像，记为第二球心像，所述第二球心像依次经所述内调焦透镜组115、半透半反镜114、显微镜组116成像于所述CCD 117上。

具体地，所述内调焦透镜组115的放大倍率可调整，调整所述内调焦透镜组115的放大倍率及所述测量头模块110的高度，使所述分划板113在所述CCD117上成像，记为参考图像。

具体地，所述转台可旋转，以不同的角度旋转所述转台至少两次，使所述分划板113在所述CCD 117上分别成像，并记为目标图像；

所述图像处理模块用于获取所述参考图像和目标图像，并对所述参考图像和目标图像进行处理；所述图像处理模块还用于利用双相位编码联合变换技术计算处理后的所述目标图像与参考图像之间的位移矢量；所述图像处理模块还用于根据所述位移矢量拟合圆得到所述待检测透镜的中心偏差。

请参阅图2，上述透镜中心偏差测量系统的测量方法，包括下述步骤：

步骤S110：所述光源111出射的光束依次经所述聚光镜112、分划板113后由所述半透半反镜114反射进入所述内调焦透镜组115，并成像于所述待检测透镜M表面的球心处，记为第一球心像；所述第一球心像经所述待检测透镜M表面反射后再次在上述球心处成像，记为第二球心像，所述第二球心像依次经所述内调焦透镜组115、半透半反镜114、显微镜组116成像于所述CCD上；

步骤S120：将待检测透镜M安装于所述转台上，并调整所述测量头模块110的高度和所述内调焦透镜组115的放大倍率，使所述分划板113在所述CCD117上成像，记为参考图像；

可以理解，将待检测透镜M放置在转台上，调整测量头模块110的高度以及内调焦透镜组115的放大倍率，直至分划板113在CCD 117中清晰成像，此时测量头模块110的物点在待检测透镜光学A表面球心附近，选择此时的位置为初始位置，并记录此时CCD 117上分划板113的像为参考图像，如图3中(a)所示。

步骤S130：以不同的角度旋转所述转台至少两次，使所述分划板在所述CCD上分别成像，并记为目标图像；

具体地，转动转台，并记录转台在相应位置的目标图像，如图3中(b)、(c)、(d)分别为转台相对于初始位置转过90°、180°、270°后取得的目标图像。

步骤S140：所述图像处理模块获取所述参考图像和目标图像，并对所述参考图像和目标图像进行处理；

具体地，所述图像处理模块对所述参考图像和目标图像进行处理包括滤波、边缘提取处理，请参阅图4中(a)、(b)、(c)、(d)为与图3中(a)、(b)、(c)、(d)经图像处理模块处理后的对应的图像。

步骤S150：所述图像处理模块利用双相位编码联合变换技术计算处理后的所述目标图像与参考图像之间的位移矢量；

具体地，设目标图像和参考图像存在位移(x₀,y₀)，参考图像表示为r(x,y)，则目标图像表示为t(x+x₀,y+y₀)。

定义物空间[0,2π]之间均匀分布的随机相位函数为θ(x,y)，其相位掩模为

式中i为虚数单位。利用相位掩模对参考图像r(x,y)进行相位编码，其编码方法为

其中r'(x,y)为编码后的参考图像，表示卷积运算。将编码后的参考图像r'(x,y)与目标图像t(x+x₀,y+y₀)相加作为输入图像f(x,y)，即

f(x,y)＝r'(x,y)+t(x+x₀,y+y₀)  (4)

设f(x,y)、r(x,y)、t(x,y)、的傅里叶频谱分别为F(u,v)、R(u,v)、T(u,v)、Φ(u,v)。对输入图像f(x,y)进行傅里叶变换，则其傅里叶频谱可表示为

其中FT表示傅里叶变换。傅里叶频谱F(u,v)模的平方为其联合功率谱S(u,v)，即

$\begin{array}{c}S(u,v)={\left|F(u,v)\right|}^2\\ ={\left|R(u,v)\right|}^2{\left|\mathrm{\Φ}(u,v)\right|}^2+{\left|T(u,v)\right|}^2\\ +R(u,v)\mathrm{\Φ}(u,v)T^{*}(u,v)\exp (\mathrm{iu}{x}_o+\mathrm{jv}{y}_0)\\ +R^{*}(u,v){\mathrm{\Φ}}^{*}(u,v)T(u,v)\exp (-\mathrm{iu}{x}_0-\mathrm{jv}{y}_0)\end{array}---\left(6\right)$

使用相位函数与联合功率谱S(u,v)相乘进行编码，其编码方法为

$\begin{array}{c}{S}^{\′}(u,v)={\left|R(u,v)\right|}^2\mathrm{\Φ}(u,v)+{\left|T(u,v)\right|}^2\frac{\mathrm{\Φ}(u,v)}{{\left|\mathrm{\Φ}(u,v)\right|}^2}\\ +R(u,v)\frac{\mathrm{\Φ}{(u,v)}^2}{{\left|\mathrm{\Φ}(u,v)\right|}^2}{T}^{*}(u,v)\exp (\mathrm{iu}{x}_0+\mathrm{jv}{y}_0)\\ +R^{*}(u,v)T(u,v)\exp (-\mathrm{iu}{x}_0-\mathrm{jv}{y}_0)\end{array}---\left(7\right)$

其中S'(u,v)为编码后的联合功率谱。对编码后的联合功率谱S'(u,v)进行二维傅里叶逆变换得到相关输出项

式中FT^-1表示傅里叶逆变换。公式(8)即相关输出中前三项均含有随机相位随机相位将前三项以随机噪声的形式散射到整个输出面，使输出面仅含有第四项相关项。根据第四项相关峰的位置即可求出位移矢量(x₀,y₀)。

可以理解，上述公式(8)所示的相关输出会含有较大的噪声，且互相关峰含有较宽的旁瓣，这些均不利于图像位移的探测，因此在通过所述图像处理模块利用双相位编码联合变换技术计算处理所述目标图像与参考图像之间的位移矢量后还包括对所述目标图像与参考图像进行图像增强处理的步骤，其中，通过图像增强处理的方法包括条纹调制、振幅调制、功率谱相移法、功率谱相减法、功率谱二值化等，这些方法均可取得较好的效果；此外，为得到亚像元精度的位移矢量，找到相关峰的整数坐标后，在一个3×3领域窗口内利用质心算法求其亚像元坐标，该亚像元坐标即为图像的位移矢量，依次求解图3中(b)、(c)、(d)相对于图3中(a)的位移矢量，从而得到图5中(b)、(c)、(d)所示的相关输出图像。

步骤S160：所述图像处理模块根据所述位移矢量拟合圆得到所述待检测透镜的中心偏差。

具体地，步骤S160通过采用下述技术方案实现：

步骤S161：利用所述位移矢量拟合圆，所述圆的圆心到圆上某点的矢量即为所述转台转动相应角度的偏心矢量；

优选地，本实施例中以参考图像中心点A为原点，平行于CCD 117相邻两边为轴建立坐标系，如图6所示，表示求得的图像位移。利用位移矢量的起点和所有终点拟合圆，圆心为O。分划板113像的划圆中心在基准轴上，在划圆过程中像的形状和大小并没有发生变化，因此利用位移矢量拟合圆得到的圆心与划圆中心重合，且均在基准轴上。圆心O到圆上点的矢量即为转台转动相应角度后经内调焦透镜组115放大的偏心矢量。

步骤S162：所述偏心矢量采用下述公式得到所述待检测透镜M的中心偏差，所述公式为：

$a=\frac{D}{\mathrm{k\β}}---\left(1\right)$

其中，k为系统系数，D为所述分划板113在所述CCD 117上的像作划圆运动的直径，β＝β₁β₂β₃，β₁为所述显微镜组116的放大倍率，β₂为所述内调焦透镜组115的放大倍率，β₃为所述待检测透镜M的放大倍率。优选地，k为4。

本实施例中测得拟合圆半径为22.55pixel，由公式(1)计算可得到待检测透镜M的中心偏差。

按照以上所得的中心偏差大小和方向调整待测光学面，若调整后的中心偏心在公差范围内则完成工作，若不在公差范围内，则重复以上步骤，直至中心偏差在公差范围内。

本发明提供的透镜中心偏差测量方法和系统，将待检测透镜在转台上粗装调完成后，调整测量头模块的高度，选择某一时刻转台的位置为初始位置，并记录此时分划板在CCD中的像作为参考图像，转动转台分别记录转台转过不同角度时对应分划板的像作为目标图像，通过图像处理模块对参考图像和目标图像进行预处理后，再利用双相位编码联合变换技术求解目标图像与参考图像之间的位移矢量，最后根据位移矢量拟合圆得到待检测透镜的中心偏差，本发明利用联合变换技术，提高了光学成像部分的测量精度；同时，本发明提供的透镜中心偏差测量系统和方法，通过对目标图像与参考图像之间的相关运算，实现了它们之间位移矢量的亚像元测量，进而实现透镜中心偏差的高精度测量。

当然本发明的透镜中心偏差测量系统还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (6)

1.一种透镜中心偏差测量系统，其特征在于，包括转台、测量头模块及图像处理模块，所述转台上安装有待检测透镜，所述测量头模块包括沿光轴设置的光源、聚光镜、分划板、半透半反镜、内调焦透镜组、显微镜组及CCD，所述图像处理模块信号连接于所述测量头模块；

所述光源出射的光束依次经所述聚光镜、分划板后由所述半透半反镜反射进入所述内调焦透镜组，并成像于所述待检测透镜表面的球心处，记为第一球心像；所述第一球心像经所述待检测透镜表面反射后再次在上述球心处成像，记为第二球心像，所述第二球心像依次经所述内调焦透镜组、半透半反镜、显微镜组成像于所述CCD上；

所述内调焦透镜组的放大倍率可调整，调整所述内调焦透镜组的放大倍率及所述测量头模块的高度，使所述分划板在所述CCD上成像，记为参考图像；

所述转台可旋转，以不同的角度旋转所述转台至少两次，使所述分划板在所述CCD上分别成像，并记为目标图像；

所述图像处理模块用于获取所述参考图像和目标图像，并对所述参考图像和目标图像进行处理；

所述图像处理模块还用于利用双相位编码联合变换技术计算处理后的所述目标图像与参考图像之间的位移矢量；

所述图像处理模块还用于根据所述位移矢量拟合圆得到所述待检测透镜的中心偏差。

2.一种根据权利要求1所述的透镜中心偏差测量系统的测量方法，其特征在于，包括下述步骤：

所述光源出射的光束依次经所述聚光镜、分划板后由所述半透半反镜反射进入所述内调焦透镜组，并成像于所述待检测透镜表面的球心处，记为第一球心像；所述第一球心像经所述待检测透镜表面反射后再次在上述球心处成像，记为第二球心像，所述第二球心像依次经所述内调焦透镜组、半透半反镜、显微镜组成像于所述CCD上；

将待检测透镜安装于所述转台上，并调整所述测量头模块的高度和所述内调焦透镜组的放大倍率，使所述分划板在所述CCD上成像，记为参考图像；

以不同的角度旋转所述转台至少两次，使所述分划板在所述CCD上分别成像，并记为目标图像；

所述图像处理模块获取所述参考图像和目标图像，并对所述参考图像和目标图像进行处理；

所述图像处理模块利用双相位编码联合变换技术计算处理后的所述目标图像与参考图像之间的位移矢量；

所述图像处理模块根据所述位移矢量拟合圆得到所述待检测透镜的中心偏差。

3.根据权利要求2所述的透镜中心偏差测量系统的测量方法，其特征在于，所述图像处理模块对所述参考图像和目标图像进行处理包括滤波、边缘提取处理。

4.根据权利要求2所述的透镜中心偏差测量系统的测量方法，其特征在于，所述图像处理模块利用双相位编码联合变换技术计算处理所述目标图像与参考图像之间的位移矢量后还包括对所述目标图像与参考图像进行图像增强的处理步骤。

5.根据权利要求4所述的透镜中心偏差测量系统的测量方法，其特征在于，所述图像增强处理的方法包括：条纹调制、振幅调制、功率谱相移法、功率谱相减法或功率谱二值化。

6.根据权利要求2所述的透镜中心偏差测量系统的测量方法，其特征在于，所述图像处理模块根据所述位移矢量拟合圆得到所述待检测透镜的中心偏差，包括下述步骤：

利用所述位移矢量拟合圆，所述圆的圆心到圆上某点的矢量即为所述转台转动相应角度的偏心矢量；

所述偏心矢量采用下述公式得到所述待检测透镜的中心偏差，所述公式为：

$a=\frac{D}{\mathrm{k\β}}$

其中，k为系统系数，D为所述分划板在所述CCD上的像作划圆运动的直径，β＝β₁β₂β₃，β₁为所述显微镜组的放大倍率，β₂为所述内调焦透镜组的放大倍率，β₃为所述待检测透镜的放大倍率。