CN105203048A - 曲率半径测量系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于曲面反射镜的曲率半径测量系统，包括：支架，用于放置曲面反射镜或平面反射镜；环形光源，与曲面反射镜或平面反射镜的反射面相对放置；以及图像获取单元，用于获取环形光源经由曲面反射镜或平面反射镜反射而获得的图像，其中，环形光源与曲面反射镜或平面反射镜相隔适当的距离以使得环形光源能够经由曲率反射镜或平面反射镜在图像获取单元中成像。

Description

曲率半径测量系统和方法

技术领域

本发明涉及光学测量领域，特别地涉及反射镜的曲率半径测量系统和方法。

背景技术

在激光器中通常使用各种曲面反射镜，例如球面反射镜、双锥形反射镜、柱面反射镜等，为了确定并检测曲面反射镜的性质，通常需要测量其曲率半径的大小，传统的曲率半径测量仪主要包括数字波面干涉仪和接触式球径仪。

数字波面干涉仪可对曲率半径进行直接测量和间接测量，干涉测量的优点是，测量过程中无测量力影响，不会损伤被测件表面，测量比较精确。干涉测量的缺点是，价格是普通仪器的几十倍，成本过高。

接触式球径仪是用来测量球面曲率半径的一种仪器，把镜片放置在仪器上，利用支撑球触碰镜片表面可以精确地测出曲率半径，但该装置只能测量球面反射镜的曲率半径并且接触镜片表面容易损伤镜片的反射膜。

因此人们需要一种非接触式的低成本的精确测量仪器。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种用于曲面反射镜的曲率半径测量系统和方法。

本发明提供一种用于曲面反射镜的曲率半径测量系统，包括：支架，用于放置曲面反射镜或平面反射镜；环形光源，与曲面反射镜或平面反射镜的反射面相对放置；以及图像获取单元，用于获取环形光源经由曲面反射镜或平面反射镜反射而获得的图像，其中，环形光源与曲面反射镜或平面反射镜相隔适当的距离以使得环形光源能够经由曲率反射镜或平面反射镜在图像获取单元中成像。

根据本发明提供的曲率半径测量系统，其中，图像获取单元包括照相机和镜头。

根据本发明提供的曲率半径测量系统，其中，环形光源由沿圆周均匀布置的LED组成。

根据本发明提供的曲率半径测量系统，其中，照相机是CCD照相机，镜头是定焦镜头。

根据本发明提供的曲率半径测量系统，还包括图像处理部分，图像处理部分用于对图像获取单元所获得的图像进行计算处理，得到曲面反射镜的曲率半径。

根据本发明提供的曲率半径测量系统，还包括中间平台，其中支架包括上部平台和支柱，上部平台与中间平台之间相隔一定距离并用支柱支撑。

根据本发明提供的曲率半径测量系统，其中，上部平台的中央有孔，孔的内部边缘安装有镜片固定器，用于固定曲面反射镜。

根据本发明提供的曲率半径测量系统，其中，镜头安装在照相机上并穿过中间平台的中央的孔而突出于中间平台，照相机位于中间平台下方，环形光源围绕镜头位于中间平台上。

本发明还提供一种用于曲面反射镜的曲率半径测量方法，包括：获取经平面反射镜所反射的环形光源的图像作为参考图像；获取经曲面反射镜所反射的环形光源的图像；获得两个图像的大小；以及根据两个图像的大小来计算曲面反射镜的曲率半径。

根据本发明提供的曲率半径测量方法，还包括在获得两个图像的大小之前对两个图像进行滤波处理以得到清晰的图像。

根据本发明提供的曲率半径测量方法，其中，利用以下公式来计算曲率半径：

$R=\frac{L}{1-n_{\∞}/n},$

其中，R是曲面反射镜的曲率半径，L是环形光源与反射镜之间的距离，n_∞是使用平面反射镜所生成图像的大小，n是使用曲面反射镜所生成的图像的大小，其中L大于镜头焦距的2倍以使得环形光源在照相机上成像。

根据本发明提供的曲率半径测量方法，其中，获得两个图像的大小包括利用最小二乘拟合算法。

根据本发明提供的曲率半径测量方法，其中，如果曲面反射镜所生成的图像为圆形，则图像的大小是圆形图像的直径大小；如果曲面反射镜所生成的图像为椭圆形，则图像的大小是椭圆形图像的长轴和短轴的大小。

与现有技术相比，本发明的系统和方法不接触镜片，从而不会对镜片造成损伤；可以测量多种反射镜，例如球面反射镜、双锥形反射镜、柱面反射镜等；成本低、结构简单、操作容易、测量结果精确。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1是根据本发明的实施例的曲率半径测量系统的示意图；

图2是根据本发明的实施例的曲率半径测量系统的展开系统原理示意图；以及

图3是根据本发明的实施例的曲率半径测量系统的布局示意图。

具体实施方式

图1是根据本发明的一个实施例的曲率半径测量系统的示意图。如图1所示，该系统包括三个平台，即上部平台101、中间平台102和下部平台103。

上部平台101的中央有孔，孔的内部边缘安装有镜片固定器110，用于固定曲面反射镜。镜片固定器110还具有镜片夹钳111和适配器109。适配器109是安装在镜片固定器110的孔中的环形元件，不同尺寸的镜片采用不同的适配器。镜片夹钳111位于镜片固定器110两侧，用于夹住镜片。

上部平台101和中间平台102之间具有四个上部支柱112，上部支柱112与上部平台101之间可以具有弹簧107，可以减缓外部振动对系统组件的影响。图1中仅示出了三个上部支柱112，以使得露出内部结构。注意，上部支柱112需要精确地相等以确保曲面镜垂直于光轴。

中间平台102的中央有孔，镜头105穿过孔突出于中间平台102，镜头105下部安装有照相机106，环形光源104位于中间平台102上并由围绕镜头105沿圆周均匀排列的LED组成。可以根据需要来选择LED的光学参数、个数、圆环直径和间隔角度，例如，采用功率为5mW白色LED，圆环直径为61mm，LED个数为12个，间隔角度为30度。照相机106和镜头105一起用于对环形光源的光经反射镜反射所成的图像进行拍摄。例如，照相机106是1040*1392像素分辨率的CCD照相机，镜头102是35mm焦距的定焦镜头。上部平台101和中间平台102之间的距离需要大于镜头焦距的2倍以使得环形光源104可以在照相机106上成像。

照相机106可以通过数据传输线连接至图像处理部分(未图示)，图像处理部分可以是例如计算机，计算机上可以安装数据采集卡，用于对照相机106拍摄的数据进行采集，然后计算机上的软件可以对所采集的图像进行图像处理。

下部平台103用作整个系统的安装平台，下部平台101与中间平台102之间具有四个下部支柱113。下部平台103底部的四角具有半球底座108，用于减缓外部振动对仪器的影响。下部支柱113需要精确地调节以确保镜垂直于光轴。

该系统还具有LED供电电源114，用于对LED进行供电。LED供电电源114可以是5V直流电源，所有LED并联接入该电源。

本实施例中的上述组成部件并不是唯一的，可以根据实际情况进行省略和替换。例如在水平放置的情况下，上部平台和支柱可以用支架代替，只要可以放置反射镜即可，下部平台可以省略，图像处理部分也可以合并在照相机中，只要满足曲面反射镜、环形光源、照相机和镜头之间的位置关系，从而使得环形光源在照相机上成像即可。

图2是根据本发明的实施例的曲率半径测量系统的系统原理图。

本发明的目的是确定光环在通过平面镜直接观察以及之后通过未知的反射镜(假定为球面镜)观察的图像大小的变化，即仅需要确定的是光环的图像的直径变化。现在参考图2所示的展开系统。大小为A的对象放置在与成像透镜(即镜头)f_CCD距离2L的地方。在满足1/d＝1/f_CCD-1/2L的距离d处检测图像。图像的大小满足

$\frac{n_{\∞}}{d}=\frac{A}{2L}=\tan \mathrm{\α},---\left(1\right)$

其中α是对象所指向的角度，n_∞是利用平面反射镜所成图像的大小。

对于随后的推导，我们认为照相机镜头等价于放置在相同距离处的针孔，其在测量期间不改变。成像距离d被认为是恒定的。

假设屈光度为1/f的透镜插入至对象和针孔之间，将在与初始对象距离Δ处形成虚拟图像A’。在图像平面中，大小的变化符合以下公式：

$\frac{n}{d}=\frac{A^{\′}}{2L+{\mathrm{\Δ}}^{\·}}---\left(2\right)$

为了找到A’、Δ和f之间的关系，我们构造了通过未知透镜f中心的、来自(0,A)的光线之间的交点的虚拟图像，满足：

$y=-\frac{A}{L}x+A,---\left(3\right)$

通过点(L,A/2)的初始射线折射一个角度

通过根据要测量的曲率半径适当地选择装置的大小，可以准确得到近似例如，对于L＝267mm，A＝32.5mm，使用最小的要测量的曲率半径(在该情况下为1400mm)，上述近似被很好地证实。注意，该近似不涉及任何旁轴近似tanα＝α，因为这具有更多的限制。

从等式(3)和(4)，可以得到交点：

$\mathrm{\Δ}=\frac{L}{f/L-1};A^{\′}=\frac{A}{1-L/f^{\·}}---\left(5\right)$

将等式(5)代入等式(1)和(2)，我们得到该系统的特别简单的特征公式：

$R=\frac{L}{1-n_{\∞}/n},---\left(6\right)$

其中，R＝2f是未知曲率反射镜的曲率半径，n_∞是参考平面镜所成的图像大小(例如，如果利用CCD照相机拍摄，则用像素表示)，n是利用未知曲率反射镜所得到的图像大小。在该最后的公式中，我们将图2的展开系统替代为图3的实际布局。

以下描述根据图1的系统进行曲率半径测量的具体方法步骤。

首先，获取经平面反射镜所反射的环形光源的图像作为参考图像，具体来说，将平面反射镜放置在适配器109上，反射面朝下，用于反射来自环形光源104的光，调节照相机106的设置，并利用照相机106和镜头105拍摄图像，由此得到该环形光源的参考图像A，该参考图像A是圆形的；第二，获取经曲面反射镜所反射的环形光源的图像，具体来说，将曲面反射镜放置在与其匹配的适配器109上，反射面朝下，保持照相机103的设置不变，利用照相机103和镜头102拍摄图像，由此得到图像B，该图像B可能是圆形或椭圆形的，本发明只考虑这两种形状的图像B；第三，对两个图像A和B进行滤波处理以得到清晰的图像，滤波处理可以使用已知的任何图像处理方法，用于基本上清除在高阈值之下的任何像素，清空已知不相关的所有区域，诸如照相机自身的图像，并最终移除任何孤立的高强度像素；第四，获得两个图像的大小，具体来说，两个图像大小通过已知的最小二乘拟合算法来得到，图像A是圆形的，图像大小用该圆形的直径大小来表示，如果B是圆形，则图像大小用该圆形的直径大小来表示，如果B是椭圆形，则图像大小用该椭圆形的长轴和短轴来表示；最后，利用以下公式来确定曲率半径：

$R=\frac{L}{1-n_{\∞}/n},$

其中，R是曲面反射镜的曲率半径，L是环形光源与曲面反射镜之间的距离，L大于镜头焦距的2倍以使得环形光源在照相机上成像，n_∞是使用平面反射镜所生成图像的大小，n是使用曲面反射镜所生成的图像的大小。具体来说，n_∞是参考图像的直径大小；在B是圆形的情况下，n是圆形的直径大小，在B是椭圆形的情况下，n是该椭圆形的长轴和短轴的大小，由此分别计算在长轴和短轴上的曲率半径。

本发明的曲率半径测量系统和方法能够确定各种曲面反射镜(特别是球面反射镜、双锥形反射镜、柱面反射镜等)的曲率半径，非常稳健，并且不需要专门的训练或光学器件的微小对准。在该应用中，将不需要光学器件的专门定位，因为可以同时拟合椭圆的短轴、长轴、以及方向。其不需要极精密加工的组件，由于其相对于平面参考镜测量，其可以容易地以合理的成本得到高精确度。此外，其是非接触技术，允许在光学器件的整个制造周期中使用，而不会损坏器件表面。更一般地，曲面反射镜所成的图像可以是其他形状，也可以根据本发明的思想将所获取图像拟合至期望图像来测量曲面镜的曲率半径，只要该曲面反射镜的表面可以用有限数量的参数来描述即可。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (13)

1.一种用于曲面反射镜的曲率半径测量系统，包括：

支架，用于放置曲面反射镜或平面反射镜；

环形光源，与曲面反射镜或平面反射镜的反射面相对放置；以及

图像获取单元，用于获取环形光源经由曲面反射镜或平面反射镜反射而获得的图像，

其中，环形光源与曲面反射镜或平面反射镜相隔适当的距离以使得环形光源能够经由曲率反射镜或平面反射镜在图像获取单元中成像。

2.根据权利要求1所述的曲率半径测量系统，其特征在于，图像获取单元包括照相机和镜头。

3.根据权利要求2所述的曲率半径测量系统，其特征在于，环形光源由沿圆周均匀布置的LED组成。

4.根据权利要求2所述的曲率半径测量系统，其特征在于，照相机是CCD照相机，镜头是定焦镜头。

5.根据权利要求1所述的曲率半径测量系统，还包括图像处理部分，图像处理部分用于对图像获取单元所获得的图像进行计算处理，得到曲面反射镜的曲率半径。

6.根据权利要求1所述的曲率半径测量系统，还包括中间平台，其中支架包括上部平台和支柱，上部平台与中间平台之间相隔一定距离并用支柱支撑。

7.根据权利要求6所述的曲率半径测量系统，其特征在于，上部平台的中央有孔，孔的内部边缘安装有镜片固定器，用于固定曲面反射镜。

8.根据权利要求6所述的曲率半径测量系统，其特征在于，镜头安装在照相机上并穿过中间平台的中央的孔而突出于中间平台，照相机位于中间平台下方，环形光源围绕镜头位于中间平台上。

9.一种用于曲面反射镜的曲率半径测量方法，包括：

获取经平面反射镜所反射的环形光源的图像作为参考图像；

获取经曲面反射镜所反射的环形光源的图像；

获得两个图像的大小；以及

根据两个图像的大小来计算曲面反射镜的曲率半径。

10.根据权利要求9所述的曲率半径测量方法，还包括在获得两个图像的大小之前对两个图像进行滤波处理以得到清晰的图像。

11.根据权利要求10所述的曲率半径测量方法，其特征在于，利用以下公式来计算曲率半径：

$R=\frac{L}{1-n_{\∞}/n},$

其中，R是曲面反射镜的曲率半径，L是环形光源与反射镜之间的距离，n_∞是使用平面反射镜所生成图像的大小，n是使用曲面反射镜所生成的图像的大小，其中L大于镜头焦距的2倍以使得环形光源在照相机上成像。

12.根据权利要求9所述的曲率半径测量方法，其特征在于，获得两个图像的大小包括利用最小二乘拟合算法。

13.根据权利要求9所述的曲率半径测量方法，其特征在于，如果曲面反射镜所生成的图像为圆形，则图像的大小是圆形图像的直径大小；如果曲面反射镜所生成的图像为椭圆形，则图像的大小是椭圆形图像的长轴和短轴的大小。