CN108151674A - 一种提高光学检测仪器精度的方法与装置 - Google Patents

一种提高光学检测仪器精度的方法与装置 Download PDF

Info

Publication number
CN108151674A
CN108151674A CN201711441716.5A CN201711441716A CN108151674A CN 108151674 A CN108151674 A CN 108151674A CN 201711441716 A CN201711441716 A CN 201711441716A CN 108151674 A CN108151674 A CN 108151674A
Authority
CN
China
Prior art keywords
light
camera
sample
reflector
measured object
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201711441716.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108151674B (zh
Inventor
王芳
郭右利
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian Shadow Optical Technology Co Ltd
Original Assignee
Dalian Shadow Optical Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian Shadow Optical Technology Co Ltd filed Critical Dalian Shadow Optical Technology Co Ltd
Priority to CN201711441716.5A priority Critical patent/CN108151674B/zh
Publication of CN108151674A publication Critical patent/CN108151674A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108151674B publication Critical patent/CN108151674B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/255—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures for measuring radius of curvature
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/245—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures using a plurality of fixed, simultaneously operating transducers
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/254—Projection of a pattern, viewing through a pattern, e.g. moiré

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明公开了一种提高光学检测仪器精度的方法与装置。本发明的硬件设备包括一个显示屏，若干相机镜头，一个反射罩和机械结构。本方案采用显示屏光源，相比于激光干涉仪，成本大幅度降低。上方相机镜头用于采集被测物中心区域反射光线，两侧相机用于采集反射罩汇聚的反射光。反射罩的设计，使得被测样品有效分析区域扩大，相机采集的点数增多，从而曲率半径R检测精度提高了。

Description

一种提高光学检测仪器精度的方法与装置
技术领域
本发明涉及图像处理领域，特别涉及一种提高光学检测仪器精度的方法与装置。
背景技术
镜片是一块玻璃或其它使用的一个或多个曲面透明材料，通过它观察事物时，使事物出现清晰、大或更小。光学镜片广泛应用于在眼镜，照相机，望远镜等精密光学系统，其中曲率半径就是球面光学元件测量中重要的参数之一。其精度将直接影响着光学系统的综合性能。目前常用的曲率半径测量方法有球径仪，表面轮廓仪法，坐标测量法，自准直仪法和干涉法等。但是各种方法各有特点，测量误差也不同。由于在光学生产的加工和制造过程中，被测的光学元件曲率半径范围较广，大到近平面，小到几毫米，目前没有任何曲率半径检测方法能同时满足不同测量范围和测量精度的要求。为在测量过程中准确测量光学球面镜的曲率半径，选择适当的测量方法，提高测量效率和保障测量的准确性。
目前，球径仪、激光干涉仪和反射式面形仪广泛应用于光学元件的曲率半径检测。
球径仪检测曲率半径
球径仪是用来测量球面曲率半径的一种仪器，分为接触式和非接触式。接触式球径仪的测量原理如1图所示。
假如已知球缺的底圆半径r和矢高h，那么球缺的球面半径就可以出式(1)求出R＝r^2/2h+h/2 式(1)
球径仪的测量有环口形和钢球形两种。由于环口形是线接触，容易磨损。改进后的环口由三个已知半径的P的钢球组成，则
R＝r^2/2h+h/2±p 式(2)
其中，正负号的取法是计算凸球面时取负号，计算凹球面对取正号。
球径仪检测范围是凹面半径范围R为-12mm～-1000mm，凸面半径范围为R为+10mm～+1000mm。
非接触式球径仪工作原理是利用自准直显微镜分别瞄准被测球面的球心和顶点表面，经球面反射后分别获得的自准直像的二者距离进行测量的。显微镜测量系统是采用高精度直线导轨移动,读数系统采用分辨率高达0.001mm高精度直线光栅测量得到的。非接触式球径仪曲率半径测量范围是凸面R≤30mm，凹面R≥25至1000mm。
激光干涉仪检测曲率半径
一般来说，只要是利用光干涉的原理来量测的仪器都可以称为干涉仪，但是干涉仪的种类繁多。激光干涉仪是以干涉测量法为原理，利用激光作为长度基准，对光学元件进行精密测量的仪器。根据光束在样品表面直接反射或透射后再反射回主机，形成测量波面。根据参考波面和测量波面干涉产生的干涉条纹，可以测量样品的表面面形和传输波面质量，样品为平面或球面。如果为非平面和非球面，则需通过加装补偿片等手段进行测量。
反射式面形仪
普通的反射式面形仪采用图像采集器和显示屏搭配，图像采集器对着被测样件拍摄其反射的显示屏上的标准结构光图像，对图像进行分析和处理得出被测表面的面形。
现有技术的缺点
在检测曲率半径较小的被测物或者被测物边缘高度差较大时，球径仪和激光干涉仪均没有提出可行的方案提高被测物表面有效分析区域，从而提高全范围曲率半径检测的精度。如图2所示为激光干涉仪工作原理图，R值较大时，被测物D表面反射光线较多，从而产生干涉的条纹数量增多，CCD采集的点数较多，所以R值分析精度较高。干涉法可以检测低频误差，当平面上高度过渡较缓时，检测效果较好。但是当到达检测边缘时，由于高度波动大，干涉条纹在小范围内密度急剧增加，非常影响分析精度，干涉仪为了避免出现检测错误，适当的过滤了高频误差，因此无法检测出边缘急剧下降部分或段差的高度。当曲率半径R值较小时，如图3所示，被测物边缘出现段差，无法准确检测出多少个波长值。
如图4所示，该面形仪对R值较大或平面可实现较好的检测，但对于R值较小的元件，由于从图像采集器的角度观测，其反射角度大，屏在球面上占面积小，造成测量点数小，从而导致测量面积小，精度低。
参考文献：袁婷,张峰,陶小平,周润,付锦江.条纹反射法检测光学反射镜面形.光子学报，2015,44(9):912004-912009。
发明内容
本发明所要解决的技术问题
当曲率半径较小或者被测物边缘高度差较大时，被测样品边缘容易出现漫反射，从而影响曲率半径检测的精度。本方案提出了一种可行性方案，通过增加反射罩，解决曲率半径较小时，扩大被测样品边缘检测区域，增加相机采集点数。
本方案的测量原理是基于光学球面的顶点反射和表面反射成像原理而设计的。如图5所示，显示屏A发出光至被测样品D，相机C采集被测样品D表面反射的光线。因为被测样品曲率半径R值较小，所以被测样品D表面分析的有效区域很小，导致相机C能采集的样本点数较少，从而影响曲率半径的检测精度。解决方案就是调整设备机械结构，通过增加反射罩或透射式光学元件来扩大被测样品表面分析区域，从而提高相机采集的点数，提高测量曲率半径R值的精度。
本发明提供的完整技术方案
本发明提供的一种提高光学检测仪器精度的装置，包括一个显示屏和若干个相机，设置在显示屏上方的反射罩或者透射式光学元件用于汇聚光线至被测物表面，设置在被测样品上方相机用于采集被测物中心区域透射光或反射光，设置在被测物体两侧相机用于采集透射光或反射光。
优选的，相机为三个；一个设置在被测样品上方相机用于采集被测物中心区域透射光或反射光，另外两个设置在被测物体两侧相机用于采集透射光或反射光
本发明另外提供一种提高光学检测仪器精度的方法，设置在显示屏上方的反射罩或者透射式光学元件用于汇聚光线至被测物表面，设置在被测样品上方相机镜头用于采集被测物中心区域透射光或反射光，设置在被测物体两侧相机用于采集透射光或反射光。
本方案的机械结构原理图见图6，被测样品放置在放置台上，显示屏安装在被测样品的上方，被测样品上方和两侧分别放置一个相机用于全方位采集像素点。检测时，首先由投影设备投出标准的特征图像，该特征图像可以为单条或多条线段或直线，通过反射罩B反射在被测样品上表面。该特征也可以为灰度条纹，通过工业相机采集对应的反射图像。后端对采集图像进行分析，利用亚像素算法计算出对应特征在显示芯片上的位置，并利用几何光学理论计算于投影光线的交点，该交点即为3D位置。反射罩B可以汇聚更多的光，使得被测样品表面分析区域变大，从而增加了相机C的采集数据数量。采集点数越多，越利于曲率半径R检测的精度提高。
本发明技术方案带来的有益效果
本方案采用显示屏光源，相比于激光干涉仪，成本大幅度降低。上方相机镜头用于采集被测物中心区域反射光线，两侧相机用于采集反射罩汇聚的反射光。反射罩的设计，使得被测样品有效分析区域扩大，相机采集的点数增多，从而曲率半径R检测精度提高了。
附图说明
图1球径仪工作原理图。
图2所示为激光干涉仪工作原理图。
图3 R值较小时，高度段差。
图4 R值较大时，反射式面形仪反射光线示意图。
图5 R值较小时，反射式面形仪在高度段差处光线发散示意图。
图6本方案结构示意图。
图7替代本方案的结构示意图。
图8采用增透模式示意图。
图9装置检测流程图。
图10被测样品反射光的几何原理图。
图11反射光的仿真路线图。
图12无反射罩示意图。
图13反射光汇聚路线。
附图标示：A为显示屏，B为反射罩，C为相机，D为被测样品，E为放置台，F为透射式光学元件。
具体实施方式
以一束发射光为例，阐述本技术方案的具体实施过程。
主要的硬件设备配置，19寸显示屏A和像素130万的相机C若干。如图5所示，当曲率半径很小或者被测样品边缘有较大的高度差时，在被测样品两侧，显示屏光经过被测样品表面反射后，超出了相机的采集范围。如图6所示，使用本技术方案，显示屏A发出光源经过反射罩B至被测样品D表面，相机C采集被测样品D反射光。被测样品D表面有效分析区域增加，从而相机C能采集的样本点数增多，曲率半径R的分析结果精度提高显著。
设备检测流程如图9，被测样品反射光的几何原理图，见图10。被测样品表面反射光的仿真线路图，见图11。在黑色屏幕上显示一个亮点,相机所获取像将显示一块亮斑,根据针孔相机模型和反射定律可知,在这块亮斑的区域,来自屏幕的入射光线与反射回到相机的反射光线的角平分线方向便是和显示屏亮点对应的镜面点的法线方向。换句话说,只要知道亮点在显示屏幕上的位置、相机小孔位置以及与显示屏亮点所对应的反射镜面点的位置，就能推算出被测表面对应点的斜率，最后通过多项式拟合或者积分法推算出被测样品的形状。
本发明提供两种增加精度的方式：反射和透射
如图7所示，采用与本技术方案同样的测量原理，仅改变相机和LED显示屏的位置和数量，仍通过使用反射罩来增加有效分析区域，提高相机采集的点数。
如图8所示，采用与本技术方案同样的测量原理，通过使用透射光学元件来增加有效分析区域，提高相机采集的点数。
总结：本发明创新点在于通过在光学系统中追加反射光学元件的方式来增加检测面积和提高检测精度；通过在光学系统中追加透射光学元件的方式来增加检测面积和提高检测精度；该方法与装置不局限于单图像采集器、单标准显示板的方式。任何采用追加反射或透射光学元件以达到增加检测面积、提高检测精度的方式都应包含在内。

Claims (3)

1.一种提高光学检测仪器精度的装置，其特征在于，所述装置包括一个显示屏和若干相机，设置在显示屏上方的反射罩或者透射式光学元件用于汇聚光线至被测物表面，设置在被测样品上方相机用于采集被测物中心区域透射光或反射光，设置在被测物体两侧相机用于采集透射光或反射光。
2.根据权利要求1所述的一种提高光学检测仪器精度的装置，其特征在于，相机为三个；一个设置在被测样品上方相机用于采集被测物中心区域透射光或反射光，另外两个设置在被测物体两侧相机用于采集透射光或反射光。
3.一种提高光学检测仪器精度的方法，设置在显示屏上方的反射罩或者透射式光学元件用于汇聚光线至被测物表面，设置在被测样品上方相机用于采集被测物中心区域透射光或反射光，设置在被测物体两侧相机用于采集透射光或反射光；
检测时，首先由投影设备投出标准的特征图像，该特征图像为单条或多条线段或直线，通过反射罩反射在被测样品上表面，或通过透射式光学元件汇聚发散的光线至被测样品表面；后端对采集图像进行分析，利用亚像素算法计算出对应特征在显示芯片上的位置，并利用几何光学理论计算于投影光线的交点，该交点即为3D位置。
CN201711441716.5A 2017-12-27 2017-12-27 一种提高光学检测仪器精度的方法与装置 Active CN108151674B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711441716.5A CN108151674B (zh) 2017-12-27 2017-12-27 一种提高光学检测仪器精度的方法与装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711441716.5A CN108151674B (zh) 2017-12-27 2017-12-27 一种提高光学检测仪器精度的方法与装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108151674A true CN108151674A (zh) 2018-06-12
CN108151674B CN108151674B (zh) 2020-11-27

Family

ID=62463108

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711441716.5A Active CN108151674B (zh) 2017-12-27 2017-12-27 一种提高光学检测仪器精度的方法与装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108151674B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112255758A (zh) * 2020-10-30 2021-01-22 复旦大学 一种偏折测量中实现屏幕和工件同时对焦的装置和方法
CN114353699A (zh) * 2022-01-07 2022-04-15 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 大陡度凸面光学自由曲面高频段像差检测系统及检测方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101711354A (zh) * 2007-03-28 2010-05-19 Soi科技公司 检测衬底上表面缺陷的方法以及使用该方法的设备
DE102010029627B4 (de) * 2010-06-02 2012-02-16 Bremer Institut für angewandte Strahltechnik GmbH Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Struktur einer spiegelnden Oberfläche eines Objekts
CN105806531A (zh) * 2016-03-14 2016-07-27 上海大学 柔性透明基底上薄膜残余应力的测量仪

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101711354A (zh) * 2007-03-28 2010-05-19 Soi科技公司 检测衬底上表面缺陷的方法以及使用该方法的设备
DE102010029627B4 (de) * 2010-06-02 2012-02-16 Bremer Institut für angewandte Strahltechnik GmbH Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Struktur einer spiegelnden Oberfläche eines Objekts
CN105806531A (zh) * 2016-03-14 2016-07-27 上海大学 柔性透明基底上薄膜残余应力的测量仪

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112255758A (zh) * 2020-10-30 2021-01-22 复旦大学 一种偏折测量中实现屏幕和工件同时对焦的装置和方法
CN112255758B (zh) * 2020-10-30 2022-07-12 复旦大学 一种偏折测量中实现屏幕和工件同时对焦的装置和方法
CN114353699A (zh) * 2022-01-07 2022-04-15 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 大陡度凸面光学自由曲面高频段像差检测系统及检测方法
CN114353699B (zh) * 2022-01-07 2022-12-16 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 大陡度凸面光学自由曲面高频段像差检测系统及检测方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108151674B (zh) 2020-11-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108332708B (zh) 激光水平仪自动检测系统及检测方法
CN109307480B (zh) 一种透射元件多表面面形检测方法
CN105277133B (zh) 表面倾斜或弯曲的透明材料的主体的高度图的计算方法
CN104111036A (zh) 一种基于双目视觉的镜面物体测量装置及方法
CN104949763A (zh) 一种基于逆哈特曼原理的透镜波前像差测量方法
CN108489421A (zh) 一种条纹投影检测平面元件面形方法及装置
CN111765851B (zh) 基于双屏透射显示的镜面物体三维形貌测量方法及装置
CN106931901B (zh) 一种离轴照明的线视场色散样板干涉仪
CN106500843A (zh) 一种成像光谱仪最佳像面检校方法及装置
CN102435146A (zh) 光学透镜中心厚度测量系统及方法
CN103615971B (zh) 用于检测圆柱体外表面的光学干涉仪
CN108844494A (zh) 基于光学方法检测眼镜曲面曲率参数的方法
CN102288392A (zh) 一种基于二维朗奇光栅的自由曲面眼镜片光焦度测量装置
CN108151674A (zh) 一种提高光学检测仪器精度的方法与装置
CN105444702A (zh) 物体平整度光学检测系统
CN108507492A (zh) 一种平曲面透射元件表面的高精度大动态范围测量方法及测量系统
CN106931900B (zh) 一种同轴照明的线视场色散样板干涉仪
CN102901465A (zh) 一种测量光学镜片斜率误差的设备和方法
CN107941473A (zh) 一种具有条纹对比度自动调节功能的长焦距测量装置
CN104634275A (zh) 一种基于牛顿环的非球面实时干涉测量装置及方法
CN209706766U (zh) 逆哈特曼光路晶圆表面粗糙度测量装置
CN208187381U (zh) 激光水平仪自动检测系统
CN104748699A (zh) 光学测量系统及方法
CN110044280A (zh) 一种侧焦线法激光三角测厚仪及方法
TW201800717A (zh) 即時檢測全場厚度的光學裝置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant