CN110702036A - 一种复光束角度传感器及小型非球面形貌检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复光束角度传感器及小型非球面形貌检测方法，该传感器包括半导体激光器、凸透镜、第一滤光板、准直透镜、第二滤光板、分束器、柱透镜、微透镜阵列和CMOS相机。本发明基于复光束角度检测角度差的原理，实现高精度和较大动态范围形貌检测，其光路成像原理可分为两部分：1)照明部分：半导体激光器发出的激光通过第一滤光板，经准直后成为平行光，平行光再通过第二滤光板，经分束器反射、透射后，反射的光线经过柱透镜聚焦成一个光斑，再将光斑聚焦投射到小型非球面体上；2)成像部分：光线从小型非球面上反射后再次透过分束器，使光线聚集在微透镜阵列，聚焦照射到CMOS相机的像平面上，完成CMOS相机的图像采集。

Description

一种复光束角度传感器及小型非球面形貌检测方法
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种复光束角度传感器以及用于小型非球面形貌的检测方法。
背景技术
在工业生产、航空航天及半导体等行业中，形貌检测技术均有着重要的发展与应用。在高精度光学元件检测领域，尤其在粗磨、精磨成形阶段、小尺寸高精度光学元器件，特别是不同曲率的棱镜元件，形貌检测发挥着重要的作用。由于非球面棱镜工作环境的特殊性，对光学元器件的面型精度以及表面粗糙度等的要求都极高，超出大多数工业的水准。
为提升光学系统性能，以往的复杂光路设计逐渐被简单光路设计所代替，但这类简单光路需要采用复杂非球面光学元件来实现光路的简化，针对非球面光学元件形貌检测的研究主要集中在解决运动误差以及形貌检测局限性问题上。这些传统的检测技术，无法满足大口径非球面光学元件高精度和宽检测范围的要求。因此，解决现有检测技术的检测动态范围小，而无法应用于曲率变化较大的复杂非球面的问题，是目前本领域技术人员急需解决的问题。
接触式测量方法的测量尺度与量度范围相对来说是比较可观的，但探头与被测工件之间的物理接触会产生形变，这就使得测量结果会有一定的误差，严重情况可能会对被测工件产生不可逆的破坏；非接触式的三维形貌测量技术，主要有相移干涉法，激光散斑照相法，扫描隧道显微镜，结构光三维扫描技术和光探针干涉。这些方法在速度与形貌精度上有着许多优势，但测量环境中人的任何小的波动与干扰都会对测量结果产生很大的影响，直接决定了最终的测量质量，这就需要对基于相移干涉原理的测量系统周遭的环境因素有严格的把控。
因此，现有技术需要进一步改进和完善。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、测量精确的复光束角度传感器。
本年发明的另一目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于上述角度传感器的小型非球面形貌检测方法。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种复光束角度传感器，主要包括半导体激光器、用于激光聚焦的凸透镜、第一滤光板、准直透镜、第二滤光板、分束器、柱透镜、微透镜阵列、以及CMOS相机。所述第一滤光板上设有用于滤光的第一滤光孔，所述第二滤光板上设有用于滤光的第二滤光孔。
具体的，所述半导体激光器、凸透镜、第一滤光板、准直透镜、第二滤光板和分束器自上而下依次同轴设置。激光从半导体激光器射出并依次经过凸透镜、第一滤光板、准直透镜、第二滤光板后从分束器的入射端射入，激光在分束器发生反射并从反射端射出。所述柱透镜设置在分束器前方，与分束器的反射端相对并将反射光线聚焦成光斑投射到小型非球面体上。所述微透镜阵列和CMOS相机依次设置在分束器后方，且所述微透镜阵列与分束器的透射端相对并将从小型非球面体反射回来的光线聚焦照射在CMOS相机上。
作为本发明的优选方案，所述第一滤光孔的孔径(直径)设为400微米。
作为本发明的优选方案，所述第二滤光孔的孔径(直径)设为4毫米。
本发明的另一目的通过下述技术方案实现：
一种基于复光束角度传感器的小型非球面形貌检测方法，该检测方法主要包括如下具体步骤：
步骤S1：预先确定小型非球面形貌的位置点作为参考点，并记录此时点的位置。
步骤S2：用CMOS相机获取经微透镜阵列聚焦后的光线的图像，光斑的位置是由CMOS上的光分布决定的，对于具有实测像素强度I的采样辐照度分布，位置像差通常由X轴像差xp,k和Y轴像差yp,k决定的，其中X轴和Y轴的像差可通过下述公式计算：
Figure BDA0002181692890000031
其中，xp,k为X轴像差，yp,k为Y轴像差，I为像素强度，i,j为表示微透镜阵列光斑的位置的常数，k为微透镜阵列个数或为像素强度。
步骤S3：由点的位置偏差转换成角度数据：角的转换是通过与预定的表面位置的比较来计算的，该预定的表面位置可通过测量一个平面镜获得；对于一组测得的质心和预定的表面定位质心，角度可以由光斑强度的质心和微透镜阵列的焦距表示，公式如下：
Figure BDA0002181692890000032
Figure BDA0002181692890000033
其中，角度c可以由光斑强度的质心和微透镜阵列的焦距f表示，(xr,yr)k为预定的表面定位质心，(xp,yp)k为一组测得的质心。
步骤S4：利用步骤S3得到的角度数据，分别在X和Y方向上积分便可获得对应方向的梯度，而整个剖面的形貌可通过结合X、Y方向的梯度来表示，公式如下：
Figure BDA0002181692890000034
其中，剖面p可用系数i和j表示，公式如下：
Figure BDA0002181692890000035
步骤S5：采用角度拼接法获得三维形貌图。
作为本发明的优选方案，所述步骤S5还包括：将转换后角的位置点的数学算法应用于测量网格中沿路径的线积分，再通过物体表面各点的x轴梯度向量和y轴梯度向量的叠加就可以得到整个空间各点的三维向量，再对各个三维向量进行拼接即可以重建形貌，该线积分为沿每条平行于其中一条坐标线的路径的线积分。
作为本发明的优选方案，在采用角度拼接法时，需要将缝合在一起的区域精确地相对排列。
本发明基于复光束角度检测角度差的原理，实现高精度和较大动态范围形貌检测，其光路成像原理可分为两部分：1)照明部分：半导体激光器发出的激光通过凸透镜、第一滤光板，经准直透镜准直后成为平行光，平行光再通过第二滤光板，经分束器反射、透射后，反射的光线经过柱透镜聚焦成一个光斑，再将光斑聚焦投射到小型非球面体上；2)成像部分：光线从小型非球面上反射后再次透过分束器，使光线聚集在微透镜阵列，聚焦照射到CMOS相机的像平面上，完成CMOS相机的图像采集。此外，本发明还具有结构简单、操作方便、容易实施的优点。
与现有技术相比，本发明还具有以下优点：
(1)本发明所提供的复光束角度传感器及小型非球面形貌检测方法基于复光束角度检测角度差的原理，借助自适应光学技术的优势，将其改进应用到小型非球面形貌检测中，以高精度和较大动态范围实现对小型非球面形貌检测，达到精密工业技术的生产要求。
(2)本发明所提供的复光束角度传感器及小型非球面形貌检测方法避免了接触式测量时探头与被测工件之间的物理接触产生的误差，同时也避免了条纹干涉测量环境中的干扰对测量结果产生的影响，与现有检测技术相比，具有结构简单，抗干扰性强，测量精确等优点。
(3)本发明所提供的复光束角度传感器及小型非球面形貌检测方法基于上述复光束角度传感器，利用复光束角度检测角度差的原理，借助自适应光学技术的优势，将其应用到小型非球面形貌检测中，具有很高的分辨率，非常适用于小型非球面的形貌检测，并获得理想的测量精度。
(4)本发明所提供的复光束角度传感器及小型非球面形貌检测方法基于上述复光束角度传感器，借助自适应光学技术的优势，利用复光束角度检测角度差的原理，采用角度拼接法，将其应用到小型非球面形貌检测中，只需拍摄一张图片即可检测非球面，具有很强的快速性。
附图说明
图1是本发明所提供的复光束角度传感器的结构及原理示意图。
图2是本发明所提供的预定表面位置的二维测量网格示意图。
图3是本发明所提供的X、Y方向有坡度的物体的坡度图像。
图4是本发明所提供的X方向角度拼接的示意图。
图5是本发明所提供的Y方向角度拼接的示意图。
图6是本发明所提供的X和Y方向的角度偏差重建三维形貌示意图。
上述附图中的标号说明：
1-半导体激光器，2-第一滤光板，3-准直透镜，4-第二滤光板，5-分束器，6-柱透镜，7-小型非球面体，8-微透镜阵列，9-CMOS相机，10-凸透镜。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1所示，本实施例公开了一种复光束角度传感器，主要包括半导体激光器1、将激光聚焦到第一滤光板2上的针孔的凸透镜10、第一滤光板2、准直透镜3、第二滤光板4、分束器5、柱透镜6、微透镜阵列8、以及CMOS相机9。所述第一滤光板2上设有用于滤光的第一滤光孔，所述第二滤光板4上设有用于滤光的第二滤光孔。
具体的，所述半导体激光器1、凸透镜10、第一滤光板2、准直透镜3、第二滤光板4和分束器5自上而下依次同轴设置。激光从半导体激光器1射出并依次经过凸透镜10、第一滤光板2、准直透镜3、第二滤光板4后从分束器5的入射端射入，激光在分束器5发生反射并从反射端射出。所述柱透镜6设置在分束器5前方，与分束器5的反射端相对并将反射光线聚焦成光斑投射到小型非球面体7上。所述微透镜阵列8和CMOS相机9依次设置在分束器5后方，且所述微透镜阵列8与分束器5的透射端相对并将从小型非球面体7反射回来的光线聚焦照射在CMOS相机9上。
作为本发明的优选方案，所述第一滤光孔的孔径(直径)设为400微米。
作为本发明的优选方案，所述第二滤光孔的孔径(直径)设为4毫米。
结合图1至图6所示，本发明还公开了一种基于复光束角度传感器的小型非球面形貌检测方法，该检测方法主要包括如下具体步骤：
步骤S1：预先确定小型非球面形貌的位置点作为参考点，并记录此时点的位置。
步骤S2：用CMOS相机9获取经微透镜阵列8聚焦后的光线的图像，光斑的位置是由CMOS上的光分布决定的，对于具有实测像素强度I的采样辐照度分布，位置像差通常由X轴像差xp,k和Y轴像差yp,k决定的，其中X轴和Y轴的像差可通过下述公式计算：
Figure BDA0002181692890000061
Figure BDA0002181692890000062
其中，xp,k为X轴像差，yp,k为Y轴像差，I为像素强度，i,j为表示微透镜阵列8光斑的位置的常数，k为微透镜阵列8个数或为像素强度。
步骤S3：由点的位置偏差转换成角度数据：角的转换是通过与预定的表面位置的比较来计算的，该预定的表面位置可通过测量一个平面镜获得；对于一组测得的质心和预定的表面定位质心，角度可以由光斑强度的质心和微透镜阵列8的焦距表示，公式如下：
Figure BDA0002181692890000063
Figure BDA0002181692890000064
其中，角度c可以由光斑强度的质心和微透镜阵列8的焦距f表示，(xr,yr)k为预定的表面定位质心，(xp,yp)k为一组测得的质心。
步骤S4：利用步骤S3得到的角度数据，分别在X和Y方向上积分便可获得对应方向的梯度，而整个剖面的形貌可通过结合X、Y方向的梯度来表示，公式如下：
Figure BDA0002181692890000065
其中，剖面p可用系数i和j表示，公式如下：
Figure BDA0002181692890000066
步骤S5：采用角度拼接法获得三维形貌图。
作为本发明的优选方案，所述步骤S5还包括：将转换后角的位置点的数学算法应用于测量网格中沿路径的线积分，再通过物体表面各点的x轴梯度向量和y轴梯度向量的叠加就可以得到整个空间各点的三维向量，再对各个三维向量进行拼接即可以重建形貌，该线积分为沿每条平行于其中一条坐标线的路径的线积分。
作为本发明的优选方案，在采用角度拼接法时，需要将缝合在一起的区域精确地相对排列。
本发明基于复光束角度检测角度差的原理，实现高精度和较大动态范围形貌检测，其光路成像原理可分为两部分：1)照明部分：半导体激光器1发出的激光通过凸透镜10、第一滤光板2，经准直透镜3准直后成为平行光，平行光再通过第二滤光板4，经分束器5反射、透射后，反射的光线经过柱透镜6聚焦成一个光斑，再将光斑聚焦投射到小型非球面体7上；2)成像部分：光线从小型非球面上反射后再次透过分束器5，使光线聚集在微透镜阵列8，聚焦照射到CMOS相机9的像平面上，完成CMOS相机9的图像采集。此外，本发明还具有结构简单、操作方便、容易实施的优点。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种复光束角度传感器，其特征在于，包括半导体激光器、用于激光聚焦的凸透镜、第一滤光板、准直透镜、第二滤光板、分束器、柱透镜、微透镜阵列、以及CMOS相机；所述第一滤光板上设有用于滤光的第一滤光孔，所述第二滤光板上设有用于滤光的第二滤光孔；
所述半导体激光器、凸透镜、第一滤光板、准直透镜、第二滤光板和分束器自上而下依次同轴设置，激光从半导体激光器射出并依次经过凸透镜、第一滤光板、准直透镜、第二滤光板后从分束器的入射端射入，激光在分束器发生反射并从反射端射出；所述柱透镜设置在分束器前方，与分束器的反射端相对并将反射光线聚焦成光斑投射到小型非球面体上；所述微透镜阵列和CMOS相机依次设置在分束器后方，且所述微透镜阵列与分束器的透射端相对并将从小型非球面体反射回来的光线聚焦照射在CMOS相机上。
2.根据权利要求1所述的复光束角度传感器，其特征在于，所述第一滤光孔的孔径设为400微米。
3.根据权利要求1所述的复光束角度传感器，其特征在于，所述第二滤光孔的孔径设为4毫米。
4.一种根据权利要求1至3任一项所述的基于复光束角度传感器的小型非球面形貌检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：预先确定小型非球面形貌的位置点作为参考点，并记录此时点的位置；
步骤S2：用CMOS相机获取经微透镜阵列聚焦后的光线的图像，光斑的位置是由CMOS上的光分布决定的，对于具有实测像素强度I的采样辐照度分布，位置像差通常由X轴像差xp,k和Y轴像差yp,k决定的，其中X轴和Y轴的像差可通过下述公式计算：
Figure FDA0002181692880000011
其中，xp,k为X轴像差，yp,k为Y轴像差，I为像素强度，i,j为表示微透镜阵列光斑的位置的常数，k为微透镜阵列个数或为像素强度；
步骤S3：由点的位置偏差转换成角度数据：角的转换是通过与预定的表面位置的比较来计算的，该预定的表面位置可通过测量一个平面镜获得；对于一组测得的质心和预定的表面定位质心，角度可以由光斑强度的质心和微透镜阵列的焦距表示，公式如下：
Figure FDA0002181692880000021
Figure FDA0002181692880000022
其中，角度c可以由光斑强度的质心和微透镜阵列的焦距f表示，(xr,yr)k为预定的表面定位质心，(xp,yp)k为一组测得的质心；
步骤S4：利用步骤S3得到的角度数据，分别在X和Y方向上积分便可获得对应方向的梯度，而整个剖面的形貌可通过结合X、Y方向的梯度来表示，公式如下：
其中，剖面p可用系数i和j表示，公式如下：
Figure FDA0002181692880000024
步骤S5：采用角度拼接法获得三维形貌图。
5.根据权利要求4所述的基于复光束角度传感器的小型非球面形貌检测方法，其特征在于，所述步骤S5还包括：将转换后角的位置点的数学算法应用于测量网格中沿路径的线积分，再通过物体表面各点的x轴梯度向量和y轴梯度向量的叠加就可以得到整个空间各点的三维向量，再对各个三维向量进行拼接即可以重建形貌，该线积分为沿每条平行于其中一条坐标线的路径的线积分。
6.根据权利要求4所述的基于复光束角度传感器的小型非球面形貌检测方法，其特征在于，采用角度拼接法时，需要将缝合在一起的区域精确地相对排列。
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