CN112964200A - 一种透明平板夹角的快速测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种透明平板夹角的快速测量方法，其克服了现有技术中无法实现对透明平板夹角的快速测量的问题，本发明基于干涉法将光学测量与图像相关计算检索相结合，其只需通过图像检索即可得到被测透明平板的夹角，实现对透明平板夹角的快速测量，具有工程实际意义。本发明包括以下步骤：步骤一：建立图像数据库：根据等厚干涉条纹的强度分布公式，利用软件仿真出一定角度范围的系列干涉图，其中每张干涉条纹图与其透明平板夹角相对应；步骤二：采集透明平板的干涉图：搭建光路，通过具体实验获取被测透明平板的干涉条纹图；步骤三：图像匹配获取被测透明平板的夹角。
Description
技术领域：
本发明属于光学元件平行度检测技术领域，涉及一种将光学测量与图像计算相结合快速测量透明平板夹角的方法。
背景技术：
光干涉法因测量精度高而广泛应用于各个领域，是光学测量的重要组成部分，测量光学平板夹角是干涉测量的应用之一。光学平板是光学系统中常用的光学元件，其平行度直接影响系统的性能，因此对透明平板夹角的测量就显得尤为重要。
平行平板玻璃是指两个表面均为平面且互相平行的玻璃板，如干涉仪中的分束镜，补偿镜，分划板等。由于加工时不可能完全达到平行，总会存在一个很小的角度，这个小角度就表征了平行平板玻璃的光学平行度。对于光学平板平行度的常用测量方法有干涉法与自准直法。
随着近代电子技术以及计算机图像处理技术的应用与发展，对于透明平板夹角测量已达到很高的精度与速度，且技术已经日趋成熟。近年来，随着智能技术的出现，提出了基于内容的图像检索技术。基于内容的图像检索指的是输入条件自身就为一个图像，或者是对该图像内容的叙述，它首先是利用提取底层特征的方式来创建索引，再通过计算比较这些特征与查询条件之间的距离的方式来决定两个图像相互间的相似程度。基于内容的图像检索是图像检索技术中的重要探索研究方向之一，也为测量透明平板夹角提供了一个新的方向。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种透明平板夹角的快速测量方法，其克服了现有技术中无法实现对透明平板夹角的快速测量的问题，本发明基于干涉法将光学测量与图像相关计算检索相结合，其只需通过图像检索即可得到被测透明平板的夹角，实现对透明平板夹角的快速测量，具有工程实际意义。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种透明平板夹角的快速测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：建立图像数据库：
根据等厚干涉条纹的强度分布公式，利用软件仿真出一定角度范围的系列干涉图，其中每张干涉条纹图与其透明平板夹角相对应；
步骤二：采集透明平板的干涉图：
搭建光路，通过具体实验获取被测透明平板的干涉条纹图；
步骤三：图像匹配获取被测透明平板的夹角。
步骤一中，
由光源发出波长为λ的单色光入射到透明光学平板上，由光学平板上、下两表面分别反射形成两束相干光，这两束相干光之间的光程差Δ为：
式(1)中，n1为空气介质折射率；n2为被测件透明平板玻璃折射率；h为光学平板的厚度；λ/2为由相位突变而产生的附加光程差；
干涉场中任一点的合成光强为：
式(2)中，Δ表示两束光到达某点的光程差；I1、I2分别为两束光的光强；λ为两束光的波长；
根据等厚干涉条纹的强度分布公式(2)，利用软件仿真模拟等厚干涉在不同楔角条件下产生的干涉条纹图，建立干涉条纹图像与光学平板夹角一一对应的数据关系，其中仿真中的参数应与实际获取条纹图的条件相同。
步骤二中，
设计菲索干涉光路图，由激光器(1)产生的激光经过显微物镜(2)、孔径光阑(3)、透镜(4)扩束准直后，平行光经过孔径光阑(5)和分光棱镜(6)，垂直入射至被测透明平板(7)，经过被测透明光学平板前后两表面反射后形成两束相干光，反射回去的光再经分光棱镜(6)反射，最后由CCD相机(8)记录条纹图像。
步骤三中，
首先，通过软件仿真出与实验环境相同条件参数下的干涉条纹图，并建立图像数据库；其次，搭建实验装置，采集被测透明平板的干涉条纹图；最后，将采集到的透明平板的条纹图与建立好的图像数据库进行检索匹配，得到被测透明平板的夹角值。
步骤一中，仿真中的参数包括被测透明平板的折射率、空气介质折射率、入射光的波长以及入射角度。
步骤二中，激光器(1)采用波长为632.8nm的He-Ne激光器。
与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：
1、本发明利用图像匹配技术，不需要对实际得到的条纹图像进行如计算条纹个数或者条纹间距等图像计算分析过程，只需通过图像检索即可得到被测透明平板的夹角。
2、本发明利用大数据库检索原理，易于实现生产线上固定折射率透明平板夹角的快速测量，对将来有可能适用于生产线上等需要快速检测仪器的研究开发提供了一些相关基础理论研究。
3、本发明检测方法所使用的设备结构简单，操作方便。可根据不同实验环境，改变相关参数，具有适用性广、快速响应等特点。
附图说明：
图1为仿真部分图像数据库图；
图2为利用菲索干涉法测量透明平板夹角光路示意图；
图3为图像匹配流程图。
具体实施方式：
下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。这些实施例是用于说明本发明而不限于本发明的范围。
本发明具体包括以下步骤：
步骤一：建立图像数据库
图1所示为仿真部分图像数据库，根据等厚干涉条纹的强度分布公式，利用软件仿真出一定角度范围的系列干涉图。这里以该干涉条纹所对应的透明光学平板夹角值作为其文件名，按夹角值为1"进行角度变换仿真，其中每张干涉条纹图与其透明平板夹角相对应。本发明具体根据实际实验参数情况建立条纹图像数据库，以菲索干涉法获取透明平板夹角为例进行如下分析。
由光源发出波长为λ的单色光入射到透明光学平板上，由光学平板上、下两表面分别反射形成两束相干光，这两束相干光之间的光程差Δ为：
式(1)中，n1为空气介质折射率；n2为被测件透明平板玻璃折射率；h为光学平板的厚度；λ/2为由相位突变而产生的附加光程差。
干涉场中任一点的合成光强为：
式(2)中，Δ表示两束光到达某点的光程差；I1、I2分别为两束光的光强；λ为两束光的波长。
根据等厚干涉条纹的强度分布公式(2)，利用软件仿真模拟等厚干涉在不同楔角条件下产生的干涉条纹图，建立干涉条纹图像与光学平板夹角一一对应的数据关系。其中仿真中的参数应与实际获取条纹图的条件相同。主要涉及被测透明平板的折射率、空气介质折射率、入射光的波长以及入射角度等相关参数。
步骤二：采集透明平板的干涉图
设计菲索干涉光路图，如图2所示，由激光器1产生的激光经过显微物镜2、孔径光阑3、透镜4扩束准直后，平行光经过孔径光阑5与分光棱镜6，垂直入射至被测透明平板7，经过被测透明光学平板前后两表面反射后形成两束相干光(分别以序号①、②表示)，反射回去的光再经分光棱镜6反射，最后由CCD相机8记录条纹图像。图2为利用菲索干涉法测量透明平板夹角光路示意图，具体步骤如图2所示，搭建光路，通过具体实验获取被测透明平板的干涉条纹图。半导体激光器1发出的单色光经过显微物镜2和透镜4组成的扩束准直系统出射平行光束，孔径光阑3位于透镜4的焦点上，从透镜4出射的平行光束，经过孔径光阑5与分光棱镜6，垂直入射至被测光学平板7，经过被测光学平板7前后两表面反射后形成两束相干光，反射回去的光再经分光棱镜6反射，到达CCD相机8，记录到干涉条纹图像。以上光路中的激光器使用的是波长为632.8nm的He-Ne激光器。
步骤三：图像匹配获取被测透明平板的夹角
将实验得到的被测透明平板的条纹图像与步骤一建立的图像数据库中的系列干涉图进行“图像匹配”，通过该方法计算得出最优解，即与输入条纹图像最接近的图像。因为仿真图像与透明平板夹角是一一对应关系，查找相关信息，即可得出被测透明平板的夹角。具体步骤如图3所示，图3为图像匹配的流程图。首先，通过MATLAB软件仿真出与实验环境相同条件参数下的干涉条纹图，并建立图像数据库；其次，搭建实验装置，采集被测透明平板的干涉条纹图；最后，将采集到的透明平板的条纹图与建立好的图像数据库进行检索匹配，得到被测透明平板的夹角值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种透明平板夹角的快速测量方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：建立图像数据库：
根据等厚干涉条纹的强度分布公式，利用软件仿真出一定角度范围的系列干涉图，其中每张干涉条纹图与其透明平板夹角相对应；
步骤二：采集透明平板的干涉图：
搭建光路，通过具体实验获取被测透明平板的干涉条纹图；
步骤三：图像匹配获取被测透明平板的夹角。
2.根据权利要求1所述的一种透明平板夹角的快速测量方法，其特征在于：步骤一中，
由光源发出波长为λ的单色光入射到透明光学平板上，由光学平板上、下两表面分别反射形成两束相干光，这两束相干光之间的光程差Δ为：
式(1)中，n1为空气介质折射率；n2为被测件透明平板玻璃折射率；h为光学平板的厚度；λ/2为由相位突变而产生的附加光程差；
干涉场中任一点的合成光强为：
式(2)中，Δ表示两束光到达某点的光程差；I1、I2分别为两束光的光强；λ为两束光的波长；
根据等厚干涉条纹的强度分布公式(2)，利用软件仿真模拟等厚干涉在不同楔角条件下产生的干涉条纹图，建立干涉条纹图像与光学平板夹角一一对应的数据关系，其中仿真中的参数应与实际获取条纹图的条件相同。
3.根据权利要求1所述的一种透明平板夹角的快速测量方法，其特征在于：步骤二中，
设计菲索干涉光路图，由激光器(1)产生的激光经过显微物镜(2)、孔径光阑(3)、透镜(4)扩束准直后，平行光经过孔径光阑(5)和分光棱镜(6)，垂直入射至被测透明平板(7)，经过被测透明光学平板前后两表面反射后形成两束相干光，反射回去的光再经分光棱镜(6)反射，最后由CCD相机(8)记录条纹图像。
4.根据权利要求1所述的一种透明平板夹角的快速测量方法，其特征在于：步骤三中，
首先，通过软件仿真出与实验环境相同条件参数下的干涉条纹图，并建立图像数据库；其次，搭建实验装置，采集被测透明平板的干涉条纹图；最后，将采集到的透明平板的条纹图与建立好的图像数据库进行检索匹配，得到被测透明平板的夹角值。
5.根据权利要求1所述的一种透明平板夹角的快速测量方法，其特征在于：步骤一中，仿真中的参数包括被测透明平板的折射率、空气介质折射率、入射光的波长以及入射角度。
6.根据权利要求1所述的一种透明平板夹角的快速测量方法，其特征在于：步骤二中，激光器(1)采用波长为632.8nm的He-Ne激光器。
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