CN115265411A - 一种亚米级光学球面曲率半径的测试方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种亚米级光学球面曲率半径的测试方法及装置，其克服了现有技术中存在的调整复杂，需要空间大，对环境要求高，不能同时测试多个元件的问题。光源照明具有一定特征尺寸的图案形成目标物，经待测光学球面一次反射成像，测试装置中的光学镜头二次成像，最终成像在相机光敏面上，本发明通过对相机采集到的图像处理分析，获得最终像的特征尺寸，将待测光学球面与测试系统中的光学镜头看作组合成像系统，计算出物、像特征尺寸总体比值，依据光学球面及光学镜头成像原理，计算出待测光学球面的曲率半径。测试装置包括特征目标物形成装置、光学镜头、相机、支架和上位机，特征目标形状装置与相机位于待测光学球面的同一侧。
Description
技术领域：
本发明属于光学测试技术领域，涉及一种亚米级光学球面曲率半径的测试方法及装置。
背景技术：
曲率半径主要是用来描述曲线上某处弯曲变化的程度。在光学领域中，曲率半径决定了球面元件的焦距大小，是影响成像质量的关键因素。目前光学球面大量应用在光学成像系统和精密光学机械中，起着非常重要的作用。在光学球面加工制造过程中，依据实测曲率半径不断修正完善，可为成品满足设计要求提供有力保障。在装调像传递系统时，根据曲率半径的实际大小来确定透镜的焦距和焦点位置，以减小像差、分析装调过程中出现的失调量。这些都需要高效快捷的测试出光学元件的曲率半径。
目前光学元件曲率半径的测量方法主要分为接触式和非接触式两种。接触式主要有球径仪法、牛顿环法、轮廓仪法等，接触式测量过程存在损伤光学表面的风险，另外对于大曲率半径元件，尤其是小口径的大曲率半径元件，接触式测量误差大，适用性差。非接触式主要为自准直法、刀口仪法、干涉仪法等。自准直法通过测试透镜顶点及曲率中心位置测试曲率半径，仪器行程必须大于光学元件的曲率半径，因此如果需要测试大曲率半径光学元件，为了保证行程，仪器占据空间大。干涉仪法和刀口法调整复杂，受环境振动影响。专利“双边错位差动共焦曲率半径测量方法”在共焦测量光路系统中通过锐化共焦响应特性曲线的双边错位差动相减处理来实现被测表面的差动共焦双极性定焦测量，根据差动共焦定焦曲线的线性拟合来提升焦点位置捕获精度，以实现球面曲率半径的高精度测量。该方案虽然精度提高，但对测试环境要求高。专利“一种基于莫尔条纹的球面镜曲率半径测量方法”提出将被测元件的干涉条纹与已知曲率的元件所生产的干涉条纹进行叠加，进而计算出被测元件曲率。该方法存在的缺陷是视野太暗，读数易出错。专利“一种基于深度学习的平凸透镜曲率半径在线测量方法”采用深度学习方法，构建平凸透镜PSF图像与曲率半径误差之间的非线性映射，实现平凸透镜曲率半径的测量，这种方法需要大量标准镜图像探究曲率半径变化对波前相位的影响，且仅适用于平凸透镜。专利“一种精确测量超大曲率半径的方法及装置”通过处理莫尔条纹图像确定莫尔条纹的角度，进而计算得到被测元件的曲率半径，系统调整精度要求高。上述方法均未给出同时测试多个元件的实例。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种亚米级光学球面曲率半径的测试方法及装置，其克服了现有技术中存在的调整复杂，需要空间大，对环境要求高，不能同时测试多个元件的问题。本发明装置结构简单，外形尺寸小，对外界环境要求低；既可测试光学凸球面曲率半径，也可测试光学凹球面曲率半径；可同时测试多个光学球面曲率半径，效率高。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种亚米级光学球面曲率半径的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：将待测光学球面夹持在待测光学球面夹持座上，输入待测光学球面标称曲率半径和标称中心高，按照系统提示，选用指定焦距的光学镜头；
步骤二：打开光源，调节光学镜头对焦，相机采集到清晰的目标物图像；
步骤三：对采集的具有一定特征尺寸的目标物图像进行处理分析，得到特征尺寸数值，进而依据目标物实际特征尺寸数值，计算出成像总体物像特征尺寸比；
步骤四：依据光学球面成像原理和光学镜头成像原理，目标物到待测球面的距离，计算出待测光学球面曲率半径。
步骤三中，对采集的图像进行处理分析，得到图像特征尺寸m，根据相机单个像元实际尺寸v，得到对应实际空间的图像特征尺寸h′＝m×v，进而根据目标物实际特征尺寸值h，计算出两次成像总体物像特征尺寸比a：
步骤四中，依据光学球面成像原理和光学镜头成像原理，目标物到待测球面的距离，计算出待测光学球面曲率半径，对于球面镜：
其中f1为光学镜头焦距。
步骤二中，相机位置固定，通过移动光学镜头对焦，相机采集到清晰的目标物图像。
步骤三中，通过已知特征尺寸目标物的图像采集和分析，获得待测光学球面和光学镜头总体物像特征尺寸比值。
步骤四中，通过对多个已知曲率半径的光学球面进行测试，获得对应的m数值，标定出精确的b1，b2值，抑制因为系统物距l，光学镜头焦距f1不准确引入的测试误差；标定出系统参数后，在步骤一中依据待测光学球面中心高对公式中的系统物距l进行调整，抑制由于中心高不同引入的系统物距l误差，对待测光学球面曲率半径进行精确测试。
步骤四中，测试多个光学球面时，夹持好各个光学球面，设置多片测试，使多个待测球面镜光轴均与光学镜头平行，按照元件的位置不同修正其对应的物距误差，按照步骤三的分析方法对采集到的每个合焦图像进行分析，带入不同的物距，实现多个光学球面曲率半径的同时测试。
一种亚米级光学球面曲率半径的测试方法的实现装置，其特征在于：包括设置在支架上的待测光学球面，待测光学球面上方由上至下依次设置有相机、具有对焦功能的光学镜头和特征物形成装置，光学镜头与对焦机构连接，对焦机构与上位机连接，上位机对采集图像分析，依据分析结果结果控制对焦机构移动，实现光学镜头自动对焦，同时控制对焦机构移动，光学镜头的光轴与待测光学球面的光轴平行。
特征物形成装置包括由上至下依次设置的中空平板光源和带有特征图案的透光片。
相机和光学镜头为一体结构；光学镜头为具有手动或自动对焦功能的光学镜头；带有特征图案的透光片带有的特征图案为条纹或点阵。
与现有技术相比，本发明具有的优点和效果如下：
1、本发明通过分析物、像特征尺寸比进行曲率半径测试，目标物制作简单；系统组成中的光学镜头与待测光学球面作为组合成像系统，利用待测光学球面的单面反射成像，系统中的光学镜头二次成像，不需要长行程以确定光学球面特征位置，系统紧凑，特别适合大曲率半径光学球面测试。
2、本发明不需要运用额外的光学元件形成干涉条件，结构简单，操作简便，对环境要求低；
3、本发明既可以测试光学凸球面曲率半径，也可以测试光学凹球面曲率半径，还可以同时测试多个光学球面曲率半径，特别适合批量检测。
附图说明：
图1为本发明测试装置示意图；
图2为本发明几种透光片图案；
图3为同时测试多个光学球面时的摆放示意图。
图中，1-相机，2-光学镜头，3-中空平板光源，4-带有特征图案的透光片，5-待测光学球面，6-待测光学球面夹持座，7-支架，8-上位机，9-对焦机构。
具体实施方式：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明为一种亚米级光学球面曲率半径的测试方法及装置。光源照明具有一定特征尺寸的图案形成目标物，经待测光学球面一次反射成像，光学镜头二次成像，最终成像在相机光敏面上，通过对相机采集到的图像处理分析，获得最终像的特征尺寸，将待测光学球面与测试系统中的光学镜头看作组合成像系统，计算出物、像特征尺寸总体比值，依据光学球面及光学镜头成像原理，计算出待测光学球面的曲率半径。
本发明具体包括以下步骤：
步骤一：将待测光学球面5夹持在测试装置上，输入待测光学球面5标称曲率半径和标称中心高，按照系统提示，选用指定焦距的光学镜头2。
步骤二：打开光源，调节光学镜头2对焦，相机1采集到清晰的目标物图像；相机1位置固定，通过移动光学镜头2对焦，相机采集到清晰的目标物图像。
步骤三：对采集的具有一定特征尺寸的目标物图像进行处理分析，得到特征尺寸数值，进而依据目标物实际特征尺寸数值，计算出成像总体物像特征尺寸比；通过已知特征尺寸目标物的图像采集和分析，获得待测光学球面和光学镜头总体物像特征尺寸比值。
步骤四：依据光学球面成像原理和光学镜头成像原理，目标物到待测球面的距离，计算出待测光学球面5曲率半径。
实现上述亚米级光学镜面镜曲率半径的测试的装置包括光学成像组件、特征物目标形成装置、支架7、待测光学球面夹持座6和上位机8。所述特征物目标形成装置与光学成像组件放置在待测光学球面5的同一方向，所述光学成像组件的光轴与待测光学球面5的光轴平行。光学成像组件由光学镜头2和相机1组成，光学镜头2的成像面位于相机1的光敏面上，相机1位置固定，光学镜头2具有手动或自动对焦功能。特征物目标形成装置由中空平板光源3和带有特征图案的透光片4组成。带有特征图案的透光4片上特征图案可以是条纹、点阵或其他尺寸参数已知的图案，特征图案不透光。
实施例：
参见图1，一种实现上述光学球面曲率半径测试的装置，包括相机1、光学镜头2、特征物目标形成装置、待测光学球面夹持座6、支架7、上位机8和对焦机构9。所述相机1和光学镜头2可以设计为一体结构，所述光学镜头2具有对焦功能，能通过手动或自动对焦将像面调整到相机1的光敏面位置。优选的采用自动对焦方式，光学镜头与对焦机构9连接，上位机对采集图像分析，依据分析结果结果控制对焦机构9移动，实现光学镜头自动对焦；所述特征物形成装置由中空平板光源3和带有特征图案的透光片4组成，与相机和光学镜头放置在待测光学球面的同一方向，光学镜头的光轴与待测光学球面的光轴平行。
本发明还包括一种亚米级光学球面曲率半径的测试方法，具体步骤为：
步骤一：将待测光学球面5标称曲率半径和标称中心高输入上位机，按照系统提示焦距安装对应的光学镜头；根据待测光学球面5标称中心高修正特征物目标形成装置到待测光学球面5距离l，夹持待测光学元件，使待测光学球面5朝向光学镜头2；
步骤二：打开光源，调节光学镜头2对焦，相机采集到清晰的目标物图像；
步骤三：对采集的图像进行处理分析，得到图像特征尺寸m(以像素为单位)，根据相机单个像元实际尺寸v，得到对应实际空间的图像特征尺寸h′＝m×v，进而根据目标物实际特征尺寸值h，计算出两次成像总体物像特征尺寸比a：
步骤四：依据光学球面成像原理和光学镜头成像原理，目标物到待测球面的距离，计算出待测光学球面5曲率半径。对于球面镜：
其中l′为像距，f1为光学镜头焦距。
得到：
以图2中的条纹图案为例，h为透光片上条纹的实际间距，m为采集到的图像中条纹的像素级间距。当系统物距，即特征物目标形成装置到待测光学球面的距离l、相机像元尺寸v、光学镜头焦距f1、特征物尺寸h已知时，就可以计算出待测光学球面的曲率半径。若需要对光学元件的另一个球面进行曲率半径测试，重新夹持待测光学元件，重复步骤2，3即可。
从式中可以看出，在系统参数确定的情况下，待测光学球面的曲率半径R仅与最终像的像素级特征尺寸m有关。
进一步简化公式：
其中：
优选的，可以通过对多个已知曲率半径的光学球面进行测试，获得对应的m数值，标定出精确的b1，b2值，抑制因为系统物距l，光学镜头焦距f1不准确引入的测试误差。标定出系统参数后，在步骤一中依据待测光学球面中心高对公式中的l进行调整，抑制由于中心高不同引入的系统物距l误差，对待测光学球面曲率半径进行精确测试。
测试多个光学球面，不需要改变系统整体结构，夹持好各个光学球面，设置多片测试，使多个待测球面镜光轴均与光学镜头平行，按照元件的位置不同修正其对应的物距误差，按照步骤三的分析方法对采集到的每个合焦图像进行分析，带入不同的物距，就可以实现多个光学球面曲率半径的同时测试。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡是利用本发明的说明书及附图内容所做的等同结构变化，均应包含在发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种亚米级光学球面曲率半径的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：将待测光学球面(5)夹持在待测光学球面夹持座(6)上，输入待测光学球面(5)标称曲率半径和标称中心高，按照系统提示，选用指定焦距的光学镜头(2)；
步骤二：打开光源，调节光学镜头(2)对焦，相机(1)采集到清晰的目标物图像；
步骤三：对采集的具有一定特征尺寸的目标物图像进行处理分析，得到特征尺寸数值，进而依据目标物实际特征尺寸数值，计算出成像总体物像特征尺寸比；
步骤四：依据光学球面成像原理和光学镜头成像原理，目标物到待测球面的距离，计算出待测光学球面(5)曲率半径。
2.根据权利要求1所述的一种亚米级光学球面曲率半径的测试方法，其特征在于：步骤三中，对采集的图像进行处理分析，得到图像特征尺寸m，根据相机单个像元实际尺寸v，得到对应实际空间的图像特征尺寸h′＝m×v，进而根据目标物实际特征尺寸值h，计算出两次成像总体物像特征尺寸比a：
3.根据权利要求1所述的一种亚米级光学球面曲率半径的测试方法，其特征在于：步骤四中，依据光学球面成像原理和光学镜头成像原理，目标物到待测球面的距离，计算出待测光学球面曲率半径，对于球面镜：
其中f1为光学镜头焦距。
4.根据权利要求1所述的一种亚米级光学球面曲率半径的测试方法，其特征在于：步骤二中，相机位置固定，通过移动光学镜头(2)对焦，相机(1)采集到清晰的目标物图像。
5.根据权利要求1所述的一种亚米级光学球面曲率半径的测试方法，其特征在于：步骤三中，通过已知特征尺寸目标物的图像采集和分析，获得待测光学球面(5)和光学镜头总体物像特征尺寸比值。
6.根据权利要求3所述的一种亚米级光学球面曲率半径的测试方法，其特征在于：步骤四中，通过对多个已知曲率半径的光学球面进行测试，获得对应的m数值，标定出精确的b1，b2值，抑制因为系统物距l，光学镜头焦距f1不准确引入的测试误差；标定出系统参数后，在步骤一中依据待测光学球面中心高对公式中的系统物距l进行调整，抑制由于中心高不同引入的系统物距l误差，对待测光学球面曲率半径进行精确测试。
7.根据权利要求6所述的一种亚米级光学球面曲率半径的测试方法，其特征在于：步骤四中，测试多个光学球面时，夹持好各个光学球面，设置多片测试，使多个待测球面镜光轴均与光学镜头平行，按照元件的位置不同修正其对应的物距误差，按照步骤三的分析方法对采集到的每个合焦图像进行分析，带入不同的物距，实现多个光学球面曲率半径的同时测试。
8.一种根据权利要求1所述的亚米级光学球面曲率半径的测试方法的实现装置，其特征在于：包括设置在支架(7)上的待测光学球面(5)，待测光学球面(5)上方由上至下依次设置有相机(1)、具有对焦功能的光学镜头(2)和特征物形成装置，光学镜头(2)与对焦机构(9)连接，对焦机构(9)与上位机(8)连接，上位机(8)对采集图像分析，依据分析结果结果控制对焦机构(9)移动，实现光学镜头(2)自动对焦，同时控制对焦机构(9)移动，光学镜头(2)的光轴与待测光学球面(5)的光轴平行。
9.根据权利要求8所述的一种亚米级光学球面曲率半径的测试装置，其特征在于：特征物形成装置包括由上至下依次设置的中空平板光源(3)和带有特征图案的透光片(4)。
10.根据权利要求4或5所述的一种米级光学球面曲率半径的测试装置，其特征在于：相机(1)和光学镜头(2)为一体结构；光学镜头(2)为具有手动或自动对焦功能的光学镜头；带有特征图案的透光片(4)带有的特征图案为条纹或点阵。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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