CN116105633B - 自由曲面光学镜片检测方法 - Google Patents

自由曲面光学镜片检测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116105633B
CN116105633B CN202310404566.XA CN202310404566A CN116105633B CN 116105633 B CN116105633 B CN 116105633B CN 202310404566 A CN202310404566 A CN 202310404566A CN 116105633 B CN116105633 B CN 116105633B
Authority
CN
China
Prior art keywords
free
optical lens
form surface
lens
surface optical
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.)
Active
Application number
CN202310404566.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN116105633A (zh
Inventor
王孝坤
刘忠凯
胡海翔
张学军
田明森
李凌众
刘斌
李文涵
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.)
Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Original Assignee
Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
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 Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS filed Critical Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority to CN202310404566.XA priority Critical patent/CN116105633B/zh
Publication of CN116105633A publication Critical patent/CN116105633A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN116105633B publication Critical patent/CN116105633B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

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
    • G01B11/25—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
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/0002—Inspection of images, e.g. flaw detection
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/60—Analysis of geometric attributes
    • G06T7/62—Analysis of geometric attributes of area, perimeter, diameter or volume

Abstract

本发明提供一种自由曲面光学镜片检测方法，涉及光学镜片检测技术领域，包括：将正弦条纹生成于屏幕，采集经该镜片表面透射的变形条纹；通过相移法产生相移，并且使用相位解包裹程序获得其连续真实相位，获得该镜片的波前斜率；基于波前相位以及条纹亮度变化，计算得到镜片缺陷的深度及大小；基于该镜片的波前斜率反演镜片面形，得到该镜片表面每一点的曲率信息；基于该镜片的曲率信息，计算其参数，对有偏光效果的镜片旋转角度，反演偏光镜片的偏振信息。本发明能够实现对自由曲面光学镜片的高精度、多参数的快速检测，具有参数范围广、可检测镜片表面缺陷、偏振特性以及配制完成后存在形变的眼镜面形及参数等优势。

Description

自由曲面光学镜片检测方法
技术领域
本发明涉及光学镜片检测技术领域，特别涉及一种自由曲面光学镜片面形及缺陷检测方法。
背景技术
随着电子产品的日益更新，人类近视率越来越高，对于眼球的屈光度进行验光检测的传统方法仅仅是对于眼球中心的屈光度进行检测，但是人眼的屈光度并不是一成不变的，进而推动了自由曲面光学镜片的发展。一般来说，自由曲面光学镜片是指不具有回转对称性的面形，此类镜片具有更高的自由度来校正像差、有效提高成像质量、实现个性化定制、缓解近视度数增速快的优点。然而，对于如角膜接触镜、渐进镜等高端镜片，不允许有任何裂纹及气泡的存在。因此，对自由曲面光学镜片的高精度与多参数检测是保证和提高光学自由曲面元件精度的关键，在多参数检测的基础上实现高精度成为当今眼镜检测的难点与热点问题。
自由曲面光学镜片的检测方法可分为接触式和非接触式。接触式检测方法中最常见的仪器是表面轮廓仪，其通过探针对物体进行扫描获得三维面形，优势是精度高、动态范围大，但缺点是检测效率低，而且对于眼镜检测来说性价比偏低。非接触式检测方法主要有激光干涉法和夏克哈特曼法。激光干涉法主要通过激光干涉仪对自由曲面光学镜片进行检测，首先将波前进行分束，定义光学镜片的反射（或透射）波前为检测波前，然后检测波前与参考波前进行对比，继而反演出镜片的面形，其优势是能够实现快速检测，并且能实现亚纳米级的分辨率，但其缺点是由于参考波前通常是球面波或平面波，激光干涉法在不借助补偿元件的情况下只能检测平面、球面，或与平面、球面偏差不大的自由曲面镜片，而对于与平面、球面偏差较大的光学自由曲面，通常需要借助补偿技术或子孔径拼接技术来辅助干涉仪，而补偿元件不具有通用性，制作成本较高，不适用于自由曲面光学镜片的检测。而夏克哈特曼法属于波前斜率测量法，其测量原理是通过微透镜阵列对被测镜片进行区域划分，并利用CCD记录经过被测曲面调制后的波前改变量，经数据处理，即可实现对被测镜片面形的检测，但其缺点是微透镜阵列的制造难度和加工成本与微透镜阵列尺寸的大小有关，微透镜阵列尺寸越大加工难度越大、成本越高，并且不能同时满足高横向分辨率和大曲率测量的需求。
发明内容
本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种自由曲面光学镜片检测方法，能够利用CCD相机、显示器以及计算机，实现对于自由曲面光学镜片以及自由曲面偏光镜片的球镜度、柱镜度等镜片参数或者是镜片中存在的裂纹及气泡进行快速检测。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供的自由曲面光学镜片检测方法，包括如下步骤：
S1、利用计算机控制显示器生成调制的正弦条纹，该正弦条纹透过自由曲面光学镜片后发生偏折；
S2、通过CCD相机采集经自由曲面光学镜片表面透射的变形条纹的图像；
S3、通过相移法产生相移，并且使用相位解包裹方法获得自由曲面光学镜片表面的连续真实相位；
S4、利用条纹偏折法对自由曲面光学镜片表面的连续真实相位进行计算，获得自由曲面光学镜片的波前斜率；
S5、使用泽尼克多项式对自由曲面光学镜片的波前斜率进行拟合，完成波前重建，获得自由曲面光学镜片的波前；
S6、基于自由曲面光学镜片的波前信息反演镜片面形，计算得到自由曲面光学镜片表面每一点的曲率信息；
S7、基于自由曲面光学镜片表面每一点的曲率信息，计算自由曲面光学镜片的参数信息；当自由曲面光学镜片为自由曲面偏光镜片时，在自由曲面偏光镜片与CCD相机之间置于偏振片，对自由曲面偏光镜片进行角度旋转，反演自由曲面偏光镜片的偏振信息。
优选地，步骤S3具体包括如下步骤：
S31、采用十三步相移法产生带有相位信息的正弦条纹，获得压缩在
Figure SMS_1
之间的包裹相位，其中，包裹相位的提取公式如下：
Figure SMS_2
；
其中，
Figure SMS_3
表示包裹相位，/>
Figure SMS_4
分别表示十三幅变形条纹的光强及相位分布，其中/>
Figure SMS_5
为/>
Figure SMS_6
相移/>
Figure SMS_7
后得到的光强及相位分布；
S32、使用相位解包裹方法进行解包裹，获得自由曲面光学镜片表面的连续真实相位。
优选地，在获得自由曲面光学镜片的波前斜率的同时对间断相位进行提取，获取自由曲面光学镜片表面缺陷的高度，并对灰度异常区域进行计算，获得自由曲面光学镜片表面缺陷的大小。
优选地，自由曲面光学镜片表面缺陷大小的计算过程如下：
对采集到的变形条纹的图像进行灰度处理，计算不连续的灰度的面积，根据像空间和物空间的放大倍率关系，获得自由曲面光学镜片表面缺陷的面积；
自由曲面光学镜片表面缺陷的深度的计算公式如下：
自由曲面光学镜片表面缺陷所引起的相位变化为：
Figure SMS_8
；
其中，
Figure SMS_9
表示缺陷引起的缺陷变化，/>
Figure SMS_10
表示当前带有缺陷的相位信息，/>
Figure SMS_11
表示不带有缺陷的相位信息，/>
Figure SMS_12
表示自由曲面光学镜片表面到屏幕之间的距离，/>
Figure SMS_13
表示条纹周期，
Figure SMS_14
表示变化角度；
由曲面光学镜片表面缺陷的深度信息S与变化角度
Figure SMS_15
之间的关系为：
Figure SMS_16
；
其中，S表示缺陷深度，
Figure SMS_17
表示在x轴上变化的角度，/>
Figure SMS_18
表示在y轴上变化的角度，y轴垂直于光轴，x轴平行于光轴。
优选地，自由曲面光学镜片的波前斜率的计算公式如下：
Figure SMS_19
；
其中，
Figure SMS_21
，/>
Figure SMS_24
表示波前斜率，/>
Figure SMS_26
表示相机像素点的水平方向位置，/>
Figure SMS_22
表示理想屏幕像素点的水平方向位置，/>
Figure SMS_25
表示相机像素点的竖直方向位置，/>
Figure SMS_27
表示理想屏幕像素点的竖直方向位置，/>
Figure SMS_28
表示相机像素点的大小，/>
Figure SMS_20
表示得到的相机像素点与理想屏幕像素点之间的水平方向之差；/>
Figure SMS_23
表示得到的相机像素点与相机得到的理想屏幕像素点之间竖直方向差。
优选地，在步骤S7中，自由曲面光学镜片的参数信息包括球镜度、柱镜度、棱镜度和屈光度；其中，
球镜度的计算公式如下：
Figure SMS_29
；
其中，S表示球镜度，
Figure SMS_30
与/>
Figure SMS_31
分别表示自由曲面光学镜片表面的两个主曲率；
柱镜度的计算公式如下：
Figure SMS_32
；
其中，C表示柱镜度；
屈光度的计算公式如下：
Figure SMS_33
；
其中，n表示自由曲面光学镜片的折射率，D表示屈光度；
棱镜度的计算公式如下：
Figure SMS_34
；
其中，
Figure SMS_35
，/>
Figure SMS_36
表示棱镜度，/>
Figure SMS_37
表示y轴上的任意一条光线L与光轴垂直方向上的屏幕交点的物理坐标，/>
Figure SMS_38
表示光线L与自由曲面光学镜片作用后，形成的反向延长线与屏幕交点的物理坐标，/>
Figure SMS_39
表示x轴上的任意一条光线L`与光轴平行方向上的屏幕交点的物理坐标，/>
Figure SMS_40
表示光线L`与自由曲面光学镜片作用后，形成的反向延长线与屏幕交点的物理坐标，y轴垂直于光轴，x轴平行于光轴，Dx表示水平方向上屏幕中心到自由曲面光学镜片中心的距离，Dy表示垂直方向上屏幕中心到自由曲面光学镜片中心的距离。
优选地，在步骤S1之前，还包括如下步骤：
对自由曲面光学镜片系统进行标定，将相机坐标系作为世界坐标系，将屏幕物理坐标系、相位坐标系及屏幕条纹坐标系刚体变换到世界坐标系中。
优选地，反演自由曲面偏光镜片的偏振信息的具体过程如下：
对自由曲面偏光镜片进行角度旋转，根据条纹灰度变化，获取转动角度为0°、60°、120°时的条纹灰度值，对采集到的光强进行图像处理，光强用图像的平均灰度表示，将光强分为256个强度，并用数值表示转动角度分别为0°、60°、120°的自由曲面光学镜片，利用下式反演自由曲面光学镜片的偏振信息：
Figure SMS_41
；
Figure SMS_42
表示光的总强度，/>
Figure SMS_43
为x轴方向与y轴方向的强度差，/>
Figure SMS_44
为/>
Figure SMS_45
与/>
Figure SMS_46
之间的强度差，则偏振度/>
Figure SMS_47
和椭圆半主轴方位角/>
Figure SMS_48
分别为：
Figure SMS_49
。
优选地，在步骤S7之后包括如下步骤：
将自由曲面光学镜片与镜架装配成的眼镜放置在CCD相机与显示器之间，重复步骤S2~S7，获得装配后的自由曲面光学镜片的参数信息，与未装配镜架的自由曲面光学镜片的参数信息作差，获得镜架对自由曲面光学镜片的残余应力。
相比于传统的非接触式检测方法，本发明利用计算机控制显示器生成一系列正弦条纹，并用CCD相机接收该正弦条纹，然后将自由曲面光学镜片放置在显示器和CCD相机之间，则CCD相机接收到的正弦条纹就会发生扭曲，对扭曲的条纹信息进行反演即可得到自由曲面光学镜片的面形信息，本发明利用相位偏折方法实现对自由曲面光学镜片的高精度、多参数快速检测，具有曲率测量范围大、加工成本低、对环境变化不敏感的特点，在自由曲面检测中具有重要的研究价值和应用前景。并且本发明能够对自由曲面镜片进行偏振检测，对加工后以及配制完成后的眼镜进行评价，配制眼镜完成后会对镜片面形产生一个较大的影响，本发明可以直接将装卡的镜片置于台面，得到真实的佩戴情况。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的自由曲面光学镜片检测系统的结构示意图；
图2是根据本发明实施例提供的自由曲面光学镜片检测方法的流程示意图；
图3是根据本发明实施例提供的自由曲面光学镜片检测方法的坐标系的标定过程示意图；
图4是根据本发明实施例提供的镜片存在位姿误差时球镜度以及柱镜度的分布示意图；
图5是根据本发明实施例提供的镜片存在表面缺陷时条纹分布示意图；
图6是根据本发明实施例提供的相位偏折法对自由曲面光学镜片的光线追迹示意图；
图7是根据本发明实施例提供的相位偏折法对自由曲面光学镜片的光线追迹虚焦点处的波前示意图；
图8是根据本发明实施例提供的自由曲面光学镜片的棱镜度的计算示意图；
图9是根据本发明实施例提供的增加偏振片后自由曲面光学镜片检测系统的结构示意图；
图10是根据本发明实施例提供的残余应力检测装置的结构示意图。
其中的附图标记包括：显示器1、CCD相机2、CCD相机入瞳3、自由曲面光学镜片4、偏振片5和载物台6。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，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用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
本发明提供的自由曲面光学镜片检测方法利用自由曲面光学镜片检测系统实现，首先对自由曲面光学镜片检测系统进行说明。
图1示出了根据本发明实施例提供的自由曲面光学镜片检测系统的结构。
如图1所示，本发明实施例提供的自由曲面光学镜片检测系统包括显示器1、CCD相机2和计算机，CCD相机2具有相机入瞳3，自由曲面光学镜片4置于CCD相机2与显示器1之间，计算机用于控制显示器1生成一系列调制的正弦条纹，显示器1用于显示正弦条纹，当CCD相机2与显示器1之间未放置自由曲面光学镜片4时，显示器1将正弦条纹直接投影至CCD相机2，调整CCD相机2的焦距，直至出现较清晰的图像时停止调焦，再进行微调得到清晰图像，调整相机入瞳3直至能够看清每个条纹的灰度变化。在将自由曲面光学镜片4置入CCD相机2与显示器1之间时，显示器1显示的正弦条纹透过自由曲面光学镜片4后会发生扭曲，CCD相机2会拍摄到经自由曲面光学镜片表面透射的变形条纹，对扭曲的变形条纹信息进行反演即可得到自由曲面光学镜片的面形信息，进而得到顶焦度、柱镜度等自由曲面光学镜片的参数信息。本发明实际是采用相位偏折法实现对自由曲面光学镜片的检测。
图2示出了根据本发明实施例提供的自由曲面光学镜片检测方法的流程。
如图2所示，本发明实施例提供的自由曲面光学镜片检测方法，包括如下步骤：
S1、利用计算机控制显示器生成调制的正弦条纹，该正弦条纹透过自由曲面光学镜片后发生偏折。
自由曲面光学镜片检测系统主要包括屏幕条纹坐标系（
Figure SMS_53
Figure SMS_61
）、相位坐标系（
Figure SMS_67
Figure SMS_54
）、屏幕物理坐标系（/>
Figure SMS_57
Figure SMS_63
）以及相机坐标系（/>
Figure SMS_69
Figure SMS_56
），受限于相机视场角以及拍摄时的角度和位置，拍摄不同角度与位置的正弦条纹时，需要将其他的坐标系与相机坐标系放在同一标准下进行标定，才能准确的进行自由曲面光学镜片的面形信息中各个参数的反演，为了提高反演的精度，在步骤S1之前，需要对屏幕条纹坐标系（/>
Figure SMS_59
Figure SMS_64
）、相位坐标系（/>
Figure SMS_70
Figure SMS_50
）、屏幕物理坐标系（/>
Figure SMS_60
Figure SMS_66
）以及相机坐标系（/>
Figure SMS_72
Figure SMS_55
）进行标定，以统一到世界坐标系，此时将相机坐标系（/>
Figure SMS_58
Figure SMS_65
）当作世界坐标系，以此简化计算量，将屏幕物理坐标系（/>
Figure SMS_71
Figure SMS_52
）、相位坐标系（/>
Figure SMS_62
Figure SMS_68
）及屏幕条纹坐标系（/>
Figure SMS_73
Figure SMS_51
）刚体变换到世界坐标系中。
图3示出了根据本发明实施例提供的自由曲面光学镜片检测方法的坐标系标定过程。
如图3所示，根据规律将显示器上的条纹坐标转化为相位坐标，由于屏幕像素大小是已知的，将正弦条纹充满整个屏幕时，可得出：每个像素点的屏幕坐标，假设每个像素的水平长度为
Figure SMS_74
，垂直长度为/>
Figure SMS_75
，所以能够得到屏幕条纹坐标系和相位坐标系的关系：
Figure SMS_76
；
其中，
Figure SMS_77
和/>
Figure SMS_78
分别表示条纹坐标系下原点处的x和y坐标。
分别获取CCD相机上像点对应的主光线与显示器屏幕的交点在相机坐标系下的坐标和在屏幕坐标系下的坐标，然后通过求解如下关系：
Figure SMS_79
所示的超定方程组，即可获取屏幕坐标系与相机坐标系之间的坐标转换矩阵。
S2、通过CCD相机采集经自由曲面光学镜片表面透射的变形条纹的图像。
由于镜片为光学自由曲面，所以正弦条纹经镜片透射后会发生扭曲变形，则CCD相机拍摄的条纹为变形条纹。
S3、利用条纹偏折法对自由曲面光学镜片表面的连续真实相位进行计算，获得自由曲面光学镜片的波前斜率。
通过相移法减小噪声对条纹的影响，获得自由曲面光学镜片的波前斜率。
本发明优选采用十三步相移法产生带有相位信息的正弦条纹，十三步相移相对于五步相移法解算精度更高，并且对于环境噪声会更加不敏感，十三步相移相对于二十一步相移法虽然说解算精度略有下降，但是其运算效率以及速度会大大提升。
十三步相移法具体如下：
当未置入自由曲面光学镜片时，CCD相机采集到计算机生成的第
Figure SMS_80
条正弦条纹的光强表达式为：
Figure SMS_81
；
Figure SMS_82
表示初始相位，I0表示采集到的背景光；
当置入自由曲面光学镜片时，此时的光强表达式为：
Figure SMS_83
；
Figure SMS_84
表示置入自由曲面光学镜片后的偏折相位；
十三步相移法每次的相移为
Figure SMS_85
，初始相位假设为/>
Figure SMS_86
，对CCD相机采集的变形条纹的相位进行提取，相位包裹公式如下：
Figure SMS_87
；
其中，
Figure SMS_98
表示包裹相位，/>
Figure SMS_110
分别表示十三幅变形条纹的光强及相位分布，其中/>
Figure SMS_119
为/>
Figure SMS_89
相移/>
Figure SMS_109
后得到的光强及相位分布，/>
Figure SMS_105
为/>
Figure SMS_118
相移/>
Figure SMS_116
后得到的光强及相位分布，/>
Figure SMS_123
为/>
Figure SMS_99
相移/>
Figure SMS_108
后得到的光强及相位分布，/>
Figure SMS_114
为/>
Figure SMS_121
相移/>
Figure SMS_115
后得到的光强及相位分布，
Figure SMS_124
为/>
Figure SMS_97
相移/>
Figure SMS_106
后得到的光强及相位分布，/>
Figure SMS_117
为/>
Figure SMS_125
相移/>
Figure SMS_88
后得到的光强及相位分布，/>
Figure SMS_100
为
Figure SMS_112
相移/>
Figure SMS_120
后得到的光强及相位分布，/>
Figure SMS_96
为/>
Figure SMS_107
相移/>
Figure SMS_92
后得到的光强及相位分布，/>
Figure SMS_102
为/>
Figure SMS_90
相移/>
Figure SMS_101
后得到的光强及相位分布，/>
Figure SMS_113
为/>
Figure SMS_122
相移/>
Figure SMS_94
后得到的光强及相位分布，/>
Figure SMS_104
为/>
Figure SMS_91
相移/>
Figure SMS_103
后得到的光强及相位分布，/>
Figure SMS_95
为/>
Figure SMS_111
相移/>
Figure SMS_93
后得到的光强及相位分布。
通过十三步相移法产生的包裹相位会被压缩在
Figure SMS_126
之间，无法反映真实的相位分布，因此需要采用相位解包裹方法还原出自有曲面光学镜片的连续真实相位。得到真实相位后，在自由曲面光学镜片范围内相位不连续的地方是有可能存在表面缺陷的，结合此时的光强分布进行波前重建，即可得到缺陷的大小及位置。
S4、利用条纹偏折法对自由曲面光学镜片表面的连续真实相位进行计算，获得自由曲面光学镜片的波前斜率，并对间断相位进行提取，获取自由曲面光学镜片表面缺陷的高度，并对灰度异常区域进行计算，获得自由曲面光学镜片表面缺陷的大小。
波前斜率的计算公式如下所示：
Figure SMS_127
；
其中，
Figure SMS_130
，/>
Figure SMS_131
表示波前斜率，/>
Figure SMS_134
表示相机像素点的水平方向位置，/>
Figure SMS_129
表示理想屏幕像素点的水平方向位置，/>
Figure SMS_133
表示相机像素点的竖直方向位置，/>
Figure SMS_135
表示理想屏幕像素点的竖直方向位置，/>
Figure SMS_136
表示相机像素点的大小，/>
Figure SMS_128
表示得到的相机像素点与理想屏幕像素点之间的水平方向之差；/>
Figure SMS_132
表示得到的相机像素点与相机得到的理想屏幕像素点之间竖直方向差。
当自由曲面光学镜片的表面存在缺陷及气泡时，会导致波前斜率不连续，对波前相位进行重建即可得到缺陷的大小及深度。自由曲面光学镜片表面缺陷大小的计算过程如下：
对采集到的变形条纹的图像进行灰度处理，如果镜片表面不能存在缺陷，则灰度是连续的，如果镜片表面存在缺陷，灰度是不连续的，将附近不连续的灰度结合起来（即计算不连续的灰度在图像中的面积），就是缺陷在屏幕上的像，根据像空间和物空间的放大倍率关系，可以得到缺陷的面积。
自由曲面光学镜片表面缺陷所引起的相位变化为：
Figure SMS_137
；
其中，
Figure SMS_138
表示缺陷引起的缺陷变化，/>
Figure SMS_139
表示当前带有缺陷的相位信息，/>
Figure SMS_140
表示不带有缺陷的相位信息，/>
Figure SMS_141
表示自由曲面光学镜片表面到屏幕之间的距离，/>
Figure SMS_142
表示条纹周期，
Figure SMS_143
表示变化角度；
由曲面光学镜片表面缺陷的深度信息S与变化角度
Figure SMS_144
之间的关系为：
Figure SMS_145
；
其中，S表示缺陷深度，
Figure SMS_146
表示在x轴上变化的角度，/>
Figure SMS_147
表示在y轴上变化的角度，y轴垂直于光轴，x轴平行于光轴，∂x和∂y分别表示对S求x和y偏导数。
如图5所示，为存在表面缺陷时的条纹透射图片。
S5、使用泽尼克多项式对自由曲面光学镜片的波前进行拟合，得到自由曲面光学镜片的波前。
图6和图7分别示出了根据本发明实施例提供的相位偏折法对自由曲面光学镜片的光线追迹与光线追迹虚焦点处的波前。
如图6和图7所示，为仿真非球面镜片得到的波前信息。
S6、基于自由曲面光学镜片的波前信息反演镜片面形，计算得到自由曲面光学镜片表面每一点的曲率信息。
S7、基于自由曲面光学镜片表面每一点的曲率信息，计算自由曲面光学镜片的参数信息。
自由曲面光学镜片的参数信息包括球镜度、柱镜度、棱镜度、屈光度和顶焦度，顶焦度是指镜面后顶点到焦点距离的倒数，球镜度是指球镜镜片的后顶焦度值，柱镜度是指散光镜片的两个顶焦度之差值。棱镜度是指光线通过镜片某一特定点后产生的偏折距离。
球镜度的计算公式如下：
Figure SMS_148
；
其中，S表示球镜度，
Figure SMS_149
与/>
Figure SMS_150
分别表示自由曲面光学镜片表面的两个主曲率，因为光学镜片是自由曲面，曲面的每个方向都有法曲率，那么就有最大最小的法曲率，这个最大最小值就是主曲率。
柱镜度的计算公式如下：
Figure SMS_151
；
其中，C表示柱镜度；
屈光度的计算公式如下：
Figure SMS_152
；
其中，D表示屈光度；
现假设为自由曲面光学镜片为远视镜，如图8所示，根据其出射点可以计算出各方向的棱镜度：
Figure SMS_153
；
其中，
Figure SMS_155
，/>
Figure SMS_158
表示棱镜度，/>
Figure SMS_159
表示y轴上的任意一条光线L与光轴垂直方向上的屏幕交点的物理坐标，/>
Figure SMS_156
表示光线L与自由曲面光学镜片作用后，形成的反向延长线与屏幕交点的物理坐标，/>
Figure SMS_157
表示x轴上的任意一条光线L`与光轴平行方向上的屏幕交点的物理坐标，/>
Figure SMS_160
表示光线L`与自由曲面光学镜片作用后，形成的反向延长线与屏幕交点的物理坐标，y轴垂直于光轴，x轴平行于光轴，/>
Figure SMS_161
与/>
Figure SMS_154
分别表示屏幕到镜片水平方向x与镜片垂直方向y主平面的距离。
由于自由曲面光学镜片的位姿会影响波前，因此需要仿真位姿误差带来的影响，在计算面向信息时需要将位姿误差扣除。
图4示出了根据本发明实施例提供的镜片存在位姿误差时球镜度以及柱镜度的分布。
如图4所示，当自由曲面光学镜片存在位姿误差时，存在倾斜为1°和2°的柱镜度和球镜度的分布。因此，在CCD相机采集变形条纹之后，还包括如下步骤：
首先，在仿真软件中对自由曲面光学镜片进行建模，在自由曲面光学镜片的前方与后方分别设置坐标间断点；
其次，分别仿真水平方向偏心，得到波前斜率，对波前斜率进行求导，能够得到自由曲面光学镜片表面每一点的曲率，采用步骤S7中的公式对柱镜度、球镜度进行位姿误差计算，得到关于带有位姿误差镜片的球镜度、柱镜度，并以此作为检测报告中的公差部分，如±0.05D，进而减小对镜片配制的影响。
本发明还可以通过增加偏振片的方式检测自由曲面偏光镜片的偏振情况。增加偏振片后自由曲面光学镜片检测系统的结构如图9所示，将偏振片5置于自由曲面光学镜片4与CCD相机2之间的位置，对自由曲面偏光镜片进行转动，获取转动角度为0°、60°、120°时的条纹灰度值，对采集到的光强进行图像处理，光强用图像的平均灰度表示，将光强分为256个强度，并用数值表示转动角度分别为0°、60°、120°的自由曲面光学镜片，利用下式反演自由曲面光学镜片的偏振信息：
Figure SMS_162
；
Figure SMS_165
表示光的总强度，/>
Figure SMS_167
为x轴方向与y轴方向的强度差，/>
Figure SMS_169
为/>
Figure SMS_164
与/>
Figure SMS_166
之间的强度差，
Figure SMS_168
分别表示转动0°、60°、120°时的光强（也就是图像灰度值），则偏振度
Figure SMS_170
和椭圆半主轴方位角/>
Figure SMS_163
分别为：
Figure SMS_171
。
本发明利用显示器、偏振片以及CCD相机模块，能够在有限的转动次数（0°、60°、120°）内，对相机图像进行分析，得到其灰度，进而对光束的偏振态分析，得到自由曲面光学镜片的偏振情况。
在步骤S7之后包括如下步骤：
将自由曲面光学镜片与镜架装配成的眼镜放置在CCD相机与显示器之间，重复步骤S2~S7，获得装配后的自由曲面光学镜片的参数信息，与未装配镜架的自由曲面光学镜片的参数信息作差，获得镜架对自由曲面光学镜片的残余应力。
针对切割镜片、镜架装卡造成的应力影响，将光路竖直放置，如图10所示。在定制自由曲面镜片以后，需要对镜片进行切割、修边以及装卡。一般来说，镜片的材料为树脂，这种材料的硬度并不是很好，因此，在后续与镜架的过程中，镜架不可避免的对镜片面形造成一定的影响，本发明能够对残余应力造成的面形形变进行检测，更好的贴近人眼真实的佩戴情况。
由于显示器1比较重，所以通常将显示器1放置在下方，将CCD相机2放置在上方，将载物台6放置在显示屏1与CCD相机2之间的位置，装配好的眼镜直接放置在载物台6上进行检测。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种自由曲面光学镜片检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、利用计算机控制显示器生成调制的正弦条纹，该正弦条纹透过自由曲面光学镜片后发生偏折；
S2、通过CCD相机采集经自由曲面光学镜片表面透射的变形条纹的图像；
S3、通过相移法产生相移，并且使用相位解包裹方法获得自由曲面光学镜片表面的连续真实相位；
步骤S3具体包括如下步骤：
S31、采用十三步相移法产生带有相位信息的正弦条纹，获得压缩在
Figure QLYQS_1
之间的包裹相位，其中，包裹相位的提取公式如下：
Figure QLYQS_2
；
其中，
Figure QLYQS_3
表示包裹相位，/>
Figure QLYQS_4
分别表示十三幅变形条纹的光强及相位分布；
S32、使用相位解包裹方法进行解包裹，获得自由曲面光学镜片表面的连续真实相位；
S4、利用条纹偏折法对自由曲面光学镜片表面的连续真实相位进行计算，获得自由曲面光学镜片的波前斜率；
S5、使用泽尼克多项式对自由曲面光学镜片的波前斜率进行拟合，完成波前重建，获得自由曲面光学镜片的波前；
S6、基于自由曲面光学镜片的波前信息反演镜片面形，计算得到自由曲面光学镜片表面每一点的曲率信息；
S7、基于自由曲面光学镜片表面每一点的曲率信息，计算自由曲面光学镜片的参数信息；当自由曲面光学镜片为自由曲面偏光镜片时，在自由曲面偏光镜片与CCD相机之间置于偏振片，对自由曲面偏光镜片进行角度旋转，反演自由曲面偏光镜片的偏振信息。
2.如权利要求1所述的自由曲面光学镜片检测方法，其特征在于，在获得自由曲面光学镜片的波前斜率的同时对间断相位进行提取，获取自由曲面光学镜片表面缺陷的高度，并对灰度异常区域进行计算，获得自由曲面光学镜片表面缺陷的大小。
3.如权利要求2所述的自由曲面光学镜片检测方法，其特征在于，自由曲面光学镜片表面缺陷大小的计算过程如下：
对采集到的变形条纹的图像进行灰度处理，计算不连续的灰度的面积，根据像空间和物空间的放大倍率关系，获得自由曲面光学镜片表面缺陷的面积；
自由曲面光学镜片表面缺陷的深度的计算公式如下：
自由曲面光学镜片表面缺陷所引起的相位变化为：
Figure QLYQS_5
；
其中，
Figure QLYQS_6
表示缺陷引起的缺陷变化，/>
Figure QLYQS_7
表示当前带有缺陷的相位信息，/>
Figure QLYQS_8
表示不带有缺陷的相位信息，/>
Figure QLYQS_9
表示自由曲面光学镜片表面到屏幕之间的距离，/>
Figure QLYQS_10
表示条纹周期，/>
Figure QLYQS_11
表示变化角度；
由曲面光学镜片表面缺陷的深度信息S与变化角度
Figure QLYQS_12
之间的关系为：
Figure QLYQS_13
；
其中，S表示缺陷深度，
Figure QLYQS_14
表示在x轴上变化的角度，/>
Figure QLYQS_15
表示在y轴上变化的角度，y轴垂直于光轴，x轴平行于光轴。
4.如权利要求1所述的自由曲面光学镜片检测方法，其特征在于，自由曲面光学镜片的波前斜率的计算公式如下：
Figure QLYQS_16
；
其中，
Figure QLYQS_18
，/>
Figure QLYQS_21
表示波前斜率，/>
Figure QLYQS_23
表示相机像素点的水平方向位置，/>
Figure QLYQS_19
表示理想屏幕像素点的水平方向位置，/>
Figure QLYQS_22
表示相机像素点的竖直方向位置，/>
Figure QLYQS_24
表示理想屏幕像素点的竖直方向位置，/>
Figure QLYQS_25
表示相机像素点的大小，/>
Figure QLYQS_17
表示得到的相机像素点与理想屏幕像素点之间的水平方向之差；/>
Figure QLYQS_20
表示得到的相机像素点与相机得到的理想屏幕像素点之间竖直方向差。
5.如权利要求1~4中任一项所述的自由曲面光学镜片检测方法，其特征在于，在步骤S7中，自由曲面光学镜片的参数信息包括球镜度、柱镜度、棱镜度和屈光度；其中，
球镜度的计算公式如下：
Figure QLYQS_26
；
其中，S表示球镜度，
Figure QLYQS_27
与/>
Figure QLYQS_28
分别表示自由曲面光学镜片表面的两个主曲率；
柱镜度的计算公式如下：
Figure QLYQS_29
；
其中，C表示柱镜度；
屈光度的计算公式如下：
Figure QLYQS_30
；
其中，n表示自由曲面光学镜片的折射率，D表示屈光度；
棱镜度的计算公式如下：
Figure QLYQS_31
；
其中，
Figure QLYQS_32
，/>
Figure QLYQS_33
表示棱镜度，/>
Figure QLYQS_34
表示y轴上的任意一条光线L与光轴垂直方向上的屏幕交点的物理坐标，/>
Figure QLYQS_35
表示光线L与自由曲面光学镜片作用后，形成的反向延长线与屏幕交点的物理坐标，/>
Figure QLYQS_36
表示x轴上的任意一条光线L`与光轴平行方向上的屏幕交点的物理坐标，/>
Figure QLYQS_37
表示光线L`与自由曲面光学镜片作用后，形成的反向延长线与屏幕交点的物理坐标，y轴垂直于光轴，x轴平行于光轴，Dx表示水平方向上屏幕中心到自由曲面光学镜片中心的距离，Dy表示垂直方向上屏幕中心到自由曲面光学镜片中心的距离。
6.如权利要求1所述的自由曲面光学镜片检测方法，其特征在于，在步骤S1之前，还包括如下步骤：
对自由曲面光学镜片系统进行标定，将相机坐标系作为世界坐标系，将屏幕物理坐标系、相位坐标系及屏幕条纹坐标系刚体变换到世界坐标系中。
7.如权利要求1所述的自由曲面光学镜片检测方法，其特征在于，反演自由曲面偏光镜片的偏振信息的具体过程如下：
对自由曲面偏光镜片进行角度旋转，根据条纹灰度变化，获取转动角度为0°、60°、120°时的条纹灰度值，对采集到的光强进行图像处理，光强用图像的平均灰度表示，将光强分为256个强度，并用数值表示转动角度分别为0°、60°、120°的自由曲面光学镜片，利用下式反演自由曲面光学镜片的偏振信息：
Figure QLYQS_38
；
Figure QLYQS_41
表示光的总强度，/>
Figure QLYQS_43
为x轴方向与y轴方向的强度差，/>
Figure QLYQS_45
为/>
Figure QLYQS_40
与/>
Figure QLYQS_42
之间的强度差，
Figure QLYQS_44
分别表示转动0°、60°、120°时的光强，则偏振度/>
Figure QLYQS_46
和椭圆半主轴方位角/>
Figure QLYQS_39
分别为：
Figure QLYQS_47
。
8.如权利要求1所述的自由曲面光学镜片检测方法，其特征在于，在步骤S7之后包括如下步骤：
将自由曲面光学镜片与镜架装配成的眼镜放置在CCD相机与显示器之间，重复步骤S2~S7，获得装配后的自由曲面光学镜片的参数信息，与未装配镜架的自由曲面光学镜片的参数信息作差，获得镜架对自由曲面光学镜片的残余应力。
CN202310404566.XA 2023-04-17 2023-04-17 自由曲面光学镜片检测方法 Active CN116105633B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310404566.XA CN116105633B (zh) 2023-04-17 2023-04-17 自由曲面光学镜片检测方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310404566.XA CN116105633B (zh) 2023-04-17 2023-04-17 自由曲面光学镜片检测方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN116105633A CN116105633A (zh) 2023-05-12
CN116105633B true CN116105633B (zh) 2023-07-07

Family

ID=86254751

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310404566.XA Active CN116105633B (zh) 2023-04-17 2023-04-17 自由曲面光学镜片检测方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116105633B (zh)

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112184794A (zh) * 2020-09-16 2021-01-05 西安邮电大学 一种光栅条纹主值相位提取的相移方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102226771B (zh) * 2011-03-25 2012-11-28 宁波大学 一种红外玻璃内部缺陷和残余应力的检测方法
CN103033297B (zh) * 2012-12-10 2014-10-22 中国船舶重工集团公司第七一一研究所 残余应力沿深度分布分析仪
CN203444153U (zh) * 2013-09-06 2014-02-19 成都西图科技有限公司 偏光显微图像自动采集分析装置
CN108225737A (zh) * 2017-12-06 2018-06-29 天津大学 一种新型光学透镜测量方法
CN111537203A (zh) * 2020-05-27 2020-08-14 电子科技大学 一种利用相位测量偏折术的光学透镜波前测量方法
CN111854984A (zh) * 2020-08-25 2020-10-30 上海乾曜光学科技有限公司 一种测量液晶透过波前的干涉仪
CN114280627A (zh) * 2020-12-11 2022-04-05 深圳博升光电科技有限公司 一种结构光相机及3d探测设备
CN113029040B (zh) * 2021-02-26 2022-09-27 中国科学院深圳先进技术研究院 一种偏振相位偏折测量方法和装置
CN113300769B (zh) * 2021-04-01 2022-04-22 西安理工大学 一种基于压缩感知技术的自适应光学系统波前重构的方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112184794A (zh) * 2020-09-16 2021-01-05 西安邮电大学 一种光栅条纹主值相位提取的相移方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
双光纤相移点衍射干涉仪装调技术;张宇;金春水;马冬梅;王丽萍;;红外与激光工程(01);全文 *
极紫外光刻物镜系统波像差检测技术研究;张宇;《工程科技Ⅱ辑》;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN116105633A (zh) 2023-05-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110726381B (zh) 一种光学自由曲面全频段像差检测系统及检测方法
US10416039B2 (en) Interferometer having a reference fluid tank with a prism and a motion matching window for characterizing a contact lens
CN104949763B (zh) 一种基于逆哈特曼原理的透镜波前像差测量方法
JP4086429B2 (ja) 眼鏡レンズの評価方法及び評価装置
JPH07190885A (ja) 光学素子の幾何学的または光学的構造の絶対的測定方法および実施装置
CN106768882B (zh) 一种基于夏克-哈特曼波前传感器的光学系统畸变测量方法
WO2003102519A1 (en) Methhod and system for sensing and analyzing a wavefront of an optically transmissive system
JP5173106B2 (ja) 光学要素の幾何学構造の伝達測定方法と装置
US20210325276A1 (en) Method and device for measuring an optical lens for individual wearing situations by a user
CN107167095A (zh) 基于参考透镜法的数字全息显微相位畸变校正方法
CN102937421A (zh) 旋转轴对称光学非球面的实时检测方法
CN111537203A (zh) 一种利用相位测量偏折术的光学透镜波前测量方法
CN102928196A (zh) 自由曲面镜片的检测方法和装置
JP2007303900A (ja) 眼鏡レンズの光学性能評価方法
CN116105633B (zh) 自由曲面光学镜片检测方法
Canabal et al. Laser beam deflectometry based on a subpixel resolution algorithm
KR20110065365A (ko) 비구면체 측정 방법 및 장치
CN111207679B (zh) 一种大测量跨度的高精度反射元件检测方法
Wang et al. Vision ray model based stereo deflectometry for the measurement of the specular surface
CN114353696A (zh) 小陡度凹凸面光学自由曲面面形检测系统及检测方法
Williby et al. Interferometric testing of soft contact lenses
JP2006106002A (ja) 眼鏡レンズの評価方法及び評価装置
Zhou et al. Optical-path-difference analysis and compensation for asymmetric binocular catadioptric vision measurement
CN106767522B (zh) 一种针对大口径深矢高的光学自由曲面检测方法及装置
JP4980522B2 (ja) 被検面上のうねり成分を抽出する測定手法

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