專利名稱：一種基于條紋反射的離軸非球面鏡檢測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光學檢測技術，特別是一種基于條紋反射的離軸非球面鏡檢測方法，屬于先進光學制造與檢測技術領域。
背景技術：
在保證像質的前提下非球面元件的采用可以減少光學系統(tǒng)的復雜性、尺寸以及重量，特別針對大口徑空間遙感器，非球面元件的采用意義尤為重要。目前，隨著民用資源調查以及國防軍事要求的提高，要求空間相機的視場越來越大、分辨力越來越高。新一代的空間相機一般通過采用輕質大尺寸的非球面光學元件來提高系統(tǒng)的分辨力、增大視場、降低系統(tǒng)復雜性，進而降低系統(tǒng)重量來降低發(fā)射成本。尤其是針對寬覆蓋詳查相機為得到近乎理想的成像質量，而采用了離軸非球面系統(tǒng)，使得離軸非球面光學元件在空間領域得到了前所未有的廣泛應用。非球面的制造與檢測技術一直是光學制造業(yè)的技術難點，在其加工的各個階段都需要有相應的面形檢測方法與之匹配。目前，在非球面加工的拋光修改階段主要采用相移干涉儀和刀口儀的自準直來實現(xiàn)檢測。干涉測量的量程很小，不適合精磨過程中，表面面形較粗糙、誤差較大的面形測量。刀口檢測依賴于檢測員的經驗，屬于定性檢測，不能得到定量結果。一般考慮使用三坐標測量機，但對于檢測離軸非球面，由于其不是旋轉對稱曲面，所以如何實現(xiàn)對被測件坐標系準確的標定與校準是一個難題。目前，針對離軸非球面精磨加工過程中，其表面具有鏡面反射性的特點，可采用條紋反射、相位測量偏折術等，目前這些技術已得到了很大的發(fā)展。專利申請?zhí)?01110050685. 7公開了一種采用結構光來實現(xiàn)對大口徑非球面鏡的檢測方法，該方法適用于旋轉對稱曲面的檢測，因為其可以方便地建立起世界坐標系。而對非旋轉對稱的被測曲面，世界坐標系的建立及法線向量的計算方法，并沒有進行說明。本發(fā)明克服了以上不足，公開了一種將條紋反射應用于非旋轉對稱的離軸非球面檢測的方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的技術解決問題克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種基于條紋反射的離軸非球面鏡檢測方法，實現(xiàn)將條紋反射應用于非旋轉對稱的離軸非球面檢測。本發(fā)明的技術解決方案一種基于條紋反射的離軸非球面檢測方法，首先以離軸非球面中心建立世界坐標系，并且坐標軸上設置特征點來固定世界坐標系的坐標軸；然后得到攝像機坐標系、世界坐標系及顯示屏坐標系之間的關系；測量時，在顯示屏上顯示正弦或余弦周期性條紋圖樣，投影在被測離軸非球面鏡上被反射回來，由攝像機所接收，再進行光線追跡得到入射光線向量和反射光線向量，然后由光線反射定律得到面形的法線向量， 最后積分重建被測離軸非球面的面形高度信息。所述以離軸非球面中心建立世界坐標系的方法為以離軸非球面中的離軸量為中心，并以此中心為坐標原點，將離軸非球面的母鏡坐標軸系平移一定距離到該原點，并旋轉一定角度后建立世界坐標系。
所述世界坐標系與顯示屏坐標系之間的關系通過輔助工具或激光跟蹤儀測量后確定。所述反射光線向量通過攝像機標定得到。所述光線追跡的實現(xiàn)通過相移技術及相位展開技術得到相位分布，利用相位信息來進行的。所述入射光線向量利用已標定的攝像機、理想面形分布及相位分布計算得到。所述坐標系平移距離及旋轉角度由離軸非球面的理想方程決定，新坐標系的ζ軸方向與原點的法線方向重合。所述世界坐標系上的特征點的坐標位置通過機械加精確控制到微米量級。所述攝像機坐標系與世界坐標系間的關系利用已標定的攝像機拍攝世界坐標系上已知位置的特征點，利用攝影測量的方法計算得到。所述特征點為圓圈、圓環(huán)或十字交叉線。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點如下(1)本發(fā)明以離軸非球面中心建立世界坐標系，并提出了相應的法線向量計算方法，可用于檢測非旋轉對稱的離軸非球面鏡。(2)實現(xiàn)本發(fā)明方法的測量系統(tǒng)包括攝像機、顯示屏和計算機，與干涉測量相比， 成本低廉，結構簡單，無需輔助元件，對系統(tǒng)元件也無特殊要求。(3)本發(fā)明中的基本原理是光線反射定理，周期性條紋是屬于白光波段，其周期可隨精度要求進行改變，相比干涉測量，更為靈活且具有更大的動態(tài)測量范圍。(4)本發(fā)明利用了光線的偏折及反射定律，屬于面形法線測量方法，所以該檢測方法具有很高的靈敏度。(5)本發(fā)明使用了條紋反射測量技術，與干涉測量相比，對環(huán)境要求不高，能有效地抑制噪聲和周圍環(huán)境對檢測結果的影響，可用于車間環(huán)境檢測。


圖1為實現(xiàn)本發(fā)明方法的測量系統(tǒng)結構圖；圖2為本發(fā)明中離軸非球面示意圖；圖3為本發(fā)明中離軸非球面俯視示意圖；圖4為本發(fā)明的離軸非球面坐標系特征點示意圖；圖5為本發(fā)明的測量原理示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，測量系統(tǒng)由被測離軸非球面鏡、顯示屏和CXD攝像機組成，如圖1所示，實現(xiàn)步驟如下首先，將母鏡坐標系進行平移和旋轉，建立離軸非面世界坐標系。一般地，對稱二次非球面母鏡方程可表示為

權利要求
1.一種基于條紋反射的離軸非球面鏡檢測方法，其特征在于首先以離軸非球面中心建立世界坐標系，并且坐標軸上設置特征點來固定世界坐標系的坐標軸；然后得到攝像機坐標系、世界坐標系及顯示屏坐標系之間的關系；測量時，在顯示屏上顯示正弦或余弦周期性條紋圖樣，投影在被測離軸非球面鏡上被反射回來，由攝像機所接收，再進行光線追跡得到入射光線向量和反射光線向量，然后由光線反射定律得到面形的法線向量，最后積分重建被測離軸非球面的面形高度信息。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于條紋反射的離軸非球面檢測方法，其特征在于所述以離軸非球面中心建立世界坐標系的方法為以離軸非球面中的離軸量為中心，并以此中心為坐標原點，將離軸非球面的母鏡坐標軸系平移一定距離到該原點，并旋轉一定角度后建立世界坐標系。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于條紋反射的離軸非球面檢測方法，其特征在于所述世界坐標系與顯示屏坐標系之間的關系通過輔助工具或激光跟蹤儀測量后確定。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于條紋反射的離軸非球面檢測方法，其特征在于所述反射光線向量通過攝像機標定得到。
5.根據(jù)權利要求1所述的基于條紋反射的離軸非球面檢測方法，其特征在于所述光線追跡的實現(xiàn)通過相移技術及相位展開技術得到相位分布，利用相位信息來進行的。
6.根據(jù)權利要求1所述的基于條紋反射的離軸非球面檢測方法，其特征在于所述入射光線向量利用已標定的攝像機、理想面形分布及相位分布計算得到。
7.根據(jù)權利要求2所述的基于條紋反射的離軸非球面檢測方法，其特征在于所述坐標系平移距離及旋轉角度由離軸非球面的理想方程決定，新坐標系的ζ軸方向與原點的法線方向重合。
8.根據(jù)權利要求1所述的基于條紋反射的離軸非球面檢測方法，其特征在于所述世界坐標系上的特征點的坐標位置通過機械加精確控制到微米量級。
9.根據(jù)權利要求1所述的基于條紋反射的離軸非球面檢測方法，其特征在于所述攝像機坐標系與世界坐標系間的關系利用已標定的攝像機拍攝世界坐標系上已知位置的特征點，利用攝影測量的方法計算得到。
10.根據(jù)權利要求1所述的基于條紋反射的離軸非球面檢測方法，其特征在于所述特征點為圓圈、圓環(huán)或十字交叉線。
全文摘要
一種基于條紋反射的離軸非球面鏡檢測方法，測量系統(tǒng)由被測鏡、顯示屏和CCD攝像機組成。首先以離軸非球面鏡中心建立世界坐標系，并得到世界坐標系、顯示屏坐標系及攝像機坐標系之間的關系。測量時，在顯示屏上正(余)弦周期性條紋圖樣，投影在被測鏡上被反射回來，由攝像機進行拍攝。通過相移技術及相位展開技術得到相位分布，再結合各坐標之間的關系得到被測非球面的法線向量分布，最后積分重建被測離軸非球面的面形高度信息。
文檔編號G01B11/25GK102494634SQ20111036783
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權日2011年11月18日
發(fā)明者萬勇建, 伍凡, 范斌, 趙文川 申請人:中國科學院光電技術研究所