專利名稱：用于微小非球面加工的在位測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的光學(xué)三維測(cè)量裝置，主要用于微小非球面加工的在位測(cè)量。
背景技術(shù)：
采用非球面光學(xué)系統(tǒng)，可消除球差、慧差、像散、場(chǎng)曲，減少光能損失，從而獲得高質(zhì)量的圖像效果和高品質(zhì)的光學(xué)特性，可廣泛應(yīng)用于各種現(xiàn)代光電子產(chǎn)品、圖像處理產(chǎn)品如數(shù)碼相機(jī)、VCD、DVD、電腦、CCD攝像鏡頭、大屏幕投影電視機(jī)及軍事、天文和醫(yī)療等行業(yè)。在非球面光學(xué)元件的加工和實(shí)驗(yàn)中，對(duì)其表面面形的精確測(cè)量是至關(guān)重要的；從某種意義上說(shuō)，沒(méi)有與加工精度相適應(yīng)的高精度檢測(cè)方法及儀器，非球面的精密和超精密加工就難以實(shí)現(xiàn)。近些年來(lái)，人們提出了許多非球面測(cè)量技術(shù)和裝置，但這些技術(shù)和裝置都存在著或?qū)崿F(xiàn)條件苛刻、或速度慢、或精度低、或通用性差、或成本過(guò)高等缺點(diǎn)，因此迫切需要開(kāi)發(fā)新的簡(jiǎn)單實(shí)用而且操作方便的技術(shù)裝置來(lái)克服以上所述的不足。在先技術(shù)之一(參見(jiàn)“Stylusprofiling at high resolution and low force高分辨率、低接觸壓カ的探針輪廓測(cè)量技木”，J. F. Song and T. V. Vorburger, Appl. Opt.,30,42-50,1991)采用接觸式探針測(cè)量出非球面表面各點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，這種測(cè)量方法雖然原理簡(jiǎn)單，但測(cè)量效率低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，而且探針會(huì)對(duì)測(cè)量表面較軟(如塑料)的非球面鏡片造成損傷。在先技術(shù)之ニ(參見(jiàn)“Deepaspheric testing base on phase-shift electronicMoire patterns基于相移電子莫爾條紋的深度非球面檢測(cè)”，光學(xué)精密工程，11 (3)250-255,2003)采用輪廓投影法進(jìn)行非球面測(cè)量，其對(duì)環(huán)境要求低，但這種方法一般適用于精度要求不高的場(chǎng)合，如顯微鏡的聚光鏡等，當(dāng)被測(cè)非球面精度要求較高吋，這種方法無(wú)能為力。在先技術(shù)之三(參見(jiàn)《非球面干渉儀零檢驗(yàn)的補(bǔ)償器設(shè)計(jì)》，伍凡，應(yīng)用光學(xué)，18(2),10-13. 1997)采用零位檢測(cè)法(Null Compensation)對(duì)非球面進(jìn)行測(cè)量，零位檢測(cè)法根據(jù)被測(cè)非球面設(shè)計(jì)出補(bǔ)償透鏡，使得入射到補(bǔ)償透鏡上的平面波或球面波變換成與被測(cè)非球面理論形狀相同的波形，并與被測(cè)非球面的實(shí)際波面干渉形成干涉條紋，實(shí)現(xiàn)測(cè)量，其中補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)對(duì)于補(bǔ)償干涉法測(cè)量非常重要，在測(cè)量中，往往根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)出不同的補(bǔ)償器和相應(yīng)的測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)，通用性很差，相應(yīng)的成本也非常高，而且測(cè)量過(guò)程受環(huán)境影響大。
在先技術(shù)之四(參見(jiàn) Design of a novel hologram for full measurement oflarge and deep convex aspheric surfaces用于大型深度凸非球面測(cè)量的全息干涉法，Hua Liu,Zhenwu Lu,Fengyou Li,and Qiang Sun,Optics Express,15(6),3120-3126,2007和‘-resting large convex aspnerical surface with computer generated holography采用技術(shù)全息技術(shù)實(shí)現(xiàn)大型凸非球面曲面的檢測(cè)”，Chang J，L I F Y, Weng Zh Ch etal.Acta Op tica Sinica, 23 (10) : 1266 1268，2003)介紹了計(jì)算全息(CGH)法測(cè)量非球面的方法，它是采用非球面鏡片的計(jì)算全息圖代替零位檢測(cè)法中的補(bǔ)償器來(lái)實(shí)現(xiàn)零位干渉測(cè)量。采用計(jì)算全息法測(cè)量非球面的精度一般可達(dá)λ /10，但同樣存在與補(bǔ)償干渉法一祥的缺點(diǎn)，通用性差。在先技術(shù)之五(參見(jiàn) P. Hariharan et al. ,“Measurement of aspheric surfaceusing a micro-computer-controlled radial-shear interferometer 米用微計(jì)算機(jī)控制的徑向剪切干涉儀實(shí)現(xiàn)非球面曲面測(cè)量”，Optica Acta. 31 (9), 1984)采用徑向剪切干涉技術(shù)結(jié)合相移技術(shù)實(shí)現(xiàn)非球面面形測(cè)量，其相移同樣也是采用壓電陶瓷(PZT)實(shí)現(xiàn)，測(cè)量過(guò)程需要嚴(yán)格的隔振，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)普通環(huán)境下的測(cè)量，同時(shí)也很難實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量，而且測(cè)量過(guò)程中很難改變條紋頻率以適應(yīng)不同的被測(cè)面形，對(duì)帶有不連續(xù)區(qū)域的非球面(如拼接非球面)的測(cè)量有沒(méi)有具體的應(yīng)對(duì)方案
發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于，為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提出一種用于微小非球面加工的在位面形測(cè)量裝置，它能在無(wú)需專門的隔振、隔噪聲裝置的普通環(huán)境下進(jìn)行非球面面形高精度測(cè)量，并可在選擇合適的條紋頻率后進(jìn)行測(cè)量；而對(duì)于存在不連續(xù)區(qū)域的非球面鏡，可按一定要求快速采集多組不同頻率的相移條紋，以時(shí)間相位法獲得此類非球面鏡的三維形貌；在該方法中，測(cè)量的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)變頻移相法實(shí)現(xiàn)；而變頻功能是通過(guò)軟件投影算法實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)裝置采用普通的計(jì)算機(jī)以及顯示器，成本低，抗振動(dòng)、噪聲能力強(qiáng)，具有操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，而且適合不同口徑的各種面形(包括非球面、球面和平面等)的測(cè)量，是ー種多功能測(cè)量裝置。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，所述測(cè)量非球面面形的光學(xué)裝置有一臺(tái)顯示器、ー個(gè)CCD鏡頭、一臺(tái)計(jì)算機(jī)(配置有雙屏顯卡、圖像采集卡)、被測(cè)非球面模具和一套變頻條紋圖處理軟件。在該裝置中，測(cè)量的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)變頻移相法實(shí)現(xiàn)；而變頻功能是通過(guò)軟件投影算法實(shí)現(xiàn)。以下對(duì)本發(fā)明做出進(jìn)ー步說(shuō)明。參見(jiàn)圖1，本發(fā)明所述非球面面形的光學(xué)裝置有計(jì)算機(jī)1，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，基于普通個(gè)人PC上，配置雙屏顯卡、圖像采集卡，與CCd鏡頭兼容；有普通液晶顯示器2，其特征在于，與計(jì)算機(jī)I相連接，可獨(dú)立顯示條紋圖；有ccd鏡頭3，其特征在于具有較小的f數(shù)，可清晰拍攝離焦條紋圖；有非球面模具4，其特征在于小口徑非球面模具樣品，表面光滑；有變頻條紋圖處理軟件5，其特征在于，用于處理變頻條紋圖，可實(shí)現(xiàn)任意組變頻條紋的處理。所述的顯示器2、ccd鏡頭3與被測(cè)非球面4成空間等邊三角形，相互夾角成60。所述的非球面測(cè)量裝置，其特征在于，所述ccd鏡頭3要求有較小的f數(shù)(< I)；所述的非球面測(cè)量裝置，其特征在于，所述非球面樣品4的口徑小于10mm，表面是鏡面，并且非球面的深度不宣過(guò)大。由計(jì)算機(jī)I根據(jù)條紋圖模擬算法顯示出不同頻率的條紋圖，至少6組相移條紋圖，并通過(guò)計(jì)算機(jī)I中的雙屏顯卡把圖像信號(hào)輸入到顯示器2單獨(dú)顯示，非球面樣品4是鏡面，可反射顯示器2的條紋圖，此時(shí)ccd鏡頭3對(duì)模具4反射出的條紋圖進(jìn)行拍攝，獲取多幅變頻條紋圖，ccd鏡頭3通過(guò)圖像采集卡與計(jì)算機(jī)I連接，并把采集的圖像數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)I中，在計(jì)算機(jī)I中，由軟件5進(jìn)行條紋圖的處理，從而利用軟件算法恢復(fù)出被測(cè)樣品4的非球面形狀，這里的顯示器2、ccd鏡頭3與被測(cè)樣品4是成空間等邊三角形，并以此位置來(lái)計(jì)算各硬件參數(shù)，以獲取最終的三維面形尺寸。
在該裝置中，測(cè)量的實(shí)時(shí)性是通過(guò)CCd鏡頭3與顯示器2同步觸發(fā)實(shí)現(xiàn)；而變頻功能是通過(guò)計(jì)算機(jī)I中的軟件5來(lái)實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)裝置采用普通元件，成本低，不僅可測(cè)量多種小口徑的非球面，對(duì)平面和球面同樣適用，可實(shí)現(xiàn)普通環(huán)境下的快速高精度測(cè)量，而且具有變頻功能，對(duì)處理存在不連續(xù)區(qū)域的鏡面(如帶缺陷的非球面)非常有效。由以上可知，本發(fā)明為一種測(cè)量微小非球面面形的非干渉光學(xué)裝置，兼有條紋變頻的功能，根據(jù)所需條紋的周期選擇硬件的相對(duì)位置，可在極短時(shí)間采集相移干涉圖，實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量，對(duì)環(huán)境并無(wú)苛刻的要求(無(wú)需專門的隔振、隔噪聲設(shè)備)，而且適合不同口徑的微小非球面測(cè)量；可采集多組(每組四幅圖)不同頻率的相移條紋，利用時(shí)間相位法實(shí)現(xiàn)非球面的高精度測(cè)量。該裝置采用規(guī)則的條紋圖，其后期處理十分方便。


圖I為本發(fā)明所述裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。在圖中ト普通計(jì)算機(jī)，2-液晶顯示器，3-ccd 鏡頭，4-非球面樣品模具，5-計(jì)算機(jī)軟件。
具體實(shí)施例方式如圖I所示，本發(fā)明所述計(jì)算機(jī)I根據(jù)條紋圖模擬算法顯示出不同頻率的條紋圖，至少6組相移條紋圖，并通過(guò)計(jì)算機(jī)I中的雙屏顯卡把圖像信號(hào)輸入到顯示器2單獨(dú)顯示，非球面樣品4是鏡面，可反射顯示器2的條紋圖，此時(shí)ccd鏡頭3對(duì)模具4反射出的條紋圖進(jìn)行拍攝，獲取多幅變頻條紋圖，ccd鏡頭3通過(guò)圖像采集卡與計(jì)算機(jī)I連接，并把采集的圖像數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)I中，在計(jì)算機(jī)I中，由軟件5進(jìn)行條紋圖的處理，從而利用軟件算法恢復(fù)出被測(cè)樣品4的非球面形狀，這里的顯示器2、ccd鏡頭3與被測(cè)樣品4是成空間等邊三角形，并以此位置來(lái)計(jì)算各硬件參數(shù)，以獲取最終的三維面形尺寸。
權(quán)利要求
1.一種用于微小非球面加工的在位測(cè)量裝置，有計(jì)算機(jī)1，其特征在于，可配置雙屏顯卡、圖像采集卡，與CCd鏡頭兼容；普通液晶顯示器2，其特征在干，與計(jì)算機(jī)I相連接，可獨(dú)立顯示條紋圖；ccd鏡頭3，其特征在于具有較小的f數(shù)，可清晰拍攝離焦條紋圖；模具4，其特征在于小口徑非球面模具樣品，表面光滑；變頻條紋圖處理軟件5，其特征在于，用于處理變頻條紋圖，可實(shí)現(xiàn)任意組變頻條紋的處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非球面測(cè)量裝置，其特征在于，所述的顯示器2、ccd鏡頭3與被測(cè)非球面4成空間等邊三角形，相互夾角成60。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非球面測(cè)量裝置，其特征在于，所述ccd鏡頭3要求有較小的f 數(shù)(< I);
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的非球面測(cè)量裝置，其特征在于，所述非球面樣品4的口徑小于10mm，表面是鏡面，并且非球面的深度不宣過(guò)大。
全文摘要
一種用于微小非球面加工的在位測(cè)量裝置，其構(gòu)成包括一臺(tái)顯示器、一個(gè)CCD鏡頭、一臺(tái)計(jì)算機(jī)(配置有雙屏顯卡、圖像采集卡)、被測(cè)非球面模具和一套變頻條紋圖處理軟件。在該裝置中，測(cè)量的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)變頻移相法實(shí)現(xiàn)；而變頻功能是通過(guò)軟件投影算法實(shí)現(xiàn)。本實(shí)驗(yàn)裝置采用普通的計(jì)算機(jī)以及顯示器，成本低，不僅可測(cè)量多種小口徑的非球面，對(duì)平面和球面同樣適用，可實(shí)現(xiàn)普通機(jī)床環(huán)境下的在位非球面測(cè)量。
文檔編號(hào)G01B11/25GK102636131SQ20121014044
公開(kāi)日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2012年5月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月9日
發(fā)明者丁家偉, 孫健, 朱勇建, 潘衛(wèi)清, 耿德英, 胡漢民 申請(qǐng)人:丹陽(yáng)市民杰光學(xué)儀器有限公司