一种基于几何光学的镜面出平面位移测量装置及其测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于平面度误差测量领域，尤其涉及一种基于几何光学的镜面出平面位移 测量装置及其测量方法。
【背景技术】
[0002] 随着科学研究的高速发展，高精度大尺寸玻璃工件的需求量越来越大且对制造行 业生产的工件、平面度误差测量精度要求也越来越高，这就导致开创一种在工程实际中便 于应用的对中大平面玻璃的出平面位移检测方法具有很大的意义。
[0003] 目前，玻璃平面度检测仪器种类较多，基本可分为机械测量与光测仪器检测，其中 光测仪器应用较为广泛、精度也较高，但当前的测量方法主要采用逐点扫描的检测方式，检 查较为耗时。相比之下，使用本镜面出平面位移测量装置来测量，无需逐点扫描，具有全场 检测、使用灵活方便的特点，能有效的缩短测量时间、降低测量成本，具有一定的现实意义。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种实用、安装方便的基于几何光学的镜面出平面位移测量 装置。本发明的目的还包括提供一种测量精度高的，基于几何光学的镜面出平面位移测量 方法。
[0005] -种基于几何光学的镜面出平面位移测量装置，包括目标镜、监测镜、两个框架、 相机、光学平台、两个拉杆、四个立柱、拉杆立柱连接件、框架连接件、立柱底座和计算机；
[0006] 四个立柱分别通过一个立柱底座安装在光学平台的四角上，两个拉杆位于光学平 台上方的两侧，每个拉杆的两端分别通过一个栏杆立柱连接件与一个立柱连接，目标镜通 过框架安装在两个拉杆之间，目标镜的框架两侧分别通过一个框架连接件与其对应的拉杆 连接，监测镜通过框架安装在两个拉杆之间，监测镜的框架两侧分别通过一个框架连接件 与其对应的拉杆连接，目标镜与监测镜为中心与中心相对，面与面平行，框架包括内框架和 外框架，监测镜的内框架上安装有按正方形布置的点光源，相机安装在监测镜的外侧，相机 镜头与监测镜镜面平行，相机通过数据线与计算机连接。
[0007] 本发明一种基于几何光学的镜面出平面位移测量装置，还可以包括：
[0008] 还包括相机调整位置装置，相机调整位置装置安装在监测镜的外框架上，相机安 装在相机调整位置装置上。
[0009] -种基于几何光学的镜面出平面位移测量方法，包括以下步骤，
[0010] 步骤一：目标镜与监测镜平行放置，要求面与面平行，互相之间不存在扭转角度；
[0011] 步骤二:打开电光源，电光源的光在两个镜面反射产生多级点阵，将其作为信息采 集点保存下来，获得不同目标镜的数字图像，如图像未变化即无出平面位移，如果数字图像 有变化时即产生了出平面位移；
[0012]步骤三:相机采集带有镜面出平面位移信息的数字图像，传送给计算机，获得图像 上光点产生位移改变Ay，取z为出平面位移，基于泰勒级数在一固定点yQ展开为：
[0013]
[0014] 取光点位移改变Ay为未知量：
[0015]
[0016] yo为固定点：
[0017] z = f (y) =a+b Δ y+c Δ y2+d Δ y3+o Δ y4
[0018] 初始条件：Δ y = 〇，z = 0,边界条件:y = h时ζ = 0;
[0019] 由光点产生位移改变△ y对应获得出平面位移ζ。
[0020] 有益效果：
[0021] 本发明提供一种新型的平面度监测装置，可以完成较高精度的平面度检测，具备 全场检测、使用灵活方便且检测速度高的特点。本发明的目的在于提供价格低、实用、安装 方便的一种基于几何光学的镜面出平面位移测量装置。本发明结构简单，便于实际使用，利 用平面几何光学原理，进行构件的出平面位移测量，从而进一步分析物体表面的应变或挠 度。
【附图说明】
[0022]图1为本发明专利的结构示意图；
[0023]图2为本发明专利的装置示意图；
[0024] 图3为目标镜和监测镜内框架的结构示意图；
[0025] 图4为目标镜和监测镜外框架的结构示意图；
[0026]图5为相机调整位置装置示意图；
[0027]图6为立柱底座的结构示意图；
[0028]图7为拉杆立柱连接件的结构示意图；
[0029]图8为框架连接轴示意图。
【具体实施方式】
[0030] 本发明的目的在于提供价格低、实用、安装方便的一种基于几何光学的镜面出平 面位移测量装置。
[0031] 本发明的目的是这样实现的：结合图1，图中：11-目标镜，12-监测镜，13-照明系 统，14-相机，15-计算机），相对于目标镜11平行放置一个监测镜12,要求面与面平行，互相 之间不存在扭转角度，这样保证了光在两个镜面多次反射，按正方形布置照明系统13,保证 至少在角点处安装四个点光源，点亮点光源，光在两个镜面中多次反射，使用相机14拍摄， 在计算机15中可以看到产生的多级点阵，每一级点阵处于同一个正方形的角点上，将这些 光点作为镜面变形信息采集点，使用计算机保存下来，获得不同目标镜的数字图像，如图像 未变化即无出平面位移，如数字图像有变化时即产生了出平面位移，通过对比计算变化的 数字图像获得相对应镜面的出平面位移。
[0032] -种基于几何光学的镜面出平面位移测量装置，其特征是：白色发光二极管安装 在目标镜四周作为标识点，采用机器视觉来计算微小的镜面出平面位移，该装置中目标镜 和监测镜的框架采用分体设计，外框架用于安装相机，内镜框用于安装照明光源，需采用磨 床确保框架与镜面接触的位置为平面，保证镜片安装处出平面方向为无受力状态，即无实 验装置产生的误差量带入，并且目标镜可方便拆卸替换，方便快捷的完成大量玻璃镜面的 检测。光在两个镜面上的多次反射，产生多级物像，利用工业相机采集获得带有镜面出平面 位移信息的数字图像，对比计算带有镜面形貌信息的多张数字图像，同一光点多次反射产 生多级点阵，基于光点位移量，采用泰勒级数计算目标镜面的出平面位移。
[0033] 该测量装置获得带有镜面出平面位移信息的数字图像上的光点产生位移改变Δ y 时，取z为出平面位移，已知基于泰勒级数在某一固定点y〇展开，可写为：
[0034]
[0035] 此时取光点位移改变Ay为未知量，上式改写为：
[0036]
[0037] yo为固定点，方程组可写为：
[0038] z = f (y) =a+b Δ y+c Δ y2+d Δ y3+o Δ y4 [0039] 此时初始条件（即无变形时）：Δ y = 〇，z = 0。
[0040] 此时边界条件(即四边界无变形）:y = h时z = 0。
[0041 ] 如果只考虑考虑光在目标镜上反射一次，只知道Δ y#PZ1，就可写为Z1 = f (y) =a+ b Δ yi解出b = zi/ Δ ylo
[0042] 如果考虑光在目标镜上反射二次，知道Δ yi和zi，Δ y2和Z2，z = f (y)=a+b Δ y+c Δ y2可解出b，c。
[0043] 如果考虑光在目标镜上反射三次，知道Δ yi和zi，Δ y2和Z2, Δ y3和Z3