专利名称：一种用于自由曲面光学透镜三维型面测量的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于自由曲面光学透镜三维型面测量的方法，属于光学测量技术领域。
对于无回转轴或对称中心的自由曲面光学透镜，由于其三维型面的复杂性，目前国内外的自由曲面光学透镜生产厂商均采用机械接触式三坐标测量机进行透镜加工过程中的检测，该方法适用于有回转轴非球面光学透镜高精度干涉测量，但不适用于自由曲面光学透镜的测量，其测量精度在光学透镜加工测量领域是较低的，一般静态测量误差大于1μm，动态测量误差大于2μm，且机械接触测量模式容易损坏已加工好的透镜光学表面，难以满足光学成像和光学透镜的高精度加工要求，是制约自由曲面光学透镜加工精度进—步提高的关键问题。
本发明的目的是提出一种用于自由曲面光学透镜三维型面测量的方法，解决上述自由曲面光学透镜的高精度测量难题，为自由曲面光学透镜的高精度加工提供测量保证，以满足光学成像和光学透镜的高精度加工要求。
本发明提出的用于自由曲面光学透镜三维型面测量的方法，包括以下各步骤1、将平行光源、刻绘有点阵图像的点阵图像输入板、待测自由曲面光学透镜、图像输出板组成光学成像系统，其中平行光源、刻绘有点阵图像的点阵图像输入板、待测自由曲面光学透镜、图像输出板自左至右依次同轴排列，其中的待测自由曲面光学透镜作为主成像透镜；2、使平行光源1产生平行于Z轴的平行光束，该平行光束将刻绘于图像输入板2上的点阵图像垂直地投射到待测自由曲面光学透镜上，形成平行于Z轴的入射光线矢量阵Til…Tin；3、入射光线矢量阵Til…Tim经过待测光学透镜变换后形成相应的出射光线矢量阵Tol…Ton；4、测量图像输入板2上各点Pil(Xil，Yil，Zil)…Pin(Xin，Yin，Zin)与图像输出板4上对应点Pol(Xol，Yol，Zol)…Pon(Xon，Yon，Zon)以及待测自由曲面光学透镜上折射点在坐标系中的空间位置(X，Y，Z)，并利用下式计算出位于待测自由曲面透镜前后界的出射光线矢量阵Ton…Ton和入射光线矢量阵Til…Tin， Xln=Xin(5)Yln=Yin(6)Zln=0(7)上式中s是光线弧长，n是传播介质的折射率，在均匀介质中n为常数，在非均匀介质中则是空间坐标的函数；5、在待测自由曲面透镜的光学界面上任意入射的光线矢量Tim与经过待测光学透镜变换后形成相应的出射光线矢量Tom满足下式τm=1([no2-ni2+Tim·τm]1/2-Tim·τm)·(Tom-Tim)(8)]]>式中τm为待测透镜光学界面上折射点的光学表面单位法线矢量τm(pmi，qmj，lmk)，nom、nim分别为待测透镜光学前、后界面的折射率，将步骤4中测量出的待测透镜前后界出射光线矢量阵Tom与入射光线矢量阵Tim代入上式可求出待测透镜光学界面上折射点的光学表面单位法线矢量□m，即求出pm、qm、lm的值；6、已知待测透镜光学界面上各点的光学表面单位法线矢量τ(pi、qj、lk)后，则可通过以下两式求解出本发明的待测光学透镜的整个三维曲面f(x，y，z)。 本发明的效果是1)．测量模式由说明书附图可见，该测量方法为非接触式光学测量方法，避免了损坏已加工好透镜光学表面的可能性。
2)．测量精度由公式(5)可推导出该测量系统的单位测量长度上的测量误差ε≈Δρ／H(11)其中Δρ为对输出点阵图像与输入点阵图像之间差异的测量精度，H为待测自由曲面光学透镜与图像输出板4之间的距离，即当Δρ=0．1mm，H=1000mm时，可获得0．1μm／mm的测量精度，当Δρ=0．1mm，H=5000mm时，可获得0．02μm／mm的测量精度。由此可见，本测量方法所能达到的测量精度远远高于三坐标测量机，完全满足了自由曲面光学透镜的高精度测量加工要求。
3)．测量效率该测量方法的测量效率极高，测量一块彩色显像管曝光台用自由曲面校正透镜仅需几分钟，而使用逐点测量的三坐标测量机则需要20－30分钟，且测量点数仅为本测量方法的二、三十分之一。
4)．适用范围由测量原理可知，除了自由曲面光学透镜外，本测量方法还适用于各种球面、非球面光学透镜的高精度三维形面测量。
5)．测量系统成本与三坐标测量机相比，由本测量方法构建的测量系统的硬件成本较低，在十万元人民币以下。测量系统的硬件成本在四万元人民币左右，测量精度却与上百万美元的三坐标测量机相当。
6)．应用前景本测量方法除了利用透射光线矢量形成输出图像外，还可以利用反射光线矢量形成输出图像，此时运用本测量方法可实现各种光学透镜、反射镜的高精度加工在线测量。
图1是本发明的自由曲面测量系统原理图。
图1中，1是平行光源，2是图像输入板，3是待测透镜，4是图像输出板。
下面介绍本发明的实施例。
为了验证上述测量方法能够适用于自由曲面光学透镜的高精度测量，依照附图1搭建了一台简易测量系统，该简易测量系统以CCD摄像头替代图像输出板4完成输出点阵图像的拾取，该测量系统对输出点阵图像与输入点阵图像之间差异的测量精度Δρ=0．1mm，待测自由曲面光学透镜与输出图像接受屏之间的距离H=480mm，根据(11)式可计算出该测量系统的单位测量长度上的测量精度ε≈0．2 μm／mm。分别用它和高精度三坐标测量机测量了一块用于彩色显像管生产线上的自由曲面校正透镜，该透镜的曲面面形是典型的无回转轴自由曲面。表1和表2分别给出两测量系统就该校正透镜上同一测量区域(30mm×30nm)上的测量结果表1高精度三坐标测量机测量数据 表2基于图象变换测量系统测量数据 由以上两表可以看出两测量系统在校正透镜列表设计点处的测量结果非常接近，在除了在距离校正透镜中心(18，18)mm处有较大的差值3．2μm外，其它被测量点的差距都在3μm以内。表1、2表明该简易测量系统具有与高精度三坐标测量机相当的测量精度，且其测量精度与在基于图像变换测量原理中的测量精度预计分析吻合，因此就证实了基于图像变换的测量方法能够适用于自由曲面光学透镜的高精度测量。
权利要求
1.一种用于自由曲面光学透镜三维型面测量的方法，其特征在于，该方法包括以下各步骤(1)将平行光源、刻绘有点阵图像的点阵图像输入板、待测自由曲面光学透镜、图像输出板组成光学成像系统，其中平行光源、刻绘有点阵图像的点阵图像输入板、待测自由曲面光学透镜、图像输出板自左至右依次同轴排列，其中的待测自由曲面光学透镜作为主成像透镜；(2)使平行光源1产生平行于Z轴的平行光束，该平行光束将刻绘于图像输入板2上的点阵图像垂直地投射到待测自由曲面光学透镜上，形成平行于Z轴的入射光线矢量阵Til…Tin；(3)入射光线矢量阵TlI…Tin经过待测光学透镜变换后形成相应的出射光线矢量阵Tol…Ton；(4)测量图像输入板2上各点Pil(Xil，Yil，Zil)…Pin(Xin，Yin，Zin)与图像输出板4上对应点Pol(Xol，Yol，Zol)…Pon(Xon，Yon，Zon)以及待测自由曲面光学透镜上折射点在坐标系中的空间位置(X，Y，Z)，并利用下式计算出位于待测自由曲面透镜前后界的出射光线矢量阵Tol…Ton和入射光线矢量阵Til…Tin， 上式中s是光线弧长，n是传播介质的折射率，在均匀介质中n为常数，在非均匀介质中则是空间坐标的函数；(5)在待测自由曲面透镜的光学界面上任意入射的光线矢量Tim与经过待测光学透镜变换后形成相应的出射光线矢量Tom满足下式τm=1([no2-ni2+Tim·τm]1/2-Tim·τm)·(Tom-Tim)····(8)]]>式中τm为待测透镜光学界面上折射点的光学表面单位法线矢量τm(pmi，qmj，lmk)，nom、nim分别为待测透镜光学前、后界面的折射率，将步骤4中测量出的待测透镜前后界出射光线矢量阵Tom与入射光线矢量阵Tim代入上式可求出待测透镜光学界面上折射点的光学表面单位法线矢量□m，即求出Pm、qm、lm的值；(6)已知待测透镜光学界面上各点的光学表面单位法线矢量τ(pi，qj，lk)后，则可通过以下两式即可求解出本发明的待测光学透镜的整个三维曲面f(x，y，z)。
全文摘要
本发明涉及一种用于自由曲面光学透镜三维型面测量的方法,首先组成光学成像系统,使平行光源产生平行光束,该平行光束将刻绘于图像输入板上的点阵图像投射到待测自由曲面光学透镜上,形成入射光线矢量阵;测量图像输入板上各点与图像输出板上对应点以及待测自由曲面光学透镜上折射点在坐标系中的空间位置,即可计算出待测曲面的空间点阵。本发明测量精度和测量效率高,适用范围广,系统成本低。
文档编号G01B11/24GK1280294SQ00123470
公开日2001年1月17日 申请日期2000年8月18日 优先权日2000年8月18日
发明者冯之敬, 郭震宇, 赵广木 申请人:清华大学