专利名称：一种基于条纹反射的离轴非球面镜检测方法
技术领域：
本发明涉及一种光学检测技术，特别是一种基于条纹反射的离轴非球面镜检测方法，属于先进光学制造与检测技术领域。
背景技术：
在保证像质的前提下非球面元件的采用可以减少光学系统的复杂性、尺寸以及重量，特别针对大口径空间遥感器，非球面元件的采用意义尤为重要。目前，随着民用资源调查以及国防军事要求的提高，要求空间相机的视场越来越大、分辨力越来越高。新一代的空间相机一般通过采用轻质大尺寸的非球面光学元件来提高系统的分辨力、增大视场、降低系统复杂性，进而降低系统重量来降低发射成本。尤其是针对宽覆盖详查相机为得到近乎理想的成像质量，而采用了离轴非球面系统，使得离轴非球面光学元件在空间领域得到了前所未有的广泛应用。非球面的制造与检测技术一直是光学制造业的技术难点，在其加工的各个阶段都需要有相应的面形检测方法与之匹配。目前，在非球面加工的抛光修改阶段主要采用相移干涉仪和刀口仪的自准直来实现检测。干涉测量的量程很小，不适合精磨过程中，表面面形较粗糙、误差较大的面形测量。刀口检测依赖于检测员的经验，属于定性检测，不能得到定量结果。一般考虑使用三坐标测量机，但对于检测离轴非球面，由于其不是旋转对称曲面，所以如何实现对被测件坐标系准确的标定与校准是一个难题。目前，针对离轴非球面精磨加工过程中，其表面具有镜面反射性的特点，可采用条纹反射、相位测量偏折术等，目前这些技术已得到了很大的发展。专利申请号201110050685. 7公开了一种采用结构光来实现对大口径非球面镜的检测方法，该方法适用于旋转对称曲面的检测，因为其可以方便地建立起世界坐标系。而对非旋转对称的被测曲面，世界坐标系的建立及法线向量的计算方法，并没有进行说明。本发明克服了以上不足，公开了一种将条纹反射应用于非旋转对称的离轴非球面检测的方法。
发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种基于条纹反射的离轴非球面镜检测方法，实现将条纹反射应用于非旋转对称的离轴非球面检测。本发明的技术解决方案一种基于条纹反射的离轴非球面检测方法，首先以离轴非球面中心建立世界坐标系，并且坐标轴上设置特征点来固定世界坐标系的坐标轴；然后得到摄像机坐标系、世界坐标系及显示屏坐标系之间的关系；测量时，在显示屏上显示正弦或余弦周期性条纹图样，投影在被测离轴非球面镜上被反射回来，由摄像机所接收，再进行光线追迹得到入射光线向量和反射光线向量，然后由光线反射定律得到面形的法线向量， 最后积分重建被测离轴非球面的面形高度信息。所述以离轴非球面中心建立世界坐标系的方法为以离轴非球面中的离轴量为中心，并以此中心为坐标原点，将离轴非球面的母镜坐标轴系平移一定距离到该原点，并旋转一定角度后建立世界坐标系。
所述世界坐标系与显示屏坐标系之间的关系通过辅助工具或激光跟踪仪测量后确定。所述反射光线向量通过摄像机标定得到。所述光线追迹的实现通过相移技术及相位展开技术得到相位分布，利用相位信息来进行的。所述入射光线向量利用已标定的摄像机、理想面形分布及相位分布计算得到。所述坐标系平移距离及旋转角度由离轴非球面的理想方程决定，新坐标系的ζ轴方向与原点的法线方向重合。所述世界坐标系上的特征点的坐标位置通过机械加精确控制到微米量级。所述摄像机坐标系与世界坐标系间的关系利用已标定的摄像机拍摄世界坐标系上已知位置的特征点，利用摄影测量的方法计算得到。所述特征点为圆圈、圆环或十字交叉线。本发明与现有技术相比的优点如下(1)本发明以离轴非球面中心建立世界坐标系，并提出了相应的法线向量计算方法，可用于检测非旋转对称的离轴非球面镜。(2)实现本发明方法的测量系统包括摄像机、显示屏和计算机，与干涉测量相比， 成本低廉，结构简单，无需辅助元件，对系统元件也无特殊要求。(3)本发明中的基本原理是光线反射定理，周期性条纹是属于白光波段，其周期可随精度要求进行改变，相比干涉测量，更为灵活且具有更大的动态测量范围。(4)本发明利用了光线的偏折及反射定律，属于面形法线测量方法，所以该检测方法具有很高的灵敏度。(5)本发明使用了条纹反射测量技术，与干涉测量相比，对环境要求不高，能有效地抑制噪声和周围环境对检测结果的影响，可用于车间环境检测。
图1为实现本发明方法的测量系统结构图；图2为本发明中离轴非球面示意图；图3为本发明中离轴非球面俯视示意图；图4为本发明的离轴非球面坐标系特征点示意图；图5为本发明的测量原理示意图。
具体实施例方式如图1所示，测量系统由被测离轴非球面镜、显示屏和CXD摄像机组成，如图1所示，实现步骤如下首先，将母镜坐标系进行平移和旋转，建立离轴非面世界坐标系。一般地，对称二次非球面母镜方程可表示为
权利要求
1.一种基于条纹反射的离轴非球面镜检测方法，其特征在于首先以离轴非球面中心建立世界坐标系，并且坐标轴上设置特征点来固定世界坐标系的坐标轴；然后得到摄像机坐标系、世界坐标系及显示屏坐标系之间的关系；测量时，在显示屏上显示正弦或余弦周期性条纹图样，投影在被测离轴非球面镜上被反射回来，由摄像机所接收，再进行光线追迹得到入射光线向量和反射光线向量，然后由光线反射定律得到面形的法线向量，最后积分重建被测离轴非球面的面形高度信息。
2.根据权利要求1所述的基于条纹反射的离轴非球面检测方法，其特征在于所述以离轴非球面中心建立世界坐标系的方法为以离轴非球面中的离轴量为中心，并以此中心为坐标原点，将离轴非球面的母镜坐标轴系平移一定距离到该原点，并旋转一定角度后建立世界坐标系。
3.根据权利要求1所述的基于条纹反射的离轴非球面检测方法，其特征在于所述世界坐标系与显示屏坐标系之间的关系通过辅助工具或激光跟踪仪测量后确定。
4.根据权利要求1所述的基于条纹反射的离轴非球面检测方法，其特征在于所述反射光线向量通过摄像机标定得到。
5.根据权利要求1所述的基于条纹反射的离轴非球面检测方法，其特征在于所述光线追迹的实现通过相移技术及相位展开技术得到相位分布，利用相位信息来进行的。
6.根据权利要求1所述的基于条纹反射的离轴非球面检测方法，其特征在于所述入射光线向量利用已标定的摄像机、理想面形分布及相位分布计算得到。
7.根据权利要求2所述的基于条纹反射的离轴非球面检测方法，其特征在于所述坐标系平移距离及旋转角度由离轴非球面的理想方程决定，新坐标系的ζ轴方向与原点的法线方向重合。
8.根据权利要求1所述的基于条纹反射的离轴非球面检测方法，其特征在于所述世界坐标系上的特征点的坐标位置通过机械加精确控制到微米量级。
9.根据权利要求1所述的基于条纹反射的离轴非球面检测方法，其特征在于所述摄像机坐标系与世界坐标系间的关系利用已标定的摄像机拍摄世界坐标系上已知位置的特征点，利用摄影测量的方法计算得到。
10.根据权利要求1所述的基于条纹反射的离轴非球面检测方法，其特征在于所述特征点为圆圈、圆环或十字交叉线。
全文摘要
一种基于条纹反射的离轴非球面镜检测方法，测量系统由被测镜、显示屏和CCD摄像机组成。首先以离轴非球面镜中心建立世界坐标系，并得到世界坐标系、显示屏坐标系及摄像机坐标系之间的关系。测量时，在显示屏上正(余)弦周期性条纹图样，投影在被测镜上被反射回来，由摄像机进行拍摄。通过相移技术及相位展开技术得到相位分布，再结合各坐标之间的关系得到被测非球面的法线向量分布，最后积分重建被测离轴非球面的面形高度信息。
文档编号G01B11/25GK102494634SQ20111036783
公开日2012年6月13日 申请日期2011年11月18日 优先权日2011年11月18日
发明者万勇建, 伍凡, 范斌, 赵文川 申请人:中国科学院光电技术研究所