专利名称：用于微小非球面加工的在位测量装置的制作方法
技术领域：
本发明是一种结构简单的光学三维测量装置，主要用于微小非球面加工的在位测量。
背景技术：
采用非球面光学系统，可消除球差、慧差、像散、场曲，減少光能损失，从而获得高质量的图像效果和高品质的光学特性，可广泛应用于各种现代光电子产品、图像处理产品如数码相机、VCD、DVD、电脑、CCD摄像镜头、大屏幕投影电视机及军事、天文和医疗等行业。在非球面光学元件的加工和实验中，对其表面面形的精确测量是至关重要的；从某种意义上说，没有与加工精度相适应的高精度检测方法及仪器，非球面的精密和超精密加工就难以实现。近些年来，人们提出了许多非球面測量技术和装置，但这些技术和装置都存在着或实现条件苛刻、或速度慢、或精度低、或通用性差、或成本过高等缺点，因此迫切需要开发新的简单实用而且操作方便的技术装置来克服以上所述的不足。在先技术之一(參见“Stylusprofiling at high resolution and low force高分辨率、低接触压カ的探针轮廓测量技木”，J. F. Song and T. V. Vorburger, Appl. Opt.,30,42-50,1991)采用接触式探针测量出非球面表面各点的三维坐标值，这种測量方法虽然原理简单，但测量效率低，无法实现动态測量，而且探针会对測量表面较软(如塑料)的非球面镜片造成损伤。在先技术之ニ(參见“Deepaspheric testing base on phase-shift electronicMoire patterns基于相移电子莫尔条纹的深度非球面检测”，光学精密工程，11 (3)250-255,2003)采用轮廓投影法进行非球面測量，其对环境要求低，但这种方法一般适用于精度要求不高的场合，如显微镜的聚光镜等，当被测非球面精度要求较高吋，这种方法无能为力。在先技术之三(參见《非球面干渉仪零检验的补偿器设计》，伍凡，应用光学，18(2),10-13. 1997)采用零位检测法(Null Compensation)对非球面进行测量，零位检测法根据被测非球面设计出补偿透镜，使得入射到补偿透镜上的平面波或球面波变换成与被测非球面理论形状相同的波形，并与被测非球面的实际波面干渉形成干涉条纹，实现測量，其中补偿器的设计对于补偿干涉法测量非常重要，在測量中，往往根据实际情况设计出不同的补偿器和相应的测量光学系统，通用性很差，相应的成本也非常高，而且测量过程受环境影响大。
在先技术之四(參见 Design of a novel hologram for full measurement oflarge and deep convex aspheric surfaces用于大型深度凸非球面测量的全息干涉法，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采用技术全息技术实现大型凸非球面曲面的检測”，Chang J，L I F Y, Weng Zh Ch etal.Acta Op tica Sinica, 23 (10) : 1266 1268，2003)介绍了计算全息(CGH)法测量非球面的方法，它是采用非球面镜片的计算全息图代替零位检测法中的补偿器来实现零位干渉測量。采用计算全息法測量非球面的精度一般可达λ /10，但同样存在与补偿干渉法一祥的缺点，通用性差。在先技术之五(參见 P. Hariharan et al. ,“Measurement of aspheric surfaceusing a micro-computer-controlled radial-shear interferometer 米用微计算机控制的径向剪切干涉仪实现非球面曲面測量”，Optica Acta. 31 (9), 1984)采用径向剪切干涉技术结合相移技术实现非球面面形測量，其相移同样也是采用压电陶瓷(PZT)实现，測量过程需要严格的隔振，因此无法实现普通环境下的測量，同时也很难实现实时动态测量，而且测量过程中很难改变条纹频率以适应不同的被测面形，对带有不连续区域的非球面(如拼接非球面)的测量有没有具体的应对方案
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，为克服上述现有技术的缺点，提出一种用于微小非球面加工的在位面形測量装置，它能在无需专门的隔振、隔噪声装置的普通环境下进行非球面面形高精度測量，并可在选择合适的条纹频率后进行测量；而对于存在不连续区域的非球面镜，可按一定要求快速采集多组不同频率的相移条纹，以时间相位法获得此类非球面镜的三维形貌；在该方法中，测量的实现是通过变频移相法实现；而变频功能是通过软件投影算法实现。本实验装置采用普通的计算机以及显示器，成本低，抗振动、噪声能力强，具有操作简便的特点，而且适合不同口径的各种面形(包括非球面、球面和平面等)的測量，是ー种多功能測量装置。本发明的技术解决方案是，所述测量非球面面形的光学装置有一台显示器、ー个CCD镜头、一台计算机(配置有双屏显卡、图像采集卡)、被测非球面模具和一套变频条纹图处理软件。在该装置中，测量的实现是通过变频移相法实现；而变频功能是通过软件投影算法实现。以下对本发明做出进ー步说明。參见图1，本发明所述非球面面形的光学装置有计算机1，其结构特点是，基于普通个人PC上，配置双屏显卡、图像采集卡，与CCd镜头兼容；有普通液晶显示器2，其特征在于，与计算机I相连接，可独立显示条纹图；有ccd镜头3，其特征在于具有较小的f数，可清晰拍摄离焦条纹图；有非球面模具4，其特征在于小口径非球面模具样品，表面光滑；有变频条纹图处理软件5，其特征在于，用于处理变频条纹图，可实现任意组变频条纹的处理。所述的显示器2、ccd镜头3与被测非球面4成空间等边三角形，相互夹角成60。所述的非球面測量装置，其特征在于，所述ccd镜头3要求有较小的f数(< I)；所述的非球面測量装置，其特征在于，所述非球面样品4的口径小于10mm，表面是镜面，并且非球面的深度不宣过大。由计算机I根据条纹图模拟算法显示出不同频率的条纹图，至少6组相移条纹图，并通过计算机I中的双屏显卡把图像信号输入到显示器2单独显示，非球面样品4是镜面，可反射显示器2的条纹图，此时ccd镜头3对模具4反射出的条纹图进行拍摄，获取多幅变频条纹图，ccd镜头3通过图像采集卡与计算机I连接，并把采集的图像数据输入到计算机I中，在计算机I中，由软件5进行条纹图的处理，从而利用软件算法恢复出被测样品4的非球面形状，这里的显示器2、ccd镜头3与被测样品4是成空间等边三角形，并以此位置来计算各硬件參数，以获取最終的三维面形尺寸。
在该装置中，测量的实时性是通过CCd镜头3与显示器2同步触发实现；而变频功能是通过计算机I中的软件5来实现。本实验装置采用普通元件，成本低，不仅可測量多种小口径的非球面，对平面和球面同样适用，可实现普通环境下的快速高精度測量，而且具有变频功能，对处理存在不连续区域的镜面(如带缺陷的非球面)非常有效。由以上可知，本发明为一种测量微小非球面面形的非干渉光学装置，兼有条纹变频的功能，根据所需条纹的周期选择硬件的相对位置，可在极短时间采集相移干涉图，实现快速測量，对环境并无苛刻的要求(无需专门的隔振、隔噪声设备)，而且适合不同口径的微小非球面測量；可采集多组(每组四幅图)不同频率的相移条纹，利用时间相位法实现非球面的高精度測量。该装置采用规则的条纹图，其后期处理十分方便。
图I为本发明所述装置的结构示意图。在图中ト普通计算机，2-液晶显示器，3-ccd 镜头，4-非球面样品模具，5-计算机软件。
具体实施例方式如图I所示，本发明所述计算机I根据条纹图模拟算法显示出不同频率的条纹图，至少6组相移条纹图，并通过计算机I中的双屏显卡把图像信号输入到显示器2单独显示，非球面样品4是镜面，可反射显示器2的条纹图，此时ccd镜头3对模具4反射出的条纹图进行拍摄，获取多幅变频条纹图，ccd镜头3通过图像采集卡与计算机I连接，并把采集的图像数据输入到计算机I中，在计算机I中，由软件5进行条纹图的处理，从而利用软件算法恢复出被测样品4的非球面形状，这里的显示器2、ccd镜头3与被测样品4是成空间等边三角形，并以此位置来计算各硬件參数，以获取最終的三维面形尺寸。
权利要求
1.一种用于微小非球面加工的在位測量装置，有计算机1，其特征在于，可配置双屏显卡、图像采集卡，与CCd镜头兼容；普通液晶显示器2，其特征在干，与计算机I相连接，可独立显示条纹图；ccd镜头3，其特征在于具有较小的f数，可清晰拍摄离焦条纹图；模具4，其特征在于小口径非球面模具样品，表面光滑；变频条纹图处理软件5，其特征在于，用于处理变频条纹图，可实现任意组变频条纹的处理。
2.根据权利要求I所述的非球面測量装置，其特征在于，所述的显示器2、ccd镜头3与被测非球面4成空间等边三角形，相互夹角成60。
3.根据权利要求I所述的非球面測量装置，其特征在于，所述ccd镜头3要求有较小的f 数(< I);
4.根据权利要求I所述的非球面測量装置，其特征在于，所述非球面样品4的口径小于10mm，表面是镜面，并且非球面的深度不宣过大。
全文摘要
一种用于微小非球面加工的在位测量装置，其构成包括一台显示器、一个CCD镜头、一台计算机(配置有双屏显卡、图像采集卡)、被测非球面模具和一套变频条纹图处理软件。在该装置中，测量的实现是通过变频移相法实现；而变频功能是通过软件投影算法实现。本实验装置采用普通的计算机以及显示器，成本低，不仅可测量多种小口径的非球面，对平面和球面同样适用，可实现普通机床环境下的在位非球面测量。
文档编号G01B11/25GK102636131SQ20121014044
公开日2012年8月15日 申请日期2012年5月9日 优先权日2012年5月9日
发明者丁家伟, 孙健, 朱勇建, 潘卫清, 耿德英, 胡汉民 申请人:丹阳市民杰光学仪器有限公司