一种光学元件自定心方法及装置与流程

本发明属于光电技术检测领域，特别涉及一种光学元件自定心方法及装置。

背景技术：

光学元件的定心调整是光学元件加工和检测的第一步，直接影响到最终加工的质量。对于超精密光学加工及检测，要求高质量的光学表面：表面面形要求到纳米、亚纳米级别(rms值)，表面粗糙度往往在亚纳米级别(rms值)，划痕、麻点等表面缺陷的要求也越来越高。尤其是球面、非球面光学元件，更加难以实现准确定心。基于此，本发明提出一种光学元件自定心装置，借助计算机辅助调整，可以实现光学元件自动准确定心。

技术实现要素：

本发明提供一种光学元件自定心方法及装置，目的是解决超精密加工与检测中光学元件自定心困难的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种光学元件自定心装置，包括微型投影模块、分光元件、物镜、被测光学元件、旋转台、投影监控模块。其中微型投影模块由投影芯片和投影光学系统组成，投影监控模块由监控光学系统和相机组成。

所述自定心装置可以沿垂直于光轴的方向一维平动，所述光学元件夹持机构可以沿垂直于光轴的方向二维平动，被测光学元件和旋转台通过光学元件夹持机构连接在一起，通过调整夹持机构实现被测光学元件和旋转台的自定心。

其中，微型投影模块由投影芯片和投影光学系统组成,投影芯片可使用数字光处理(dlp)芯片或者使用液晶空间光调制器(slm)，通过计算机控制产生特定图样，然后经光学系统投影在光学元件表面上。

其中，微型投影模块投影的图样是包含了具体特征点的编码图像，编码图像可以用户自定义。优先选用竖直条纹、圆环、棋盘格或组合图形。

其中，旋转台可以带动被测光学元件绕其光轴360°旋转；旋转台配备相应的编码器，实现线阵相机采集的图像横向分辨率和纵向分辨率保持一致。

其中，投影监控模块使用的探测系统为线阵相机。

一种光学元件自定心方法，利用所述光学元件自定心装置，包括如下具体步骤：

步骤1)、将被测光学元件安装到旋转台上，同时安装好自定心装置。

步骤2)、计算机生成待投影的定心图样，微型投影模块将计算生成的图样投影到被测光学元件表面上。

步骤3)、旋转台自旋，同时触发线阵相机对被测光学元件表面进行拍照，沿光轴方向调整自定心装置或者被测光学元件，使得投影图样在线阵相机上成像清晰。

步骤4)、将线阵相机拍的图像传输到计算机进行处理，判断采集到的图像特征跟预设图样特征是否匹配。如果匹配很好，则表示定心调整完成，进入步骤6；否则，就进入步骤5。

步骤5)、根据软件算法计算机辅助调整自定心装置以及被测光学元件沿垂直光轴方向移动，重复步骤2到步骤4，直至定心调整完成。

与现有技术相比，本发明所给的一种光学元件自定心方法及装置，利用投影图样对被测光学表面进行投影，基于计算机辅助调整实现对超精密光学元件表面的自动定心。本发明实施简单，定心精度和定心效率也得到极大提高。本发明创新地使用线阵相机和计算机辅助调整来实现光学元件的定心，大大缩短元件调整时间，便于推动测量的数字化和自动化进程。

附图说明

图1为本发明自定心装置构成示意图；

图2为本发明自定心装置细节构成图；

图3为本发明自定心装置自定心过程流程图；

图4为本发明圆环形投影图样示例；

图5为本发明正确定心调整时，线阵相机直接采集到的圆环形投影图样形状和经坐标变换后的图像，其中，图5(a)为线阵相机直接采集到的圆环形投影图样形状，图5(b)为经坐标变换后的图像；

图6为本发明定心调整存在偏差时，线阵相机直接采集到的圆环形投影图样形状和经坐标变换后的图像，其中，图6(a)为线阵相机直接采集到的圆环形投影图样形状，图6(b)为经坐标变换后的图像。

图中：1为微型投影模块；1a为投影芯片；1b为投影光学系统；2为分光元件；3为物镜；4为被测光学元件；5为旋转台；6为投影监控模块；6a为监控光学系统；6b为相机。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

如图1所示，本发明实施例中，一种光学元件自定心装置，包括微型投影模块1、分光元件2、物镜3、被测光学元件4、旋转台4、投影监控模块5。其中，微型投影模块1由投影芯片1a和投影光学系统1b组成，投影监控模块6由监控光学系统6a和相机6b组成，如图2所示。其中，自定心装置可以沿垂直于光轴的方向一维平动，所述光学元件夹持机构可以沿垂直于光轴的方向二维平动，被测光学元件4和旋转台5通过光学元件夹持机构连接在一起，通过调整夹持机构实现被测光学元件4和旋转台5的自定心。

如图3所示，本发明装置的测量过程和检测步骤如下：

步骤1：将被测光学元件安装到旋转台上，同时安装好自定心装置。

步骤2：计算机生成待投影的定心图样，微型投影模块将计算生成的图样投影到被测光学元件表面上。

步骤3：旋转台自旋，同时触发线阵相机对被测光学元件表面进行拍照，沿光轴方向调整自定心装置或者被测光学元件，使得投影图样在线阵相机上成像清晰。

步骤4：将线阵相机拍的图像传输到计算机进行处理，判断采集到的图像特征跟预设图样特征是否匹配。如果匹配很好，则表示定心调整完成，进入步骤6；否则，就进入步骤5。

步骤5：根据软件算法计算机辅助调整自定心装置以及被测光学元件沿垂直光轴方向移动，重复步骤2到步骤4，直至定心调整完成。

步骤1所述的旋转台可以带动被测光学元件绕其光轴360°旋转；旋转台配备相应的编码器，实现线阵相机采集的图像横向分辨率和纵向分辨率保持一致。

步骤2所述微型投影模块1由投影芯片1a和投影光学系统1b组成,投影芯片可使用数字光处理(dlp)芯片或者使用液晶空间光调制器(slm)，通过计算机控制产生特定图样，然后经光学系统投影在光学元件表面上。微型投影模块1投影的图样是包含了具体特征点的编码图像，编码图像可以用户自定义。优先选用竖直条纹、圆环、棋盘格或组合图形。图4为圆环形投影图样示例。

步骤3所述的投影监控模块5中的相机为线阵相机。图5(a)为正确定心调整时，线阵相机直接拍到的圆环形投影图样形状；图6(a)为定心调整存在偏差时，线阵相机拍到的变形的圆环形投影图样形状。图5(b)为正确定心调整时，线阵相机拍到的圆环形投影图样经坐标变换后的图像。图6(b)为定心调整存在偏差时，线阵相机拍到的圆环形投影图样经坐标变换后的图像。

步骤5所述的计算机辅助算法包括基于图像特征的匹配算法和基于深度学习的图像特征匹配算法。

该方法装置实施简单，可以实现快速自动定心，且定心精度高，为超精密光学元件的加工与检测提供了一种有效的自定心手段。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内的局部修改或替换，均应涵盖在本发明权利要求的保护范围之内。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种光学元件自定心方法及装置，属于光电技术检测领域。该自定心装置包括微型投影模块、分光元件、物镜、旋转台和投影监控模块。微型投影模块投射计算机生成的特定图样到待定心的光学元件表面上，旋转台带动被测光学元件旋转，投影监控模块同步拍摄元件表面反射回来的投影图像，计算机分析监控模块采集到的投影图像，对自动控制系统发出控制信号，首先调整自定心装置的光轴与转台旋转轴重合，然后调整光学元件直至其光轴和转台旋转轴重合，从而实现光学元件自动定心功能。本发明有可以实现平面、球面和非球面等圆形光学元件的自动定心，为光学元件的加工和检测提供了便利，自定心效率和精度也可以得到大大提高。

技术研发人员：全海洋;胡小川;李声;侯溪;徐富超;伍凡
受保护的技术使用者：中国科学院光电技术研究所
技术研发日：2019.02.25
技术公布日：2019.05.24