一种光学球面法向量测量设备的制作方法

本发明涉及光学表面检测，特别涉及一种光学球面法向量测量设备。

背景技术：

1、轮廓度是光学表面管控的传统手段，常见的轮廓度测量方式包括接触式测量、准接触式测量、干涉测量、结构光测量等；比起轮廓度，光学表面的法线方向直接决定了光线的折射或反射方向：光学表面高度的整体误差不会对光学系统的整体性能造成过多影响，但光学表面的局部扭曲会引起点扩散函数的显著变化；因此，法向量比轮廓度更能直观体现光学表面的性能，在无法直接测量光学表面法向量的条件下，可以对测得的表面轮廓数据求偏微分，根据偏微分结果判断光学表面的加工精度。

2、球面作为常见的光学表面，具有非常典型的数学特性：球面上任意点的法向量均经过球心，光学平面上任意点的法向量互相平行，且指向无穷远处；因此，平面也可以视为表面曲率为0的球面，球面也具有独特的反射特性：经过(或其延长线经过)球心的入射光经过球面反射，其出射光与入射光重合且方向相反，同样经过球心；当球面表面存在局部加工误差时，该处法向量不再指向球心，因此反射光也不再经过球心。根据此特性，一种光学球面法向量测量设备人设计出一种用于测量光学球面法向量的专用设备。

技术实现思路

1、本发明目的是：提供一种光学球面法向量测量设备，以解决现有技术中检测光学表面的加工精度采用轮廓度的测量方式，测量成本较高的问题。

2、本发明的技术方案是：一种光学球面法向量测量设备，包括被测光学球面s、光源、光线分束器、光阑、投影光路、相机，所述光源发出的光线经过光线分束器，入射到被测光学球面s，并被所述被测光学球面s反射，形成反射光线；所述反射光线通过限制后，再经过所述投影光路和所述光线分束器，到达所述相机；所述相机包含感光单元，所述被测光学球面s经过所述投影光路成像，与所述感光单元形成物像关系；

3、所述被测光学球面s的球心为p，当所述被测光学球面s的表面法向量全部指向所述球心p时，所述反射光线全部通过所述光阑，并在所述感光单元形成灰度均匀的影像；当所述被测光学球面s的局部位置s1处的法向量偏离所述球心p时，所述局部位置s1反射的部分光线被所述光阑遮挡，在所述感光单元形成局部暗区。

4、优选的，当所述光源为平行光时，所述被测光学球面s为凹球面时；所述投影光路包括聚焦透镜组和投影透镜组，所述光线分束器位于聚焦头镜组和聚焦透镜组的连线的中点处，且三者的中心点在同一直线上，所述光线分束器与水平面的夹角为45°，所述光源的发出的平行光线与光线分束器的锐角夹角为45°；所述球心p、光阑的中心、聚集透镜组的焦点相重合。

5、优选的，当所述光源为散光时，所述被测光学球面s为凹球面时；所述投影光路包括聚焦透镜组和投影透镜组，所述光线分束器位于被测光学球面s和光阑之间，所述光线分束器与水平面的夹角为135°，所述光源关于光线分束器成的虚像与被测光学球面s的球心p重合，被测光学球面s的球心p与光阑的中心重合。

6、优选的，当所述光源为平行光，所述被测光学球面s为平面或者凸球面时；所述投影光路依次包括补偿透镜组、聚焦透镜组、投影透镜组，所述补偿透镜组将被测光学球面s的球心投影形成实像点p1,所述实像点p1、光阑的中心点、聚焦透镜组的焦点相重合；所述光线分束器位于聚焦头镜组和聚焦透镜组的连线的中点处，且三者的中心点在同一直线上，所述光线分束器与水平面的夹角为45°，所述光源的发出的平行光线与光线分束器的锐角夹角为45°。

7、优选的，所述投影光路与所述感光单元之间的距离可调。

8、优选的，所述光阑包含中心透光、周围遮光的圆形或多边形孔，所述圆形或多边形孔的直径可调。

9、与现有技术相比，本发明的优点是：

10、本发明通过光路的设计，利用光阑筛选被测光学球面s的反射光；利用相机感光单元处的影像灰度，描述被测光学球面s法向量的精度；本发明具有结构简单、测量准确、测量高效、结果直观的优点，具有良好的应用前景。

技术特征：

1.一种光学球面法向量测量设备，其特征在于：包括被测光学球面s、光源、光线分束器、光阑、投影光路、相机，所述光源发出的光线经过光线分束器，入射到被测光学球面s，并被所述被测光学球面s反射，形成反射光线；所述反射光线通过光阑的限制后，再经过所述投影光路和所述光线分束器，到达所述相机；所述相机包含感光单元，所述被测光学球面s经过所述投影光路成像，与所述感光单元形成物像关系；

2.根据权利要求1所述的一种光学球面法向量测量设备，其特征在于：当所述光源为平行光时，所述被测光学球面s为凹球面时；所述投影光路包括聚焦透镜组和投影透镜组，所述光线分束器位于聚焦头镜组和聚焦透镜组的连线的中点处，且三者的中心点在同一直线上，所述光线分束器与水平面的夹角为45°，所述光源的发出的平行光线与光线分束器的锐角夹角为45°；所述球心p、光阑的中心、聚集透镜组的焦点相重合。

3.根据权利要求1所述的一种光学球面法向量测量设备，其特征在于：当所述光源为散光时，所述被测光学球面s为凹球面时；所述投影光路包括聚焦透镜组和投影透镜组，所述光线分束器位于被测光学球面s和光阑之间，所述光线分束器与水平面的夹角为135°，所述光源关于光线分束器成的虚像与被测光学球面s的球心p重合，被测光学球面s的球心p与光阑的中心重合。

4.根据权利要求1所述的一种光学球面法向量测量设备，其特征在于：当所述光源为平行光，所述被测光学球面s为平面或者凸球面时；所述投影光路依次包括补偿透镜组、聚焦透镜组、投影透镜组，所述补偿透镜组将被测光学球面s的球心投影形成实像点p1,所述实像点p1、光阑的中心点、聚焦透镜组的焦点相重合；所述光线分束器位于聚焦头镜组和聚焦透镜组的连线的中点处，且三者的中心点在同一直线上，所述光线分束器与水平面的夹角为45°，所述光源的发出的平行光线与光线分束器的锐角夹角为45°。

5.根据权利要求1所述的一种光学球面法向量测量设备，其特征在于：所述投影光路与所述感光单元之间的距离可调。

6.根据权利要求1所述的一种光学球面法向量测量设备，其特征在于：所述光阑包含中心透光、周围遮光的圆形或多边形孔，所述圆形或多边形孔的直径可调。

技术总结
本发明涉及光学表面检测技术领域，特别涉及一种光学球面法向量测量设备；包括被测光学球面S、光源、光线分束器、光阑、投影光路、相机，光源发出的光线经过光线分束器，入射到被测光学球面S，并被被测光学球面S反射，形成反射光线；反射光线通过光阑的限制后，再经过投影光路和光线分束器，到达相机；相机包含感光单元，被测光学球面S经过投影光路成像，与感光单元形成物像关系；本发明通过光路的设计，利用光阑筛选被测光学球面S的反射光；利用相机感光单元处的影像灰度，描述被测光学球面S法向量的精度。

技术研发人员：廖楚平
受保护的技术使用者：苏州亮宇模具科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5