CN105651211A - 一种基于几何光学的镜面出平面位移测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于几何光学的镜面出平面位移测量装置及其测量方法。本发明通过点照明***提供光信息，光在两个镜面上的多次反射，利用图像采集设备获得带有镜面出平面位移信息的数字图像，更换目标镜，采集多张数字图像，可以通过对比分析这些数字图像上光点位置的变化，进而获得镜面的出平面位移。本发明提供一种新型的平面度监测装置，可以完成较高精度的平面度检测，具备全场检测、使用灵活方便且检测速度高的特点。

Description

一种基于几何光学的镜面出平面位移测量装置及其测量方法

技术领域

本发明属于平面度误差测量领域，尤其涉及一种基于几何光学的镜面出平面位移测量装置及其测量方法。

背景技术

随着科学研究的高速发展，高精度大尺寸玻璃工件的需求量越来越大且对制造行业生产的工件、平面度误差测量精度要求也越来越高，这就导致开创一种在工程实际中便于应用的对中大平面玻璃的出平面位移检测方法具有很大的意义。

目前，玻璃平面度检测仪器种类较多，基本可分为机械测量与光测仪器检测，其中光测仪器应用较为广泛、精度也较高，但当前的测量方法主要采用逐点扫描的检测方式，检查较为耗时。相比之下，使用本镜面出平面位移测量装置来测量，无需逐点扫描，具有全场检测、使用灵活方便的特点，能有效的缩短测量时间、降低测量成本，具有一定的现实意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种实用、安装方便的基于几何光学的镜面出平面位移测量装置。本发明的目的还包括提供一种测量精度高的，基于几何光学的镜面出平面位移测量方法。

一种基于几何光学的镜面出平面位移测量装置，包括目标镜、监测镜、两个框架、相机、光学平台、两个拉杆、四个立柱、拉杆立柱连接件、框架连接件、立柱底座和计算机；

四个立柱分别通过一个立柱底座安装在光学平台的四角上，两个拉杆位于光学平台上方的两侧，每个拉杆的两端分别通过一个栏杆立柱连接件与一个立柱连接，目标镜通过框架安装在两个拉杆之间，目标镜的框架两侧分别通过一个框架连接件与其对应的拉杆连接，监测镜通过框架安装在两个拉杆之间，监测镜的框架两侧分别通过一个框架连接件与其对应的拉杆连接，目标镜与监测镜为中心与中心相对，面与面平行，框架包括内框架和外框架，监测镜的内框架上安装有按正方形布置的点光源，相机安装在监测镜的外侧，相机镜头与监测镜镜面平行，相机通过数据线与计算机连接。

本发明一种基于几何光学的镜面出平面位移测量装置，还可以包括：

还包括相机调整位置装置，相机调整位置装置安装在监测镜的外框架上，相机安装在相机调整位置装置上。

一种基于几何光学的镜面出平面位移测量方法，包括以下步骤，

步骤一：目标镜与监测镜平行放置，要求面与面平行，互相之间不存在扭转角度；

步骤二：打开电光源，电光源的光在两个镜面反射产生多级点阵，将其作为信息采集点保存下来，获得不同目标镜的数字图像，如图像未变化即无出平面位移，如果数字图像有变化时即产生了出平面位移；

步骤三：相机采集带有镜面出平面位移信息的数字图像，传送给计算机，获得图像上光点产生位移改变Δy，取z为出平面位移，基于泰勒级数在一固定点y₀展开为：

$z=f\left(y\right)=f\left(y_0\right)+\frac{df\left(y_0\right)}{dy}(y-y_0)+\frac{d^{2}f\left(y_0\right)}{2d^{2}y}{(y-y_0)}^2+\frac{d^{3}f\left(y_0\right)}{6d^{3}y}{(y-y_0)}^3+o{(y-y_0)}^4$

取光点位移改变Δy为未知量：

$z=f\left(y\right)=f\left(y_0\right)+\frac{df\left(y_0\right)}{dy}\mathrm{\Δ}y+\frac{d^{2}f\left(y_0\right)}{2d^{2}y}{\mathrm{\Δy}}^2+\frac{d^{3}f\left(y_0\right)}{6d^{3}y}{\mathrm{\Δy}}^3+{\mathrm{o\Δy}}^4$

y₀为固定点：

z＝f(y)＝a+bΔy+cΔy²+dΔy³+οΔy⁴

初始条件：Δy＝0，z＝0，边界条件：y＝h时z＝0；

由光点产生位移改变Δy对应获得出平面位移z。

有益效果：

本发明提供一种新型的平面度监测装置，可以完成较高精度的平面度检测，具备全场检测、使用灵活方便且检测速度高的特点。本发明的目的在于提供价格低、实用、安装方便的一种基于几何光学的镜面出平面位移测量装置。本发明结构简单，便于实际使用，利用平面几何光学原理，进行构件的出平面位移测量，从而进一步分析物体表面的应变或挠度。

附图说明

图1为本发明专利的结构示意图；

图2为本发明专利的装置示意图；

图3为目标镜和监测镜内框架的结构示意图；

图4为目标镜和监测镜外框架的结构示意图；

图5为相机调整位置装置示意图；

图6为立柱底座的结构示意图；

图7为拉杆立柱连接件的结构示意图；

图8为框架连接轴示意图。

具体实施方式

本发明的目的在于提供价格低、实用、安装方便的一种基于几何光学的镜面出平面位移测量装置。

本发明的目的是这样实现的：结合图1，图中：11-目标镜，12-监测镜，13-照明***，14-相机，15-计算机)，相对于目标镜11平行放置一个监测镜12，要求面与面平行，互相之间不存在扭转角度，这样保证了光在两个镜面多次反射，按正方形布置照明***13，保证至少在角点处安装四个点光源，点亮点光源，光在两个镜面中多次反射，使用相机14拍摄，在计算机15中可以看到产生的多级点阵，每一级点阵处于同一个正方形的角点上，将这些光点作为镜面变形信息采集点，使用计算机保存下来，获得不同目标镜的数字图像，如图像未变化即无出平面位移，如数字图像有变化时即产生了出平面位移，通过对比计算变化的数字图像获得相对应镜面的出平面位移。

一种基于几何光学的镜面出平面位移测量装置，其特征是：白色发光二极管安装在目标镜四周作为标识点，采用机器视觉来计算微小的镜面出平面位移，该装置中目标镜和监测镜的框架采用分体设计，外框架用于安装相机，内镜框用于安装照明光源，需采用磨床确保框架与镜面接触的位置为平面，保证镜片安装处出平面方向为无受力状态，即无实验装置产生的误差量带入，并且目标镜可方便拆卸替换，方便快捷的完成大量玻璃镜面的检测。光在两个镜面上的多次反射，产生多级物像，利用工业相机采集获得带有镜面出平面位移信息的数字图像，对比计算带有镜面形貌信息的多张数字图像，同一光点多次反射产生多级点阵，基于光点位移量，采用泰勒级数计算目标镜面的出平面位移。

该测量装置获得带有镜面出平面位移信息的数字图像上的光点产生位移改变Δy时，取z为出平面位移，已知基于泰勒级数在某一固定点y₀展开，可写为：

$z=f\left(y\right)=f\left(y_0\right)+\frac{df\left(y_0\right)}{dy}(y-y_0)+\frac{d^{2}f\left(y_0\right)}{2d^{2}y}{(y-y_0)}^2+\frac{d^{3}f\left(y_0\right)}{6d^{3}y}{(y-y_0)}^3+o{(y-y_0)}^4$

此时取光点位移改变Δy为未知量，上式改写为：

$z=f\left(y\right)=f\left(y_0\right)+\frac{df\left(y_0\right)}{dy}\mathrm{\Δ}y+\frac{d^{2}f\left(y_0\right)}{2d^{2}y}{\mathrm{\Δy}}^2+\frac{d^{3}f\left(y_0\right)}{6d^{3}y}{\mathrm{\Δy}}^3+{\mathrm{o\Δy}}^4$

y₀为固定点，方程组可写为：

z＝f(y)＝a+bΔy+cΔy²+dΔy³+οΔy⁴

此时初始条件(即无变形时)：Δy＝0，z＝0。

此时边界条件(即四边界无变形)：y＝h时z＝0。

如果只考虑考虑光在目标镜上反射一次，只知道Δy₁和z₁，就可写为z₁＝f(y)＝a+bΔy₁解出b＝z₁/Δy₁。

如果考虑光在目标镜上反射二次，知道Δy₁和z₁，Δy₂和z₂，z＝f(y)＝a+bΔy+cΔy²可解出b，c。

如果考虑光在目标镜上反射三次，知道Δy₁和z₁，Δy₂和z₂，Δy₃和z₃，z＝f(y)＝a+bΔy+cΔy²+dΔy³可解出b，c和d。

由以上可知，由光点产生位移改变Δy可以对应获得取出平面位移z。

本发明的目的在于提供一种基于几何光学的镜面出平面位移测量装置，该装置由目标镜，监测镜，照明***，以及图像采集设备(包括相机和计算机)组成。本发明通过点照明***提供光信息，光在两个镜面上的多次反射，利用图像采集设备获得带有镜面出平面位移信息的数字图像，更换目标镜，采集多张数字图像，可以通过对比分析这些数字图像上光点位置的变化，进而获得镜面的出平面位移。该装置的测量方法按以下方式进行：首先，相对于目标镜平行放置一个监测镜，要求面与面平行，互相之间不存在扭转角度；然后，打开照明***，在采集***中可以看到照明***中的光在两个镜面反射产生的多级点阵，将其作为信息采集点保存下来，获得不同目标镜的数字图像，如图像未变化即无出平面位移，如数字图像有变化时即产生了出平面位移；最后，通过对比分析图像，使用计算机计算镜面出平面位移。本发明提供一种新型的平面度监测装置，可以完成较高精度的平面度检测，具备全场检测、使用灵活方便且检测速度高的特点。

通过光在两个镜面上多次反射，产生多级点阵，对比分析带有镜面形貌信息的多张数字图像，以光点移动信息作为采集点，如图像未变化即无出平面位移，如数字图像有变化时即产生了出平面位移，通过对比分析图像变化，使用计算机计算镜面出平面位移。

目标镜和监测镜框架使用分体设计，其中，外框架用于安装相机，内镜框用于安装照明光源，需采用磨床确保框架与镜面接触的位置为平面，保证镜片安装处出平面方向为无受力状态，目标镜可方便拆卸替换。

一种标识点，白色发光二极管安装在监测镜内框作为标识点。标识点至少为四个，按正方形布置。

基于数字图像中光点位移量，采用泰勒级数计算目标镜的出平面位移。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。

结合图2，本发明包括：20-光学平台，21-目标镜，22-监测镜，23-镜子内框架，24-镜子外框架，25-拉杆立柱连接件，26-立柱底座，27-相机，28-相机调整位置装置，29-框架连接轴，210-计算机。光学平台均布有大量有序的螺栓孔，立柱底座26，见图6，包括：61-立柱连接孔，62-固定光学平台螺丝孔，通过4个螺丝孔把装置与光学平台连接，将立柱安装在立柱连接孔里。通过拉杆立柱连接件25，见图7，包括：71-拉杆立柱连接孔，72-固定螺丝孔，将拉杆与立柱连接，并确定位置安装目标镜21和监测镜22的框架。

框架由内框架和外框架组成。内框架23，见图4，包括：41安装点光源位置，42内外框固定螺丝孔，内框架23的安装点光源位置上按正方形布有白色发光二极管，至少在角点布4个作为标识点，将其作为实验的信息采集点，采集点应具备一定的发光度，使得物像在经过多次反射后仍能够被相机识别。外框架24，见图3，包括：31框架连接轴位置，32内外框固定螺丝孔，框架连接轴位置用以安装框架连接轴29，如图8所示，通过框架连接轴29和拉杆立柱连接件25可将镜框与拉杆连接。外框架与内框架由内外框固定螺丝加固。安装中保证组成的目标镜21和监测镜22两个镜框所在平面平行，中心与中心相对，互相之间不存在扭转角度。

监测镜外框中心处安装相机27，相机与外框由相机调整位置装置28，见图5，包括：51-相机安装支柱，52-回转台安装座，53-回转台，54-平移台和回转台连接座，55-平移台，56-倾斜台，57-倾斜台和平移台连接座，58-相机，59-镜头，510-相机安装基座。相机调整位置装置保证相机镜头与镜面平行，相机27通过数据线与计算机210连接，调整光圈和焦距，使得计算机可以采集带有镜面变形信息的数字图像。

获得不同目标镜的数字图像，如图像未变化即无出平面位移，如数字图像有变化时即产生了出平面位移。在图像中找到4个光点移动相同位移的图像，此图像的中央即为出平面位移发生处，通过泰勒级数的方法，以光点变化的距离为已知量，计算镜面出平面位移大小。

Claims (3)

1.一种基于几何光学的镜面出平面位移测量装置，其特征在于：包括目标镜、监测镜、两个框架、相机、光学平台、两个拉杆、四个立柱、拉杆立柱连接件、框架连接件、立柱底座和计算机；

四个立柱分别通过一个立柱底座安装在光学平台的四角上，两个拉杆位于光学平台上方的两侧，每个拉杆的两端分别通过一个栏杆立柱连接件与一个立柱连接，目标镜通过框架安装在两个拉杆之间，目标镜的框架两侧分别通过一个框架连接件与其对应的拉杆连接，监测镜通过框架安装在两个拉杆之间，监测镜的框架两侧分别通过一个框架连接件与其对应的拉杆连接，目标镜与监测镜为中心与中心相对，面与面平行，框架包括内框架和外框架，监测镜的内框架上安装有按正方形布置的点光源，相机安装在监测镜的外侧，相机镜头与监测镜镜面平行，相机通过数据线与计算机连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于几何光学的镜面出平面位移测量装置，其特征在于：还包括相机调整位置装置，相机调整位置装置安装在监测镜的外框架上，相机安装在相机调整位置装置上。

3.一种基于权利要求1所述的基于几何光学的镜面出平面位移测量装置的测量方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤一：目标镜与监测镜平行放置，要求面与面平行，互相之间不存在扭转角度；

步骤二：打开电光源，电光源的光在两个镜面反射产生多级点阵，将其作为信息采集点保存下来，获得不同目标镜的数字图像，如图像未变化即无出平面位移，如果数字图像有变化时即产生了出平面位移；

步骤三：相机采集带有镜面出平面位移信息的数字图像，传送给计算机，获得图像上光点产生位移改变Δy，取z为出平面位移，基于泰勒级数在一固定点y₀展开为：

$z=f\left(y\right)=f\left(y_0\right)+\frac{df\left(y_0\right)}{dy}(y-y_0)+\frac{d^{2}f\left(y_0\right)}{2d^{2}y}{(y-y_0)}^2+\frac{d^{3}f\left(y_0\right)}{6d^{3}y}{(y-y_0)}^3+o{(y-y_0)}^4$

取光点位移改变Δy为未知量：

$z=f\left(y\right)=f\left(y_0\right)+\frac{df\left(y_0\right)}{dy}\mathrm{\Δ}y+\frac{d^{2}f\left(y_0\right)}{2d^{2}y}{\mathrm{\Δy}}^2+\frac{d^{3}f\left(y_0\right)}{6d^{3}y}{\mathrm{\Δy}}^3+{\mathrm{o\Δy}}^4$

y₀为固定点：

z＝f(y)＝a+bΔy+cΔy²+dΔy³+οΔy⁴

初始条件：Δy＝0，z＝0，边界条件：y＝h时z＝0；

由光点产生位移改变Δy对应获得出平面位移z。