CN114001676A - 用于刀口仪检测光学元件的光轴自动对准方法 - Google Patents

用于刀口仪检测光学元件的光轴自动对准方法 Download PDF

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Abstract

一种刀口法检测光学元件表面波前加工误差的自动对准光轴装置及方法，该装置由常规刀口仪，成像镜头，CCD相机，五维电动调节机构和计算机组成。刀口仪的使用首先要解决刀口仪和待测元件的光轴自动对准问题，本发明利用刀口仪的点光源作为准直光源，刀口仪的后方放置成像***，成像***和刀口仪相对固定，作为一个整体进行后续的五维调整，由CCD相机检测点光源通过光学元件之后的成像光斑，根据光斑特点解决刀口仪光源主光轴和待测光学元件光轴耦合问题。首先针对偏摆误差，使用CCD在成像面前后采集多幅图像，根据成像光斑的像散程度求解偏摆误差并进行补偿；其次，针对位移误差，使用CCD在像面采集光斑图像，根据光斑的椭圆程度调整刀口仪的位移。最终完成刀口仪光轴和待测镜面光轴的对准。本发明通过光斑图像采集和分析，实现了偏摆误差和位移误差的解耦和自动化校正，可以显著提高刀口仪的调试和检测效率，且易于实施，有效地解决了刀口仪和待测元件的光轴自动对准问题。

Description

用于刀口仪检测光学元件的光轴自动对准方法
技术领域
本发明涉及光学车间检测和自动控制领域，特别是一种用于刀口仪检测光学元件的光轴自动对准方法。
背景技术
刀口法是一种传统的光学检测方法，利用点光源发出球面光照射在待测光学元件上，返回的光斑包含光学元件的波前表面加工误差，在刀口横切下就可以观察到包含了误差信息的阴影图。在光学车间检测中，刀口法对于粗加工和初步加工的光学镜面具有很好的响应，可以定性地检测出加工误差。但是刀口仪的手动调节操作方法对于操作者的经验水平要求较高，调节费时费力，手动准直需要人眼和手的精确配合，并需要不断地沿垂直主光轴方向移动刀口，以差补刀口仪与主光轴的偏移量。为了提高检测效率，刀口仪逐渐往数字化、自动化的方向发展。使用刀口仪的第一个调试步骤是实现刀口仪和待测光学元件光轴的对准，自动对准光轴是刀口仪实现自动化的一个前提基础，传统人工对准光轴的方法存在主观误差较大和调试效率较低的问题，不能满足未来自动化高效检测的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种刀口法检测光学元件表面波前加工误差的自动对准光轴装置及方法。该方法可以显著提升刀口仪调试及检测的效率。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于刀口仪检测光学元件的光轴自动对准方法，其特点在于，包括如下步骤：
①构建光路：将刀口仪安装在五维电动调节机构上，刀口放置在待测光学元件的曲率中心附近，成像***和刀口仪相对固定，且成像***的像面落在刀口面上，所述的五维电动调节机构和成像***分别与计算机相连；
②采集图像：利用所述的刀口仪大孔细光束光源，调整五维电动调节机构使刀口仪光斑进入成像***的视场，设为初始位置，并采集待测光学元件成像的焦前、焦点和焦后的光斑图像；
③设绕垂直水平轴和主光轴的Y轴电机初始位置a0，绕Y轴顺时针移动L步旋转电机，在焦前、焦点和焦后的位置再次采集光斑图像，并提取光斑边缘信息和二值化图像信息，通过筛选出水平轴最长的图像和垂直轴最长的图像，根据其携带的轴向位置信息，计算子午焦线到弧矢焦线的距离x0，即光斑水平轴长最短的位置到光斑竖直轴长最短的位置的距离；
④在绕Y轴方向继续顺时针旋转Δ1角度，在焦前、焦点和焦后的位置采集光斑图像，提取光斑边缘信息和二值化图像信息，计算子午焦线到弧矢焦线的距离x1，即光斑水平轴长最短的位置到光斑竖直轴长最短的位置的距离；
⑤计算刀口仪及其光源相对待测光学元件主光轴的偏摆量sx，公式如下：
Figure BDA0003298157730000021
将电机旋转sx,则刀口仪在X方向上与待测光学元件主光轴平行，误差为(1+√2)*m，m为电机一步的步长；
⑥设绕X轴电机初始位置b0，绕X轴方向顺时针移动L步旋转电机，在焦前、焦点和焦后的位置采集光斑图像，提取光斑边缘信息，二值化图像信息，计算子午焦线到弧矢焦线的距离y0，即光斑水平轴长最短的位置到光斑竖直轴长最短的位置的距离；
⑦在绕X轴方向继续顺时针旋转Δ1角度，在焦前、焦点和焦后的位置采集光斑图像，提取光斑边缘信息和二值化图像信息，计算子午焦线到弧矢焦线的距离y1，即光斑水平轴长最短的位置到光斑竖直轴长最短的位置的距离；
⑧计算刀口仪及其光源相对待测光学元件主光轴的偏摆量sy，公式如下：
Figure BDA0003298157730000022
将电机旋转sy，则刀口仪在Y方向上与待测光学元件主光轴轴平行，误差为(1+√2)*m，m为电机一步的步长；
⑨记位移电机在X轴方向上的初始位置c0，在X轴方向比较两次移动过后采集的光斑长轴长度Nx大小，向Nx较小的方向移动L步到c1；再继续向此方向移动L步到c2；若c2处N值比c1处N值大，则反向移动L/2步，比较N大小，直到再次出现Nx值拐点；重复上述步骤，最终直到N值拐点前后两次的误差小于特定值E，E值为2个像素大小，此时刀口仪即在X方向与待测光学元件主光轴对齐；
⑩记位移电机在Y轴方向上的初始位置d0，在Y轴方向比较两次移动过后采集的光斑长轴长度Ny大小，向Ny较小的方向移动L步到d1；再继续向此方向移动L步到d2；若d2处Ny值比d1处N值大，则反向移动L/2步，比较Ny大小，直到再次出现Ny值拐点；重复上述步骤，最终直到N值拐点前后两次的误差小于特定值E，此时刀口仪即在Y方向与待测光学元件主光轴对齐。
所述的成像***由CCD相机及其镜头组成。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明提高了刀口法光学检测的效率和准确程度，减少了刀口法人工实施过程中对于实施人经验的过高要求，可以实现刀口仪及其位移***的主轴与待测光学元件的主光轴的高精度自动化对准。
附图说明
图1是本发明自动对准光轴装置的***结构示意图
图2是本发明自动对准光轴的***等效光路示意图，表示绕Y轴方向偏摆误差调整
图3是本发明自动对准光轴的***等效光路示意图，表示绕X轴方向偏摆误差调整
图4是本发明自动对准光轴的***等效光路示意图，表示X轴方向位移误差调整
图5是本发明自动对准光轴的***等效光路示意图，表示Y轴方向位移误差调整
具体实施方式：
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
参阅图1，一种刀口仪检测光学元件加工误差的自动对准光轴装置，包括刀口仪及其位移***3，CCD相机5及镜头4，待测光学元件1，计算机6。所述的刀口仪及其位移***3由刀口仪和五维电动调节机构组成，刀口仪安装在五维电动调节机构上，所述的CCD相机5及镜头4组成的成像***的像面落在刀口面上，成像***和刀口仪相对固定，作为一个整体进行后续的五维调整，所述的刀口放置在光学元件1的曲率中心附近，所述的CCD相机5输出端与所述的计算机的输入端相连，计算机的输出端与所述的五维电动调节机构的控制端相连。
本发明使用的点光源2是白光光源。
所述光学元件1曲率半径为482mm。
所述CCD相机5分辨率为1200pixel×1600pixel，每个像素边长为5.5μm。
所述刀口仪位移***3的电机为每圈200个步进间距，计算机6的控制卡进行了16步细分。
通过联立像散公式，求解偏摆角度：
x0＝A1×y2+A2×y4+A3×y6
x1＝A1×(y+Δ1)2+A2×(y+Δ1)4+A3×(y+Δ1)6
x2＝A1×(y+Δ2)2+A2×(y+Δ2)4+A3×(y+Δ2)6
x3＝A1×(y+Δ3)2+A2×(y+Δ3)4+A3×(y+Δ3)6
Δ1、Δ2、Δ3为每次旋进的角度；
x0、X1、X2、x3为子午焦线到弧矢焦线的距离，即像散的程度；
A1、A2、A3、y为待解量，y为偏摆角度。为了方便求解，在只有低次项的情况下进行
方程代数求解：
x0＝A1×y2
x1＝A1×(y+Δ1)2
解得：
Figure BDA0003298157730000041
所述的自动对光轴需要如下步骤：
1.使用刀口仪大孔细光束光源，首先调整位移机构使刀口仪光斑进入CCD视场，在初始位置采集焦前、焦点和焦后的光斑图像；
2.设绕垂直水平轴和主光轴的Y轴电机初始位置为a0，绕Y轴顺时针移动L步旋转电机，在焦前、焦点和焦后的位置采集光斑图像，提取光斑边缘信息，二值化图像信息，计算子午焦线到弧矢焦线的距离X0，即光斑水平轴长最短的位置到光斑竖直轴长最短的位置的距离；
3.在绕Y轴方向继续顺时针旋转Δ1角度，在焦前、焦点和焦后的位置采集光斑图像，提取光斑边缘信息，二值化图像信息，计算子午焦线到弧矢焦线的距离X1，即光斑水平轴长最短的位置到光斑竖直轴长最短的位置的距离；
4.将Δ1、X0、X1带入前述公式求解y，得到的y即位刀口仪及其光源相对待测镜面主光轴的偏摆量，将电机旋转y，刀口仪即在X方向上与待测镜面主光轴平行，误差为(1+√2)*m，m为电机的一步的步长，如图2所示；
5.绕X轴电机初始位置为b0，绕X轴方向顺时针移动L步旋转电机，在焦前、焦点和焦后的位置采集光斑图像，提取光斑边缘信息，二值化图像信息，计算子午焦线到弧矢焦线的距离X0，即光斑水平轴长最短的位置到光斑竖直轴长最短的位置的距离；
6.在绕X轴方向继续顺时针旋转Δ1角度，在焦前、焦点和焦后的位置采集光斑图像，提取光斑边缘信息，二值化图像信息，计算子午焦线到弧矢焦线的距离X1，即光斑水平轴长最短的位置到光斑竖直轴长最短的位置的距离；
7.将Δ1、X0、X1带入前述公式求解y，得到的y即位刀口仪及其光源相对待测镜面主光轴的偏摆量，将电机旋转y，刀口仪即在Y方向上与待测镜面主光轴平行，误差为(1+√2)*m，m为电机的一步的步长，如图3所示；
8.记位移电机在X轴方向上的初始位置为c0，在X方向比较两次移动过后CCD所采集的光斑长轴长度N大小，向N较小的方向移动L步到c1；再继续向此方向移动L步到c2；若c2处N值比c1处N值大，则反向移动L/2步，比较N大小，直到再次出现N值拐点。重复上述步骤，最终直到N值拐点前后两次的误差小于特定值E，此时刀口仪即在X方向与待测镜面主光轴对齐，如图4所示；
9.记位移电机在Y轴方向上的初始位置为d0，在Y方向比较两次移动过后CCD所采集的光斑长轴长度N大小，向N较小的方向移动L步到d1；再继续向此方向移动L步到d2；若d2处N值比d1处N值大，则反向移动L/2步，比较N大小，直到再次出现N值拐点。重复上述步骤，最终直到N值拐点前后两次的误差小于特定值E，此时刀口仪即在Y方向与待测镜面主光轴对齐，如图5所示。

Claims (2)

1.一种用于刀口仪检测光学元件的光轴自动对准方法，其特征在于，包括如下步骤：
①构建光路：将刀口仪安装在五维电动调节机构上，刀口放置在待测光学元件的曲率中心附近，成像***和刀口仪相对固定，且成像***的像面落在刀口面上，所述的五维电动调节机构和成像***分别与计算机相连；
②采集图像：利用所述的刀口仪大孔细光束光源，调整五维电动调节机构使刀口仪光斑进入成像***的视场，设为初始位置，并采集待测光学元件成像的焦前、焦点和焦后的光斑图像；
③设绕垂直水平轴和主光轴的Y轴电机初始位置a0，绕Y轴顺时针移动L步旋转电机，在焦前、焦点和焦后的位置再次采集光斑图像，并提取光斑边缘信息和二值化图像信息，通过筛选出水平轴最长的图像和垂直轴最长的图像，根据其携带的轴向位置信息，计算子午焦线到弧矢焦线的距离x0，即光斑水平轴长最短的位置到光斑竖直轴长最短的位置的距离；
④在绕Y轴方向继续顺时针旋转Δ1角度，在焦前、焦点和焦后的位置采集光斑图像，提取光斑边缘信息和二值化图像信息，计算子午焦线到弧矢焦线的距离x1，即光斑水平轴长最短的位置到光斑竖直轴长最短的位置的距离；
⑤计算刀口仪及其光源相对待测光学元件主光轴的偏摆量sx，公式如下：
Figure FDA0003298157720000011
将电机旋转sx,则刀口仪在X方向上与待测光学元件主光轴平行，误差为(1+√2)*m，m为电机一步的步长；
⑥设绕X轴电机初始位置b0，绕X轴方向顺时针移动L步旋转电机，在焦前、焦点和焦后的位置采集光斑图像，提取光斑边缘信息，二值化图像信息，计算子午焦线到弧矢焦线的距离y0，即光斑水平轴长最短的位置到光斑竖直轴长最短的位置的距离；
⑦在绕X轴方向继续顺时针旋转Δ1角度，在焦前、焦点和焦后的位置采集光斑图像，提取光斑边缘信息和二值化图像信息，计算子午焦线到弧矢焦线的距离y1，即光斑水平轴长最短的位置到光斑竖直轴长最短的位置的距离；
⑧计算刀口仪及其光源相对待测光学元件主光轴的偏摆量sy，公式如下：
Figure FDA0003298157720000021
将电机旋转sy，则刀口仪在Y方向上与待测光学元件主光轴轴平行，误差为(1+√2)*m，m为电机一步的步长；
⑨记位移电机在X轴方向上的初始位置c0，在X轴方向比较两次移动过后采集的光斑长轴长度Nx大小，向Nx较小的方向移动L步到c1；再继续向此方向移动L步到c2；若c2处N值比c1处N值大，则反向移动L/2步，比较N大小，直到再次出现Nx值拐点；重复上述步骤，最终直到N值拐点前后两次的误差小于特定值E，E值为2个像素大小，此时刀口仪即在X方向与待测光学元件主光轴对齐；
⑩记位移电机在Y轴方向上的初始位置d0，在Y轴方向比较两次移动过后采集的光斑长轴长度Ny大小，向Ny较小的方向移动L步到d1；再继续向此方向移动L步到d2；若d2处Ny值比d1处N值大，则反向移动L/2步，比较Ny大小，直到再次出现Ny值拐点；重复上述步骤，最终直到N值拐点前后两次的误差小于特定值E，此时刀口仪即在Y方向与待测光学元件主光轴对齐。
2.根据权利要求1所述的用于刀口仪检测光学元件的光轴自动对准方法，其特征在于，所述的成像***由CCD相机(5)及其镜头(4)组成。
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