一种分步测量光学镜片曲率半径和检测镜片缺陷的方法
阅读说明：本技术 一种分步测量光学镜片曲率半径和检测镜片缺陷的方法 (Method for measuring curvature radius of optical lens and detecting lens defect step by step ) 是由 窦健泰 龚渭 路森 邓晓龙 冉翔羽 厉淑贞 胡友友 于 2021-08-12 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种分步测量光学镜片曲率半径和检测镜片缺陷的方法,包括(1)初始曲率半径求解：根据采集的干涉图T(x,y)的暗环直径,求得初始曲率半径R-(0)；(2)曲线拟合：以R-(0)仿真牛顿环T-(0)(x,y),将T(x,y)和T-(0)(x,y)二阶极坐标变换后消除常数项,再叠加形成莫尔条纹,对莫尔条纹进行曲线拟合,得到待测镜片新的曲率半径R-(1)；(3)移相求波前：对R-(1)仿真的干涉图进行多步移相,得到多幅干涉图,分别与T(x,y)叠加,由多幅莫尔条纹得到波前差数据,进一步根据波前差分法求得待测镜片的高精确曲率半径R-(2)；(4)缺陷提取：利用R-(2)去掉干涉图T(x,y)中由曲率半径解得的波前数据,即可得到待测镜片的缺陷数据。(The invention provides a method for measuring the curvature radius of an optical lens and detecting the defects of the lens step by step, which comprises the following steps of (1) solving the initial curvature radius: according to the diameter of the dark ring of the acquired interference pattern T (x, y), the initial curvature radius R is obtained 0 (ii) a (2) And (3) curve fitting: with R 0 Simulated Newton's ring T 0 (x, y) A, B, and T (x, y) and T 0 Eliminating constant terms after (x, y) second-order polar coordinate transformation, superposing to form moire fringes, and performing curve fitting on the moire fringes to obtain a new curvature radius R of the lens to be measured 1 (ii) a (3) Phase-shifting wavefront determination: to R 1 The simulated interferogram is subjected to multi-step phase shifting to obtain a plurality of interferograms, the interferograms are respectively superposed with T (x, y), and waves are obtained from a plurality of Moire fringesFront difference data, further obtaining the high-precision curvature radius R of the lens to be measured according to the wave front difference method 2 (ii) a (4) Defect extraction: by means of R 2 And removing the wavefront data obtained by solving the curvature radius in the interference pattern T (x, y) to obtain the defect data of the lens to be detected.)
技术领域
本发明涉及光学检测领域，尤其涉及一种分步测量光学镜片曲率半径和检测镜片缺陷的方法。
背景技术
球面光学镜片作为光学系统中最常见的光学元件，在各类光学系统中有着重要作用。曲率半径是表征球面光学镜片的重要参量，其对光学系统的整体成像质量有着重要影响。除曲率半径外，球面光学镜片表面缺陷和内部缺陷也严重影响成像质量。
中国专利公开号CN110455221A公开了一种快速测量光学镜片曲率半径的光路结构和设备，包括:发光LED、切换式透镜单元、棱镜、半反半透镜﹑保护玻璃、光阑和CCD摄像机。通过采用CCD图像采集和亚像素拟合圆的算法结合，并结合工控机得到被测样本的曲率半径。首先，该结构中存在多次反射改变光迹，使得适用范围变广，但是存在传输损耗，对成像质量存在影响；其次，专利中测量曲率半径的方法是通过工控机对图像进一步处理后再进行亚像素拟合圆得到的曲率半径精度较高，精度受图像质量影响大，并且稳定性降低。
中国专利公开号CN110793467A公开了一种光学镜片曲率半径精度检测装置，包括:包括底板、固定板、LED灯、光栅片、滑道和滑块等。通过调整光栅片在光学镜片球心附近位置,形成莫尔条纹,计算曲率半径。该方法的调试阶段步骤多，较为繁琐，对于曲率半径的测量采用的是朗奇条纹法，在测量精度上受限于对球心位置的精准定位。
中国专利公开号CN107860776A公开了一种镜片缺陷检测装置及方法，包括：光源、参考臂、样品臂、控制器与光纤耦合器。通过原路返回的样品信号光与参考臂原路返回的参考信号光干涉后形成干涉光信号后,经过处理后与标准镜信号曲线对比，再评估缺陷情况。该方法实现了对整个光学镜片各个部位的检测，对缺陷的检测全面，但检测过程中需要多次移动样品镜片，耗时较长，检测质量不高。
中国专利公开号CN211905142U公开了一种全自动眼镜镜片检测设备，包括：上机架、下机架、风机过滤机组、三色灯、显示器、上料传送皮带、下料传送皮带、投影成像图像获取系统、折射成像图像获取系统。通过影成像系统和折射成像系统能很好的反应光学镜片的缺陷情况。该方法提高了图像检测的精度和准确性，但是实验光源需要定制光源才能得到高质量的测量结果，且整体费用较高。
发明内容
发明目的：本发明目的在于提供一种测量精度高、应用性广、效率高、稳定性好和成本低等优势的分步测量光学镜片曲率半径和检测镜片缺陷的方法。
技术方案：本发明包括以下步骤：
(1)初始曲率半径求解：根据采集的干涉图T(x,y)的暗环直径，求得初始曲率半径R0；
(2)曲线拟合：以R0仿真牛顿环T0(x,y)，将T(x,y)和T0(x,y)进行极坐标变换后消除常数项，再叠加形成莫尔条纹，对莫尔条纹进行曲线拟合，得到待测镜片新的曲率半径R1；
(3)移相求波前：对R1仿真的干涉图进行多步移相，得到多幅干涉图，分别与T(x,y)叠加，由多幅莫尔条纹得到波前差数据，进一步根据波前差分法求得待测镜片的高精确曲率半径R2；
(4)缺陷提取：利用R2去掉干涉图T(x,y)中由曲率半径解得的波前数据，即可得到待测镜片的缺陷数据。
所述步骤(1)中初始曲率半径的具体求解方法为：将采集到的待测光学镜片的牛顿环干涉图T(x,y)导入计算机内，从干涉图中提取5～10组暗环数据，经像素标定后，计算得m级暗环实际直径Dm和n级暗环实际直径Dn，已知激光波长λ，推导出待测光学镜片的初始曲率半径求解表达式：
取其平均值作为待测镜片的初始曲率半径R0。
所述步骤(2)中的曲线拟合具体包括：
步骤1、根据初始曲率半径R0仿真出的虚拟牛顿环T0(x,y)，经二阶极坐标变换将T0(x,y)和T(x,y)变成线载频T0(ρ,θ)和T(ρ,θ)，去干涉图常数项后，分别得到T’0(ρ,θ)和T’(ρ,θ)，再将T’0(ρ,θ)与T’(ρ,θ)叠加成莫尔条纹S(ρ,θ)，其相关表达式如下：
采集的牛顿环干涉图表达式：T(ρ,θ)＝a(ρ,θ)+b(ρ,θ)·cos(2πfρ)，其中a(ρ,θ)和b(ρ,θ)分别为T(x,y)在二阶极坐标下的背景光强和条纹对比度，f＝1/(R·λ)，ρ＝x2+y2，式中，f为待求变量，ρ为牛顿环在直角坐标下任意点坐标为(x,y)与牛顿环中心(0,0)的距离；
去常数项后的干涉图表达式：其中Tmin和Tmax分别为T(ρ,θ)的最小值和最大值；
仿真的牛顿环干涉图表达式：T0(ρ,θ)＝a0(ρ,θ)+b0(ρ,θ)·cos(2πf0ρ)，其中a0(ρ,θ)和b0(ρ,θ)分别为T0(x,y)在二阶极坐标下的背景光强和条纹对比度，f0＝1/(R0·λ)，ρ＝x2+y2；
去常数项后的干涉图表达式：其中T0(min)和T0(max)分别为T0(ρ,θ)的最小值和最大值；
去常数项后叠加的莫尔条纹表达式：S(ρ,θ)＝T’(ρ,θ)·T’0(ρ,θ)＝cos(2πfρ)·cos(2πf0ρ)；
步骤2、根据S(ρ,θ)，取多个θ角度时对应的S(ρ,θ)的灰度值数据，并以函数来拟合每个θ对应的S(ρ,θ)，其中，f0为已知线载频系数，f为待求变量，a为未知常数，以±5％的误差来确定一个f的范围，即0.95f0≤f≤1.05f0，由f＝1/(R·λ)，得到关于多个θ取值下的R值，取平均值，得到待测镜片新的曲率半径R1。
所述步骤(3)中的移相求波前具体包括：
步骤1：以R1仿真多幅具有四步移相的牛顿环干涉图，其表达式分别为：
其中：a1(x,y)为背景光强，b1(x,y)为条纹对比度，
步骤2：将上述T1(x,y)，T2(x,y)，T3(x,y)，T4(x,y)分别与T(x,y)叠加,得到对应地莫尔条纹，对莫尔条纹进行低通滤波，得到含有波前差信息的表达式如下：
利用四步移相方法求出波前差数据：
其中，s1(x,y)，s2(x,y)，s3(x,y)，s4(x,y)分别是T(x,y)与T1(x,y)，T(x,y)与T2(x,y)，T(x,y)与T3(x,y)，T(x,y)与T4(x,y)形成的莫尔条纹经低通滤波后得到含有波前差信息的表达式；
步骤3：由波前差w-w1与曲率半径R的关系式：
近似推导得到：
最终推导的曲率半径为：
步骤4：由曲率半径R随w-w1数据点变化的分布图，再用最小二乘法对R的数据进行平面拟合，得到待测镜片的高精度曲率半径R2。
所述步骤(4)中的缺陷提取具体包括：
步骤1：像素标定，P＝D/L，其中D为待测镜片的实际直径，单位mm，L为采集干涉图的像素直径，P为每单位像素尺寸对应的实际大小；
步骤2：将缺陷检测分成多个区域，利用步骤(3)得到的R2，去除T(x,y)中含曲率半径R2的球面信息，得到待测镜片中关于缺陷的数据，观察二值化处理后的图像，若无缺陷，应是均匀亮度的圆，若有缺陷，则会有暗斑，进一步观察每个区域的暗斑大小，获得暗斑(缺陷)的像素数目s；
步骤3：计算每个暗斑的实际尺寸S＝Ps,其中，P为每单位像素尺寸对应的实际大小，s为暗斑的像素数目；
步骤4：根据每个区域的暗斑数量和每个暗斑的S值大小，对比镜片缺陷标准，评估镜片缺陷情况。
所述的干涉图由待测光学镜片的检测装置采集，检测装置中分光镜透射的准直光束经待测球面镜的后表面部分反射，透射光经第一平面反射镜表面反射，经过待测球面镜形成测试光，使得采集到的干涉图中包含待测球面镜的表面和内部缺陷信息。
有益效果：本发明避免了对干涉图的多次采集与繁琐的调试过程，且单幅干涉图中含有待测镜片曲率半径的波前信息和缺陷信息，通过分步求解，提高了曲率半径测量精度，同时，也能得到待测镜片的缺陷信息，实现了对待测镜片的高精度、高效率、高稳定性和成本低的检测。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明待测光学镜片的检测装置；
图3为缺陷检测分区图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明的流程包括：(1)初始曲率半径求解：根据采集的干涉图T(x,y)的暗环直径，求得初始曲率半径R0；(2)曲线拟合：以R0仿真牛顿环T0(x,y)，将T(x,y)和T0(x,y)二阶极坐标变换后消除常数项，再叠加形成莫尔条纹，对莫尔条纹进行曲线拟合，得到待测镜片新的曲率半径R1；(3)移相求波前：对R1仿真的干涉图进行4步移相，得到4幅干涉图，分别与T(x,y)叠加，由4幅莫尔条纹得到波前差数据，进一步根据波前差分法求得待测镜片的高精确曲率半径R2；(4)缺陷提取：利用R2去掉采集的干涉图T(x,y)中由曲率半径解得的波前数据，即可得到待测镜片的缺陷数据，经二值化处理，便可评估待测镜片的缺陷情况。
具体过程如下：
(1)初始曲率半径求解
如图2所示，本发明待测光学镜片的检测装置包括氦氖激光器1、空间滤波器2、准直系统3、分束镜4、待测球面镜5、第一平面反射镜6、第二平面反射镜7、成像系统8、CCD探测器9，其中，氦氖激光器1、空间滤波器2、准直系统3、分束镜4、待测球面镜5、第一平面反射镜6共光轴依次设置,第二平面反射镜7、成像系统8和CCD探测器9共光轴设置在分束镜4的反射光路上，所有光学元件相对于基底同轴等高。由氦氖激光器1发出一束相干光，通过空间滤波器2滤波，入射至准直系统3形成准直光束，经分光镜4分为透射光和反射光，透射的准直光束经待测球面镜5的后表面部分反射，其余透射光经第一平面反射镜6表面反射经过待测球面镜5形成测试光；分束镜4的反射光经第二平面反射镜7表面反射后，形成标准光；标准光和测试光经分束镜4进入成像系统8，并在CCD探测器9靶面上成像，CCD探测器9靶面上记录的图像灰度信息即为含有待测球面镜5曲率半径的波前信息和缺陷信息的牛顿环干涉图T(x,y)。
将采集到的待测光学镜片的牛顿环干涉图T(x,y)导入计算机内，从干涉图中提取5～10组暗环数据，经像素标定后，计算得m级暗环实际直径Dm和n级暗环实际直径Dn，已知激光波长λ，可以推导出待测光学镜片的初始曲率半径求解表达式：
根据5～10组数据求得5～10个R，取其平均值作为待测镜片的初始曲率半径R0。
(2)曲线拟合
步骤1：根据步骤(1)得到的初始曲率半径R0仿真出虚拟牛顿环T0(x,y)，经二阶极坐标变换将T0(x,y)和T(x,y)变成线载频T0(ρ,θ)和T(ρ,θ)，去干涉图常数项后，分别得到T’0(ρ,θ)和T’(ρ,θ)，再将T’0(ρ,θ)与T’(ρ,θ)叠加成莫尔条纹S(ρ,θ)，其相关表达式如下：
采集的牛顿环干涉图表达式：T(ρ,θ)＝a(ρ,θ)+b(ρ,θ)·cos(2πfρ)，其中a(ρ,θ)和b(ρ,θ)分别为T(x,y)在二阶极坐标下的背景光强和条纹对比度，f＝1/(R·λ)，ρ＝x2+y2，式中，f为待求变量，ρ为牛顿环在直角坐标下任意点坐标为(x,y)与牛顿环中心(0,0)的距离；
去常数项后的干涉图表达式：其中，Tmin和Tmax分别为T(ρ,θ)的最小值和最大值；
仿真的牛顿环干涉图表达式：T0(ρ,θ)＝a0(ρ,θ)+b0(ρ,θ)·cos(2πf0ρ)，其中a0(ρ,θ)和b0(ρ,θ)分别为T0(x,y)在二阶极坐标下的背景光强和条纹对比度，f0＝1/(R0·λ)，ρ＝x2+y2；
去常数项后的干涉图表达式：其中，T0(min)和T0(max)分别为T0(ρ,θ)的最小值和最大值；
去常数项后叠加的莫尔条纹表达式：S(ρ,θ)＝T’(ρ,θ)·T’0(ρ,θ)＝cos(2πfρ)·cos(2πf0ρ)。
步骤2：根据S(ρ,θ)，分别取θ＝π/3、2π/3、π、4π/3和5π/3时对应的S(ρ,θ)的灰度值数据，并以函数来拟合每个θ对应的S(ρ,θ)，其中，f0为已知线载频系数，f为待求变量，a为未知常数；为了精确快速的拟合，以±5％的误差来确定一个f的范围，即0.95f0≤f≤1.05f0；而每个θ对应S(ρ,θ)的数据都会使得fθ拟合出一组f和a，由f＝1/(R·λ)，即可得到关于5个θ取值下的R值，取平均值，得到待测镜片新的曲率半径R1。
(3)移相求波前
步骤1：以R1仿真4幅具有四步移相的牛顿环干涉图，其表达式分别为：
其中：a1(x,y)为背景光强，b1(x,y)为条纹对比度，
步骤2：将上述T1(x,y)，T2(x,y)，T3(x,y)，T4(x,y)分别与T(x,y)叠加,得到4幅莫尔条纹，对4幅莫尔条纹进行低通滤波，得到含有波前差信息的表达式，如下：
利用四步移相方法求出波前差数据：
其中，s1(x,y)，s2(x,y)，s3(x,y)，s4(x,y)分别是T(x,y)与T1(x,y)，T(x,y)与T2(x,y)，T(x,y)与T3(x,y)，T(x,y)与T4(x,y)形成的莫尔条纹经低通滤波后得到含有波前差信息的表达式；
步骤3：由波前差w-w1与曲率半径R的关系式：
近似推导得到：
最终推导的曲率半径为：
步骤4：由曲率半径R随w-w1数据点变化的分布图，再用最小二乘法对R的数据进行平面拟合，得到待测镜片的高精度曲率半径R2。
(4)缺陷提取
如图3所示，本发明缺陷检测分区包括：边缘进去5mm的三区，边缘进去5mm到边缘进去15mm的第二区，以及中心部分的一区，具体缺陷检测为：
步骤1：进行像素标定，P＝D/L，其中D为待测镜片的实际直径，单位mm，L为采集干涉图的像素直径，P为每单位像素尺寸对应的实际大小；
步骤2：利用第三步移相求波前中得到的R2，去除T(x,y)中含曲率半径R2的球面信息，得到待测镜片中关于缺陷的数据，观察二值化处理后的图像，若无缺陷，应是均匀亮度的圆，若有缺陷，则会有形状不一的暗斑，进一步观察一区、二区、三区的暗斑大小，获得暗斑(缺陷)的像素数目s；
步骤3：计算每个暗斑的实际尺寸S＝Ps,其中，P为每单位像素尺寸对应的实际大小，s为暗斑的像素数目；
步骤4：根据一区、二区、三区每个区域的暗斑数量和每个暗斑的S值大小，对比镜片缺陷标准，即可评估镜片缺陷情况。