專利名稱：光學鏡片非球面的表面形狀誤差測試裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種光學鏡片和測量顯微鏡，尤其是涉及一種采用工業顯微鏡對光學鏡片的非球面的表面形狀誤差測量的裝置以及快速高精度的非接觸式測量方法。
背景技術：
傳統的光學鏡片非球面表面形狀測試方法分為接觸式和非接觸式兩類。采用接觸式測量的測量裝置測量鏡片子午面的曲線輪廓，這類測量裝置有三坐標測量儀、輪廓儀等，其主要缺點是測量不方便，數據處理不專業，效率低，測量精度不高，且易造成被測量光學零件的表面損傷。采用非接觸式測量的方法主要有輪廓投影法、刀口儀測量法、干涉法等(參考文獻光學非球面檢驗[蘇]Д.T.普里亞耶夫(著)；光學車間檢驗[墨]D·馬拉卡拉(著)；光學零件加工技術蔡立 田守信(著))。輪廓投影法測量也存在測量精度不高，測量不方便的問題。刀口儀測量以及干涉法測量有較高的精度，但調試困難，不便于生產在線檢驗。
發明內容
本發明針對已有的光學鏡片非球面表面形狀測量方法中存在的精度低、測量不方便和難以生產在線檢測等不足，提供一種通過光學成像設備對工件正投影輪廓成像，通過光電耦合裝置獲得工件的正投影輪廓圖像的圖片，通過數學建模的手段來獲得工件的表面曲線形狀，以及表面形狀與設計曲線的偏差的光學鏡片非球面的表面形狀誤差測試裝置及方法。
為此，本發明的技術方案是采用一種非接觸式測量方法，通過這種方法校正可以達到很好的測量精度，同時具有不損傷被測量工件、測量效率高、適用于生產在線檢查的優點，測量報告能直觀地反映出被測量工件的加工各部位的面型誤差。
本發明所說的光學鏡片非球面的表面形狀誤差測試裝置設有用于對工件正投影輪廓成像的光學成像裝置，被測量工件安裝于光學成像裝置的工件安裝基座上；用于獲得工件正投影輪廓圖像的圖片的光電成像設備，光電成像設備固定在光學成像裝置上；用于將工件正投影輪廓圖像圖片進行數據處理的單片機或PC機或計算機，單片機或PC機或計算機的圖像數據輸入端口通過計算機接口接光電成像設備的圖像數據輸出端口；用于獲得工件表面曲線形狀以及表面形狀與設計曲線偏差的數學模型的測量軟件數據庫，測量軟件數據庫與用于將工件正投影輪廓圖像圖片進行數據處理的單片機或PC機或計算機連接。
本發明所說的光學鏡片非球面的表面形狀誤差測試方法包括以下步驟1)用于將工件正投影輪廓成像的步驟；2)用于將工件正投影輪廓圖像耦合到光電成像設備上的步驟；3)用于將工件正投影輪廓圖像數據傳輸到單片機或PC機或計算機的步驟；4)用于對工件正投影輪廓圖像進行數據處理的步驟，所說的數據處理包括對工件正投影輪廓成像顯示在單片機或PC機或計算機顯示器上的步驟；通過對顯示器上顯示的工件圖像輪廓取點并擬合為非球面曲線的步驟；將擬合后的非球面曲線與工件設計曲線比對并獲得工件曲線的加工誤差的步驟。
所說的光學成像裝置設有光源、物鏡、目視觀察系統、顯微鏡調焦機構、工件安裝基座和鏡架；光源設于鏡架的底座上，物鏡設于目視觀察系統內，目視觀察系統與顯微鏡調焦機構連接，顯微鏡調焦機構設于鏡架上，工件安裝基座設于鏡架的底座上。
光電成像設備設于光學成像裝置的物鏡和目視觀察系統上，光電成像設備的攝像物鏡安裝在目視觀察裝置內。
在工件安裝基座與顯微鏡架體的底座之間最好設有光學編碼移動測量工作臺，工件安裝基座設于光學編碼移動測量工作臺上，光學編碼移動測量工作臺可用于測量與檢驗，一般電子零件生產線的檢驗，厚膜晶片，機械加工及模具，印刷電路板，電子工業測量，在線檢測，精密工業量測等。
通常，光學編碼移動測量工作臺設有主機、照明及成象光路、系統CCD攝像頭、圖像采集卡、數碼圖像測量軟件和計算機六大部分。
所說的數學模型為基于平移和旋轉坐標系進行圖像變換的數學模型，圖像變換是指從CCD圖像坐標系上映射到標準非球面物鏡公式的變換，并整理和模擬出映射變換所形成的函數關系和模型，根據這個函數關系和模型，可計算出非球面物鏡在任何視場圖像成像和任何非球面物鏡圖像點的實際空間位置。本發明提供的快速非球面物鏡球面表面測量方法，通過測量軟件與合理的硬件相結合，使其測量不僅速度快，而且通過數學建模的方法，能得到比較高的測量精度。
本發明推出了一種基于數字成像旋轉和數學建模的手段來進行非球面透鏡的加工誤差測量，它有效地克服了傳統方法的缺陷，測量系統安裝人員不需要耗費大量的精力去完成逐點測量，而且從數學理論上證明了它是幾乎完美的一種方法，可達到很高的測量精度。被測量工件有軸旋轉對稱的特性。
圖1為本發明的光學成像裝置結構示意圖。
圖2為本發明采用光學編碼移動測量工作臺的光學成像裝置結構示意圖。
圖3為非球面物鏡曲線圖。
圖4為根據非球面物鏡曲線圖形和數據算出的每一點和標準點的誤差曲線圖。
圖5為經加工修正后重新測試的誤差曲線圖。
具體實施例方式
光學鏡片非球面的表面形狀誤差測試裝置設有用于對工件正投影輪廓成像的光學成像裝置、用于獲得工件正投影輪廓圖像的圖片的光電成像設備、用于將工件正投影輪廓圖像圖片進行數據處理的PC機和用于獲得工件表面曲線形狀以及表面形狀與設計曲線偏差的數學模型的測量軟件數據庫。如圖1所示，光學成像裝置設有光源1、物鏡4、目視觀察系統5、光電成像設備6、顯微鏡調焦機構7、工件安裝基座8和鏡架9；光源1設于鏡架9的底座上，物鏡4設于目視觀察系統5內，光電成像設備6設于目視觀察系統5上，顯微鏡調焦機構7設于鏡架9上，工件安裝基座8設于鏡架9的底座上。被測量工件3安裝于光學成像裝置的工件安裝基座8上。
用于將工件正投影輪廓圖像圖片進行數據處理的PC機的圖像數據輸入端口通過計算機接口接光電成像設備的圖像數據輸出端口；用于獲得工件表面曲線形狀以及表面形狀與設計曲線偏差的數學模型的測量軟件數據庫與用于將工件正投影輪廓圖像圖片進行數據處理的PC機連接。
所說的數學模型為y＝a×2+b×4+c×6其中，a，b，c為常數，該公式是以y的峰值(最大或最小)為原點，與該原點的切線為x軸，其垂線為y軸。然而在實際成像過程中，曲線圖像有可能是任意位置，因此必須將物鏡曲面所在的坐標系轉換成標準坐標系。為此引進三個變換參數X，Y，θ(平移和旋轉)，上述公式成為考慮平移因素Y-Y0＝α(X-X0)2+b(X-X0)4+c(Y-Y0)6考慮旋轉因素y＝Y-Y0x＝X-X0X′＝x.cos(θ)+y.sin(θ)Y′＝-x.sin(θ)+y.cos(θ)式中，X0，Y0為圖象坐標系的原點坐標，X，Y為圖像坐標系的曲線點坐標，x，y為平移坐標系坐標。
θ為旋轉角度，X′，Y′為圖像坐標系到標準坐標系的坐標。
在這一坐標系的轉換中X0，Y0，θ為未知，必須通過一系列已知曲線點坐標進行估計，一旦X0，Y0，θ求出，則有曲線與標準曲線方程y＝ax2+bx4+cx6的誤差就可容易得到了。
由于坐標系變換方程為非線性方程，因而X0，Y0，θ的估計可以通過Taylor多項式簡化成一階性方程，求解F(x，y，θ)＝0，Taylor展開取一階方程F(x0,y0,θ0)+∂F(x,y,θ)∂xdx+∂F(x,y,θ)∂ydy+∂F(x,y,θ)∂θdθ=0]]>其中F(X0，Y0，θ0)是F(X，Y，θ)在(X0，Y0，θ0)時值。 分別是X，Y，θ的一階導數，dx，dy，dθ是微分因子。如果有N個曲線點坐標，令FX=∂F(x,y,θ)∂x]]>FY=∂F(x,y,θ)∂y]]>Fθ=∂(x,y,θ)∂θ]]>上述方程可表達為PA＝(A′WA)-1ATWx其中PA=xyθ]]>W是一個加數矩陣。通常作為差矩陣來表達。
W=qq10......θ0.......qqn]]>在對光學鏡片非球面的表面形狀誤差進行測試時，可采用以下步驟將被測工件正投影輪廓成像，工件正投影輪廓圖像耦合到光電成像設備上，將工件正投影輪廓圖像數據傳輸到PC機，對工件正投影輪廓圖像進行數據處理。數據處理包括對工件正投影輪廓成像顯示在PC機顯示器上，通過對顯示器上顯示的工件圖像輪廓取點，并擬合為非球面曲線的步驟，將擬合后的非球面曲線與工件設計曲線比對并獲得工件曲線的加工誤差。
操作時，首先采集工件非球面物鏡成像曲面的邊界點，進行數學擬合非球面物鏡成像曲線的數學模型，并根據此數學模型得非球面物鏡成像曲線在理想坐標系的坐標值，再畫出非球面物鏡成像曲線圖形(參見圖3)。
根據非球面物鏡成像曲線圖形和其對應的圖像輪廓取點數據，算出每一點和標準點的誤差(參見圖4)。根據這一誤差圖，可指導加工修正，圖5給出經加工修正后重新測試的結果。
光學成像裝置中的物鏡可根據測試精度要求，可選擇不同倍率的物鏡，對于精度要求較高的工件測試，可使用光學編碼移動測量工作臺2，參見圖2(在圖2中，其它標記與圖1相同)。
本發明的測試裝置通過對工件的輪廓成像在PC顯示器上顯示，通過顯示器上顯示的工件圖像輪廓取點，擬合為非球面曲線，再進行與工件設計曲線的比對，獲得工件曲線的加工誤差。測試精度主要取決于對圖像輪廓擬合的曲線精度，曲線擬合精度受物鏡放大倍率、光學編碼器讀數精度影響。而物鏡成像放大倍率的誤差、物鏡畸變、調焦精度等通過軟件的測量基準標定的功能可以消除，不作考慮。
物鏡放大倍率影響曲線擬合的精度，其精度表達式為ΔL=±Yc10A]]>其中A為成像裝置物鏡放大倍率，A＝物鏡放大倍率×攝像物鏡放大倍率；Yc為光電成像設備的象素寬度。
以下給出其操作流程。
以MOTIC工業測量系統Motic Quality Professional為基礎實現的，現對該系統操作流程作一描述。
通過CCD讀入視頻流成像或導入圖像文件至工作區(視頻窗口)，運用各種采集元素工具采集需要的幾何元素(點、線、圓等)，然后可以通過系統提供的各種構造幾何元素的方法(圓、直線、弧、橢圓擬合)形成新的幾何元素，通過分析元素關系來得到測量的結果。或者通過對測量目標進行形態分析得到測量數據。
用該方法應用在工業顯微鏡光柵數碼圖象測量系統能夠滿足較高測量精度要求。用此方法在我們系統軟件中通過子象素定位測量精度為1um/pixel.
通過采用該方法定標我們進行了各種元素(包括基本元素和關系元素)采集方式并擬合出不同元素，且進行了各元素之間的組合關系測量、形位公差處理和螺紋有關測量及模板測量等一、采集方式a.點采集用鼠標對工件圖像的輪廓邊界點擊，采集到輪廓點的機器坐標；
b.框選線用鼠標在工件圖像的輪廓附近拉框，系統將根據框選范圍搜索輪廓邊界并自動產生一條直線，表示標準直線方程(AX+BY+C＝0)的三個要素A、B、C，和直線的起點坐標和終點坐標；c.圓用鼠標沿工件圖像輪廓拉框，系統將根據框選范圍產生一個圓，并同時產生圓的圓心坐標、半徑。如果圖像幾何輪廓不是圓，采集將失敗；d.矩形框選點組用鼠標在工件圖像輪廓附近拉框，系統將自動搜索邊界并在矩形框范圍內等距離采集一系列點；e.弧形框選點組用鼠標在工件圖像輪廓附近拉框，系統將自動搜索邊界并在弧形框范圍內等距離采集一系列點。
二、元素關系組合測量1、點與點測量兩點間的關系，測量結果為兩點間的距離(包括水平和垂直方向的投影)，和兩點的中點坐標。
a.基本元素點、圓(取圓心坐標)、橢圓(取橢圓心坐標)；b.關系元素點與線(取點到線的垂足)、兩線相交(取交點坐標)。
2、點與線測量點與線間的關系，測量結果為點到線的距離(包括水平和垂直方向的投影)，和點到線的垂足坐標。
a.基本元素點、圓(取圓心坐標)、橢圓(取橢圓心坐標)；b.關系元素點與線(取點到線的垂足)、兩線相交(取交點坐標)。
3、兩線求中求兩線的中線，測量結果為中線的直線方程，起點和終點的坐標。
a.基本元素直線；b.關系元素兩線求中(取中線直線方程)。
4、兩線求交求兩線的交點和夾角，測量結果為交點的坐標和夾角。
a.基本元素直線；b.關系元素兩線求中(取中線直線方程)。
5、線與圓測量線與圓間的關系，測量結果分為三種情況線與圓相切求出圓心到直線的距離(包括水平和垂直方向的投影)，以及切點坐標。
線與圓相交求出圓心到直線的距離(包括水平和垂直方向的投影)，以及兩交點坐標。
線與圓相離求出圓心到直線的距離(包括水平和垂直方向的投影)。
a.基本元素線、圓；b.關系元素兩線求中(取中線直線方程)。
6、圓-圓測量圓與圓間的關系，測量結果分為四種情況兩圓相切求出兩圓的距離(包括水平和垂直方向的投影)，以及切點坐標。
兩圓相交求出兩圓的距離(包括水平和垂直方向的投影)，以及兩交點坐標。
兩圓相離(外理)求出兩圓的距離(包括水平和垂直方向的投影)。
兩圓內含求出兩圓的距離(包括水平和垂直方向的投影)。
內含包括同心圓兩圓間的距離為零。
a.基本元素圓。
b.關系元素無。
7、線間距求兩線的距離，測量結果為兩線間距離(包括水平和垂直方向的投影)。分為“兩線求中”和“兩線求交”兩種功能前者的執行結果給出兩直線之中線；后者給出交點坐標、兩直線之夾角。
a.基本元素直線；b.關系元素兩線求中(取中線直線方程)。
三、形位公差包括圓度、橢圓輪廓度、直線度、圓弧圓度、位置度、同軸度、對稱度。
圓度和圓弧圓度統計圓或圓弧構造元素到圓心的距離。標注最大、最小誤差值，以此為半徑繪制出同心圓，來比較誤差圖形。
2、直線度統計構成直線元素的直線度，直線度就是各構造元素到標準直線的距離。(標準直線的數學模型可用直線擬合的算法求出來，其實在直線擬合求法的過程中各元素的直線度就可以得到了)。
3、橢圓輪廓度統計橢圓構造元素到標準橢圓的法向距離。(標準橢圓利用最小二乘法擬合時即可計算出各構造元素的橢圓度)。
4、軸度基準軸上采點建立中線(在基準軸的上、下邊各采2個點，可決定兩條直線，可以據此描述出基準軸的中線)，在被測軸上邊采2個點，然后在被測軸的下邊采對應2個點(算法應該能夠自動將上邊點與下邊點對齊為同一列像素)，然后求取被測軸所采點的中點，計算兩個中點到基準軸中線的距離，分別用D1、D2來表示。
將被測軸旋轉90度，用同樣的方法在上、下邊各采2個點(注意此時采點算法中應能夠自動描繪出上、下邊所采點與旋轉前所采點的對應關系，它們應該是在軸的同一橫截面上)，求出中點，并算出中點到基準軸中線的距離，分別用D3、D4來表示。
利用公式t1＝sqrt(D1*D1+D3*D3)；t2＝sqrt(D2*D2+D4*D4)算出t1、t2，并取較大值乘2作為測量結果。
5、對稱度二維對稱度可分為“點對線”、“線對點”、“線對線”三種情況。測量方式為首先選擇基準要素和被測要素，確認后，軟件應能夠根據所選要素自動判別并自動選擇所需的數學模型。
a.點對線2條線為基準要素，一個點為被測要素。方法為首先求兩條線之中線，然后求出被測點到中線的距離乘以2，為點對線對稱度測量結果。
b.線對點一個點為基準要素，兩條線為被測要素。
首先求被測兩線的中線，求基準點到此中線的距離乘以2，即為線對點的對稱度。
c.線對線兩條線為基準要素，另兩條線為被測要素。
首先求基準兩線中線為基準線，然后求被測兩線兩個端點的中點。求此兩點到基準線的距離，取最大值乘以2，即為線對線的對稱度。
6.位置度位置度的算法為首先確定坐標系(直角坐標系確定方式為兩點確定直線方式建立X和Y軸，極坐標系確定方式為確立極點和極軸，極點是位置度基準圓的圓心，極軸是第一個被測要素與極點的連線).然后分為″直角坐標位置度″和″極坐標位置度″。
直角坐標位置度求取各元素的坐標位置(coodinateX，coodinateY)。
極坐標位置度求取各元素的極坐標(極角和極半徑)。
四、螺紋有關測量根據數學模型可測量出螺孔截面的左右半角、中徑、螺距值。
1 測量半角測量半角的采點方式為在螺紋橫截面圖像的中心兩側依次各采4個點，具體的形成效果是在中心兩側點擊鼠標一次采兩個點，此兩點具有相同的列像素坐標，此兩點的連線應與螺紋橫截面中心線垂直。
然后根據數學模型計算出螺紋半角。
2 測量螺距測量螺距的采點方式為在螺紋橫截面圖像上采集多個分析點，具體形成效果是在螺紋橫截面的任一螺紋槽內點擊鼠標一次采兩個點，此兩點連線應與螺紋中心線平行，通過第一采集元素確定行像素值，依次采集元素均應具有相同的行像素值。
然后根據數學模型計算出螺距。
五、測量模板模板測量用于快速測量，測量還可根據用戶自定義或利用AUTOCAD自制任意形狀的模板以形成新的測量模板。
基本類型包括十字線、雙套線、標準角、標準圓、DXF文件模板。
十字線可用來顯示圖像上任一點的像素坐標值。
圓模板根據提示您輸入半徑值，提供兩種選擇，如果選擇“真實值”，半徑值以微米為單位計算；如果選擇“像素值”，半徑值以像素為單位計算。選擇公差帶，輸入一個半徑公差，將繪制出3個同心圓(以輸入值為半徑的標準圓、以輸入半徑的公差值為正、負偏移量的兩個圓)，否則系統僅繪制一個圓。可以通過拖動句柄手動調節圓模板，并可拖動圓模板至任一位置。
角模板根據提示您輸入角度值，出現一個按輸入角度值繪制的角模板可以拖動句柄任意調整角度值，并可移動至任意位置。
雙套線模板雙套線的線寬、位置和線距可以調整，用來測量物體的寬、高。
CAD的模板根據輸入需要的模板大小數值，導入一個DXF文件的模板。
權利要求
1.光學鏡片非球面的表面形狀誤差測試裝置，其特征在于設有用于對工件正投影輪廓成像的光學成像裝置，被測量工件安裝于光學成像裝置的工件安裝基座上；用于獲得工件正投影輪廓圖像的圖片的光電成像設備，光電成像設備固定在光學成像裝置上；用于將工件正投影輪廓圖像圖片進行數據處理的單片機或PC機或計算機，單片機或PC機或計算機的圖像數據輸入端口通過計算機接口接光電成像設備的圖像數據輸出端口；用于獲得工件表面曲線形狀以及表面形狀與設計曲線偏差的數學模型的測量軟件數據庫，測量軟件數據庫與用于將工件正投影輪廓圖像圖片進行數據處理的單片機或PC機或計算機連接。
2.如權利要求1所述的光學鏡片非球面的表面形狀誤差測試裝置，其特征在于所說的光學成像裝置設有光源、物鏡、目視觀察系統、顯微鏡調焦機構、工件安裝基座和鏡架；光源設于鏡架的底座上，物鏡設于目視觀察系統內，目視觀察系統與顯微鏡調焦機構連接，顯微鏡調焦機構設于鏡架上，工件安裝基座設于鏡架的底座上。
3.如權利要求1和2所述的光學鏡片非球面的表面形狀誤差測試裝置，其特征在于光電成像設備設于光學成像裝置的物鏡和目視觀察系統上，光電成像設備的攝像物鏡安裝在目視觀察裝置內。
4.如權利要求1所述的光學鏡片非球面的表面形狀誤差測試裝置，其特征在于在工件安裝基座與顯微鏡架體的底座之間設有光學編碼移動測量工作臺，工件安裝基座設于光學編碼移動測量工作臺上。
5.如權利要求1所述的光學鏡片非球面的表面形狀誤差測試裝置，其特征在于光學編碼移動測量工作臺設有主機、照明及成象光路、系統CCD攝像頭、圖像采集卡、數碼圖像測量軟件和計算機六大部分。
6.如權利要求1所述的光學鏡片非球面的表面形狀誤差測試裝置，其特征在于所說的數學模型為基于平移和旋轉坐標系進行圖像變換的數學模型，圖像變換是指從CCD圖像坐標系上映射到標準非球面物鏡公式的變換，并整理和模擬出映射變換所形成的函數關系和模型，根據這個函數關系和模型，計算出非球面物鏡在任何視場圖像成像和任何非球面物鏡圖像點的實際空間位置。
7.如權利要求1或7所述的光學鏡片非球面的表面形狀誤差測試裝置，其特征在于所說的數學模型為y＝ax2+bx4+cx6，其中，a，b，c為常數，以y的峰值為原點，與該原點的切線為x軸，其垂線為y軸。
8.光學鏡片非球面的表面形狀誤差測試方法，其特征在于包括以下步驟1)用于將工件正投影輪廓成像的步驟；2)用于將工件正投影輪廓圖像耦合到光電成像設備上的步驟；3)用于將工件正投影輪廓圖像數據傳輸到單片機或PC機或計算機的步驟；4)用于對工件正投影輪廓圖像進行數據處理的步驟。
9.如權利要求8所述的光學鏡片非球面的表面形狀誤差測試方法，其特征在于所說的數據處理包括對工件正投影輪廓成像顯示在單片機或PC機或計算機顯示器上的步驟；通過對顯示器上顯示的工件圖像輪廓取點并擬合為非球面曲線的步驟；將擬合后的非球面曲線與工件設計曲線比對并獲得工件曲線的加工誤差的步驟。
全文摘要
光學鏡片非球面的表面形狀誤差測試裝置及方法，涉及一種光學鏡片和測量顯微鏡，提供一種通過光學成像設備對工件正投影輪廓成像，通過光電耦合裝置獲得工件的正投影輪廓圖像的圖片，通過數學建模的手段來獲得工件的表面曲線形狀，以及表面形狀與設計曲線的偏差的光學鏡片非球面的表面形狀誤差測試裝置及方法。設有用于對工件正投影輪廓成像的光學成像裝置，被測量工件安裝于光學成像裝置的工件安裝基座上；光電成像設備固定在光學成像裝置上；PC機的圖像數據輸入端口通過接口接光電成像設備的圖像數據輸出端口；用于獲得工件表面曲線形狀以及表面形狀與設計曲線偏差的數學模型的測量軟件數據庫，測量軟件數據庫PC機連接。
文檔編號G01B11/03GK1884967SQ200510081629
公開日2006年12月27日 申請日期2005年6月23日 優先權日2005年6月23日
發明者楊澤聲 申請人:麥克奧迪實業集團有限公司