非球面面形检测装置和方法
专利汇可以提供非球面面形检测装置和方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 是一种非球面面形检测装置和方法，其装置包括有光学投影系统、精密旋转台、成像系统和计算机处理系统。光学投影系统与成像系统相对而置，光路连接，被测非球面零件置于其中，成像系统采用高 分辨率 的面阵CCD相机，获取数字化的图像信息，经 图像采集 卡传输到计算机处理系统上。基于以上装置采用投影法进行图像的采集，经计算机处理系统的计算后获得被测非球面的面形数据。本发明还通过精密旋转台逐次地旋转一个固定的 角 度，并分别进行 数据采集 ，依次获得多幅图像数据，然后经 图像处理 、图像拼接和数据拟合 算法 ，得到被测非球面的面形数据。本发明对光学系统和环境的要求较低，结构简单，而且 数据处理 快，便于实时在线检测。，下面是非球面面形检测装置和方法专利的具体信息内容。
1.一种非球面面形检测方法，是在非球面面形检测装置上实现，该非球面面形检测装置包括有成像系统(4)和计算机处理系统(5)，还包括有光学投影系统(1)和精密旋转台(2)，被测非球面零件(3)置于精密旋转台(2)之上，光学投影系统(1)与成像系统(4)相对而置，并光路连接，光学投影系统(1)与成像系统(4)另行固定，不随精密旋转台(2)的转动而转动，被测非球面零件(3)置于光学投影系统(1)和成像系统(4)之间，数据采集卡就装在计算机的PCI扩展槽上，由数据电缆线相互连接，计算机处理系统(5)与成像系统(4)通过数据采集卡连接，计算机处理系统(5)还与精密旋转台(2)电信号连接，光学投影系统(1)包括一点光源和一套准直系统；精密旋转台(2)是带有精密二维水平调节和分级旋转精度的旋转台；成像系统(4)采用高分辨率的面阵CCD相机，获取数字化的图像信息，经图像采集卡传输到计算机处理系统(5)上，其特征在于：利用精密旋转台带动置于其上的被测件非球面零件转动并逐个记录和采集被测件的轮廓图像数据，通过计算获得该被测非球面零件的拟合曲线数据并进一步获得被测非球面的面形数据，具体的检测步骤包括有：
(一).将光学投影系统(1)、被测非球面零件(3)和成像系统(4)调整到同一轴线上；
(二).成像系统(4)与计算机处理系统(5)上的图像采集卡用数据线相连；
(三).调整精密旋转台(2)使其处于水平位置，并将被测非球面零件置于精密旋转台上，调整光学投影系统(1)产生平行光；
(四).光学投影系统(1)产生的平行光照明放置在精密旋转台(2)上的被测非球面零件(3)，平行光的光束直径大于被测非球面零件(3)的口径；
(五).用成像系统(4)对投影图像成像，由图像采集卡采集并保存到计算机处理系统(5)上，通过图像滤波、边缘检测、边缘校正、被测非球面零件(3)的轴倾斜矫正和拟合算法，获得该被测非球面零件的拟合曲线数据；
(六).由计算机控制精密旋转台(2)逐次地旋转一个固定的角度，此角度根据被测件可在0-15度的范围内选定，并分别进行步骤(五)，依次获得所采集的多幅图像数据，然后经图像处理、图像拼接和数据拟合算法，得到被测非球面的面形数据，多幅图像数据采集时，精密旋转台(2)每次旋转的角度越小，面形检测的精度就越高。
技术领域
本发明属于光学制造与检测技术领域，主要涉及一种非球面面形检测的装置和方法，尤其是涉及一种用光学投影系统进行非球面面形检测的装置和方法，具体就是非球面面形检测装置和方法。
背景技术
发明人曾就本主题以非球面测量(检测)和投影为关键词，在中国专利文献库、中国期刊全文数据库、中国优秀博硕士学位全文数据库(CDMD)、万方中国科技成果数据库(CSTAD)、中国发明专利数据库(ZL)、中国科技论文统计分析数据库(CSTPC)、中国科技论文引文分析数据库(CSTPI)、中国科研机构数据库(CSI)、中国科技信息机构数据库(CSTII)、世界专利数据库、美国专利数据库、美国工程索引EI对本题进行了检索，均没有检索到类似装置结构和检测方法的相关文献。也未发现与本发明密切相关和一样的报道或文献。
发明内容
下面对本发明进行详细说明
本发明的实现在于：作为非球面面形检测装置，包括有成像系统和计算机处理系统，本发明还包括有光学投影系统和精密旋转台，被测非球面零件置于精密旋转台之上，光学投影系统与成像系统相对而置，并光路连接，光学投影系统与成像系统均通过一个具有高度调整和底座调整的独立架固定，不随精密旋转台的转动而转动，被测非球面零件置于光学投影系统和成像系统之间，计算机处理系统与成像系统通过数据采集卡连接，计算机处理系统还与精密旋转台电信号连接，精密旋转台是带有精密二维水平调节和分级旋转精度的旋转台；光学投影系统包括一种点光源和一套准直系统；成像系统采用高分辨率的面阵CCD相机，获取数字化的图像信息，经图像采集卡传输到计算机处理系统上。
本发明将点光源经扩束准直后的平行光作为照明光源；将平行照明光经被测非球面后的投影轮廓图用高分辨率的面阵CCD相机拍摄并由图像采集卡传输到计算机上；辅以专用的控制软件，对精密旋转台进行旋转控制，获得多幅被测非球面的投影轮廓图，经计算机进行处理后，直接获得并显示被测非球面零件的参数。同时本发明还克服了传统的干涉法检测非球面所存在的诸多问题：如测量系统结构复杂、数据处理算法复杂、测量易受环境震动和空气扰动等影响，也就是说采用干涉法要求被测光束与参考光束完全重合，才能得到很好的干涉条纹，这使得调节是非常复杂的，而且本装置需要在无空气流动和灰尘影响的隔震工作台上才能正常工作也因此工业上对于光学非球面面形的检测不能普及和广泛应用。而本发明的装置结构简单，只需要一束照明光即可，无需两束光的重合度调节，易于快速调节，同时，本发明的装置只需在普通的实验台上就可以正常工作，实现非球面面形的实时检测，简单而易行，便于工业化应用，便于推广，本发明还具有成本低、易于工业化实施应用、数据处理速度快等优点。
由于非球面光学元件的诸多优点，近几年来非球面零件的应用十分广泛，许多企业为了保证产品的质量需要对非球面零件的面形进行检测，而进口的一套干涉法非球面面形检测仪超过100万人民币，国内的非球面面形检测装置还没有应用在实际生产中；而本装置只需几万就可以实现中低精度的非球面面形检测，易于工业化应用的实现。另外，干涉法检测非球面面形的算法需要对整个采集图像的干涉区域进行处理，属于面处理，处理的数据量非常大；而本发明只需将投影图像进行边缘检测后，对检测线进行处理即可得到非球面的面形信息，属于线处理，因此本发明的数据处理量大大减小，处理速度快，易于实现中低精度的在线检测。
作为非球面面形检测方法，本发明的实现在于：采用上述的非球面面形检测装置，具体的检测步骤包括有：
(一).将光学投影系统1、被测非球面零件和成像系统调整到同一轴线上；
(二).成像系统与计算机处理系统上的图像采集卡用数据线相连；
(三).调整精密旋转台使其处于水平位置，并将被测非球面零件置于精密旋转台上，调整光学投影系统1产生平行光；
(四).光学投影系统产生的平行光照明放置在精密旋转台上的被测非球面零件(3)，平行光的光束直径大于被测非球面零件3的口径；
(五).用成像系统对投影图像成像，由图像采集卡采集并保存到计算机处理系统上，通过图像滤波、边缘检测、边缘校正、被测非球面零件3的轴倾斜矫正和拟合算法，获得该被测非球面光学零件的拟合曲线数据；
(六).由计算机控制精密旋转台逐次地旋转一个固定的角度，此角度根据被测件可在0-15度的范围内选定，并分别进行步骤(五)，依次获得所采集的多幅图像数据，采用图像处理、图像拼接和数据拟合算法，得到被测非球面的面形数据。
本发明采用投影法对非球面零件的面形进行检测，并利用精密旋转台带动置于其上的被测件转动并逐个记录和采集被测件的轮廓图像数据，通过计算获得该被测非球面光学零件的拟合曲线数据并进一步获得被测非球面的面形数据，不仅测量原理简单，处理算法易于实现，而且测量精度能够满足中、低等非球面的精度要求。随着CCD相机的分辨率的提高，本发明的测量精度也会随之相应得到提高。
由于本发明采用模块式的装置组成，用光学投影系统和成像系统搭配直接获取数字化的图像信息，利用计算机控制精密旋转台的旋转进行多视角，多方位的图像信息采集，同时针对不同类型的非球面采用不同的计算算法，有效地实现了投影法非球面面形检测的问题，也回避了采用干涉法所带来的对光学系统要求特别严，受环境的影响也很大，数据处理过程复杂，处理速度慢等问题。本发明提供了一种能在普通实验台上就可以正常工作，对光学系统要求精度不高，对环境的要求较低，结构简单、成本低、而且数据处理快，易于实时在线检测的投影法非球面面形检测装置和方法。
附图说明：
附图是本发明的组成示意图。
具体实施方式：
实施例1：如附图所示，本发明作为一种非球面面形检测装置，包括有光学投影系统1、精密旋转台2、成像系统4和计算机处理系统5，被测非球面零件3置于精密旋转台2之上，光学投影系统1与成像系统4相对而置，并光路连接，被测非球面零件3置于其间，光学投影系统1和成像系统4均通过一个具有高度可调整和底座可调整的独立支架固定。计算机处理系统5与成像系统4通过数据采集卡连接，数据采集卡就装在计算机的PCI扩展槽上，由数据电缆线相互连接。计算机处理系统5还与精密旋转台2电信号连接，精密旋转台2是带有精密二维水平调节和分级旋转精度的旋转台，并带有由计算机控制的电缆连接线。光学投影系统1由一点光源和一套准直系统构成，点光源为白光点光源。为了保证检测和质量和数据处理的兼容性，成像系统4采用高分辨率的面阵CCD相机进行拍摄，获取数字化的图像信息，经图像采集卡传输到计算机上，再由计算机控制精密旋转台2逐次旋转一定的角度，所转角度根据精度要求设定，如10度，依次采集多幅图像保存到计算机上，在用图像处理算法和拼接算法，得到被测非球面的面形数据。整个检测装置组成构件少而精，完成的作用却是工业上急需解决的光学非球面面形的实用和易行检测问题。
实施例2：参见附图，作为非球面面形的检测方法，采用本发明的非球面面形检测装置，具体检测步骤包括有：
(一).将光学投影系统1、被测非球面零件3和成像系统4调整到同一轴线上；
(二).成像系统4与计算机处理系统5上的图像采集卡用数据线相连；
(三).调整精密旋转台2使其处于水平位置，并将被测非球面零件置于精密旋转台2上，调整光学投影系统(1)产生平行光；
(四).光学投影系统1产生的平行光照明放置在精密旋转台2上的被测非球面零件(3)，平行光的光束直径大于被测非球面零件(3)的口径；
(五).用成像系统4对投影图像成像，由图像采集卡采集并保存到计算机处理系统5上，通过图像滤波、边缘检测、边缘校正、被测非球面零件3的轴倾斜矫正和拟合算法，获得该被测非球面光学零件的面形拟合曲线数据；
(六).由计算机控制精密旋转台2逐次地旋转10度，并分别进行步骤(五)，依次获得所采集的多幅图像数据，再采用图像处理、图像拼接和数据拟合算法，得到被测非球面的面形数据。此处控制精密旋转台2的转动所获得的数据是为了获得更精确的面形检测。
本发明克服了传统的装调复杂、受环境影响大等缺点，具有实时、快速等优点，具有广阔的市场前景。
实施例3：检测装置和方法同实施例2，精密旋转台2不作旋转，也即控制精密旋转台2的转动角度为0度，对于轴对称被测非球面零件的检测来说，也已经可以获得该被测非球面光学零件的拟合曲线数据，它可以代表轴对称被测非球面零件的面形数据。
实施例4：具体装置和方法同实施例2，控制精密旋转台2的转动角度为5度，其步骤(六)也是由计算机控制精密旋转台2逐次地旋转5度，并分别进行步骤(五)，依次获得所采集的多幅图像数据，采用图像处理、图像拼接和数据拟合算法，得到被测非球面的面形数据，也即非轴对称被测非球面零件的面形数据。应该说多幅图像数据采集时，精密旋转台2每次旋转的角度越小，检测的精度就越高。
实施例5：具体装置和方法同实施例2，不同之处是控制精密旋转台2的转动角度为15度，进而进行多幅图像数据采集、计算和面形拟合，获得二维的面形数据。
实施例6：具体装置和方法同实施例2，不同之处是控制精密旋转台2的转动角度为8度，进而进行多幅图像数据采集、计算和面形拟合，获得二维的面形数据。
本发明解决了长期以来工业上没有结构简单，检测简便的光学非球面面形的检测问题，提供了一种成本低，简单易行，可以实时检测非球面零件面形的投影法检测装置和方法。
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