非球面面型检测
小口径非球面检测的方法
第 ２ １卷 第 １期 ２０ ０ ６年 ２月
光 电 技 术 应 用
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Ｖｏｌ２１． ＿ Ｎｏ． １ Ｆｅ ｒ ｒ ２０ ｂ ｕａｙ． ０６
文 章 编 号 ： ６ ３—１ ５ （ ０ ６ ０ １７ ２ ５ ２ ０ ） １—０ ０ ０ ４—０ ３
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第 １期
朱 敏 等 ： Ｅ径 非 球 面 检 测 的 方 法 小 ｌ
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图 １ 用 辅 助 镜 面 检 验
图 ５ Ｄａｌ 偿 原 理 图 ｌ补
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图 ２ 不 用 辅助 镜 面 检 验
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的要求 越来 越 高 ， 过增 大孑 径提 高 系统 角 分辨 通 Ｌ
率 ， 而促 使光 学 系统往 大 口径 、 视场 发展 ． 从 大 而 大 口径 或 大视场 的光 学系 统其 像差较 难 校正 ， 通 过 使 用非 球 面 ， 以增 加校 正 像 差 的变 量 ， 利 可 并 用 非球 面 的特 有 几何 特 性 ， 够 校正 多 种像 差 ， 能 从 而 可使 系统 结 构简 单 、 像 的 像质 优 良． 为 成 但
曲 面 的 光 学 检 测 ， 足 了非 球 面 曲 面在 工程 中 的应 用 ． 满 关 键 词 ： 球 面 检测 ； 学 设 计 ： 非 光 光学 检 测
中 图 分 类 号 ：Ｂ ５ ．７ Ｔ ８ １０ 文 献标 识 码 ： Ａ
Ｔｅ ｔ Ｍ ｅ ｈ ｄ ｏ ｍ ａ ｌＡｐｅ ｔ ｒ ｐｈｅ ｉ ｕ ｆ ｃ ｓ ｔ ｏ ｆＳ ｌ ｒ ｕ ｅ Ａｓ ｒｃ Ｓ ｒ ａ ｅ
大口径非球面误差拼接检测方法综述
大口径非球面误差拼接检测方法1 前言非球面光学元件，是指面形由多项高次方程决定、面形上各点的半径均不相同的光学元件[1]。
非球面镜属于特殊表面,它具有许多独特的性质。
光学非球面元件相比球面而言，能提高光学系统的相对口径比，因此可简化结构，同时非球面能消除球面元件在光传递过程中产生的球差、慧差、像差、场曲等不利影响，减少光能损失，从而获得高质量的图像效果和高品质的光学特征[2]。
当前非球面广泛应用在航天航空、国防、天文、医疗以及光电等高技术领域，其中大口径光学非球面元件( 400 mm 以上) 在激光核聚变装置、高能激光、红外热成像、卫星用光学系统、大型天文望远镜、医疗影像设备等国家重大光学工程及国防尖端技术中需求急速增长，而中小型非球面更多应用于民用光电产品领域，作为信息传递的关键组件，在计算机、光通讯、手机、数码照相机以及视听设备等各种最新的电子产品中，起着极其重要的作用[3-5]。
随着超精密磨削加工技术的不断发展，光学元件正在向小型高精度化和大型高精度化方面快速发展[6-8]。
随着光学元件的设计与制造技术的发展与应用，对大尺寸光学元件的加工与检测提出了更高的要求，然而高精度非球面光学元件的加工与检测技术一直以来都是光学制造业的技术难点，尤其是大口径高精度非球面，其半精加工、精加工、抛光等各加工阶段的检测技术制约着加工精度和效率的提高[9]。
为满足大口径非球面的测量，国内外相继出现了一些中小口径非球面检测仪器测量大口径非球面的拼接检测方法，目前主要有子孔径拼接干涉法和基于三坐标测量的轮廓拼接技术。
这两种技术的测量原理都是将大口径非球面划分为若干个具有重合部分的轮廓段进行测量，由于重合部分的面形在非球面的测量过程中是没有发生变化的，因此可以利用轮廓段之间的重合部分，推导出两段轮廓的拼接变换矩阵，然后以其中一段轮廓坐标系作为基准，运用该变换矩阵将其他轮廓段的坐标系经过旋转、平移至与基准轮廓的坐标系重合，以实现拼接。
光学非球面的设计、加工与检验
光学非球面的设计、加工与检验光学非球面的设计、加工与检验是现代光学技术领域的重要内容。
非球面镜头是一种光学元件，其曲率半径不是球形，可以用于改变光路、调整成像质量和改善成像形态等方面。
在非球面镜头的设计过程中，需要充分考虑光线的折射和反射，
以及材料的折射率和色散等因素。
设计师需要采用先进的光学软件进
行模拟优化，不断调整镜片形状和参数，以达到最优光学效果。
加工非球面镜头是一个复杂而精密的过程。
需要采用高精度加工
设备和技术，以确保镜片的形状和表面质量。
在加工过程中需要考虑
到材料的特性，如可加工性、耐磨性和耐腐蚀性等，并进行合理的质
量控制。
镜片检验是保证光学精度的关键步骤。
可以采用光学检测设备进
行检验，如干涉仪、激光测量仪等。
通过检验，可以了解镜片表面的
误差和偏差，从而进行调整和改进，提高光学成像质量和精度。
总之，非球面镜头的设计、加工和检验是一个紧密相连的过程，
需要充分考虑光学原理和技术要求，并采用先进的设备和技术手段，
以确保光学元件的高质量和高性能。
非球面镜片的鉴别方法
非球面镜片的鉴别方法非球面镜片是一种在制造过程中通过对普通球面镜片进行加工，使其在特定方向上的曲率半径不等于在垂直方向上的曲率半径的镜片。
在实际应用中，非球面镜片广泛应用于光学仪器、眼镜、摄影镜头等领域。
鉴别非球面镜片的方法如下：1.观察光线反射：使用一束平行光线照射在非球面镜片上，观察光线的反射情况。
如果光线在镜片的表面上反射时发生了折射，即光线在不同方向上的角度不相等，则可以判断镜片为非球面镜片。
2.检查曲率半径：使用曲率半径检测仪或者显微镜等设备，对非球面镜片的曲率半径进行测量。
根据非球面镜片的制造过程，非球面镜片在特定方向上的曲率半径会与垂直方向上的曲率半径不同。
3.检查反射像差：反射像差是指光线经过非球面镜片反射后所产生的像差。
通过观察反射像差的大小和分布情况，可以初步判断镜片是否为非球面镜片。
非球面镜片在设计和加工过程中可以通过调整曲面形状来减小或消除反射像差。
4.检查折射像差：折射像差是指光线经过非球面镜片折射后所产生的像差。
通过观察折射像差的大小和分布情况，可以进一步确认镜片是否为非球面镜片。
非球面镜片通过改变曲率半径来控制折射像差的大小和方向，从而提高光线的聚焦能力和像质。
5.查看制造工艺：通过查看非球面镜片的制造工艺资料，了解镜片的设计和加工过程，可以确认镜片是否为非球面镜片。
非球面镜片的制造过程通常包括球面镜片的加工、抛光和涂膜等步骤，其中会涉及到特定的加工设备和工艺技术。
综上所述，通过观察光线反射、检查曲率半径、检查反射像差和折射像差，以及查看制造工艺，可以对非球面镜片进行鉴别。
准确的鉴别非球面镜片对于确保光学仪器和眼镜等设备的性能和质量至关重要。
光学非球面的设计、加工与检验
光学非球面的设计、加工与检验
光学非球面（aspherical）的设计、加工与检验是光学领域中非
常重要的主题。
与球面镜不同，非球面镜的曲率半径是不同的，从而
可以实现更复杂的光路设计，使得像差和畸变得到校正。
首先，非球面镜的设计通常采用光学设计软件，如Zemax、Code
V等。
设计师需要根据系统的要求，选择合适的非球形曲率，并进行优化，以达到更好的成像质量。
此外，许多非球面元件是自由曲面，其
形状没有数学解析式，因此需要进行参数化建模，并通过优化算法，
对设计进行特定的目标函数的优化。
然后，非球面镜的加工也有其特殊性。
传统的机械加工难以精确
地制造复杂曲率的非球面，因为这需要超高精度的加工设备和领域专
家的卓越技能。
目前，许多先进的加工技术已经得到应用，例如电解
抛光、激光抛光等。
这些高效、高精度的加工技术，使得制造非球面
镜变得更加容易和可行。
最后，非球面镜的检验也是必不可少的。
由于非球面曲率形状是
非常复杂的，无法被通用的球差检验方法所测量。
因此，许多特殊的
检验方法已经被提出。
例如干涉法、投影法、衍射法等。
这些方法可
以精确地测量非球面镜的曲率和形状，确保其具备高精度的成像功能。
综上所述，非球面光学元件的设计、加工以及检验是光学领域的
重要组成部分，对于现代光学系统的优化和实用化起到了关键性的作用。
如何一眼识别双面非球面镜片
双面非球面定义：是指眼镜片的第一面和第二面均为非球面设计的镜片；其中，镜片的前表面增厚（即前表面更平），后表面采用Atoric技术的设计原则，以两面叠加的方式来抵消镜片的厚度从而带来了镜片依然呈边缘减薄的形状。
在光学性能方面我们暂时不做探讨，重点讨论如何利用最简单的方法判别什么才是真正的双非镜片。
1）日光灯管像鉴别法这是最直接有效的鉴别法。
因大家都知道球面镜片两个表面的日光灯管像都是接近笔直的。
而外单非镜片则第一面灯管像为中间鼓起的桶形，第二面为平直的球面灯管像。
双非镜片两面都是非球面设计，第一面为中间洼陷的枕形灯管像，第二面则为中间鼓起的桶形灯管像。
一般在-2.00D以上的镜片该现象开始明显，度数越高越明显。
2）矢高鉴别法非球面表面，如使用20口径的千分表去测量表面各点矢高，从中间到边缘矢高是不断变化的。
而球面则应该保持不变。
将此一原则应用于鉴别双非和单非镜片同样不失为一种简便易行的方法。
如果我们用矢高表去测量一片传统外单非镜片，那么其第一面的矢高从中间到边缘呈逐渐变弯（矢高读数变大）的渐变状态，而第二面的矢高则基本不变或变化很小（此一很小的变化是因加工误差造成的）。
而一片双非镜片则两个表面从中间到边缘的矢高都呈渐变趋势，即第一面矢高逐渐边平即矢高读数逐渐变小，而第二面矢高逐渐也是逐渐变小且变化非常快。
3）厚薄差鉴别法同折射率同光度的双非镜片通常要比单非镜片薄一些，但如果是单光镜片的话，建议谨慎使用此一方法鉴别或者只将其作为辅助手段较为合适。
因各家生产镜片的工艺/加工变形/直径/材料实际折射率与标称折射率出入都会影响这一测量方法从而造成误导。
但对于散光较大的（超过-1.50D）双非镜片和单非镜片而言，此一方法就会变得简单有效。
一片散光-2.00D的双非镜片，和单非镜片比较起来，其球散两个方向的边缘厚薄差至少要减少0.4毫米左右，而对于散光达到-400的单非镜片比较，双非镜片球散两个方向的厚薄差有可能要减少0.6~0.7毫米。
非球面轮廓测量与分析
a is the indexed Polynomial Coefficient a为多项式系数
C is the reciprocal of the Base Radius C为基圆半径的倒数
K is the Conic Constant of the Surface K为二次常数
Xp是指非球面光轴到轮廓最高点之间的距 离。
非球面参数简介
• Xt:
Xt is the distance of the aspheric axis from the measured data.
Xt是指非球面光轴到测量起始点之间的距 离。
非球面参数简介
• Xv:
Xv is the distance of the lowest valley from the aspheric axis .
6) Residual Error After Form Removal 形状去除之后的残余误差
+Z 轴
Aspherics axis 非球面轴线
+X 轴
-X轴
D=B-C(Residual error after
absolute aspheric form removal)
-Z 轴
去除绝对形状后的残余误差
• 之所以称为“锥面”项，是由于我们可以用 不同方位的面与圆锥相切可以得到以上表面
基本形式：球面(K=0)
相切面平行于圆锥底面
圆的标准方程: x2 y2 R2 (R 0)
基本形式：抛物面(K=-1)
相切面平行于圆锥侧面
抛物线标准方程 : y2 2 px或y2 2 px或 x2 2 py或x2 2 py( p 0)
超高精度非球面面形检测技术研究
超高精度非球面检测技术研究1、本文概述随着现代光学技术的飞速发展，非球面光学元件在各种高精度光学系统中发挥着越来越重要的作用。
非球面由于能够减少光学系统中的球面像差和色差，提高成像质量，已成为高性能光学系统设计的关键部件。
非球面的制造和检测技术比传统的球面光学元件复杂得多，尤其是对于超高精度非球面形状检测，需要更严格的技术要求。
本文旨在对超高精度非球面的检测技术进行深入研究。
首先介绍了非球面光学元件的应用背景和重要性，然后详细阐述了当前非球面检测中存在的主要问题和挑战。
通过对现有检测技术的分析和比较，本文提出了一种新的超高精度检测方法，可以有效提高非球面检测的精度和效率。
文章随后对所提出的检测技术进行了详细的理论分析和数学建模，验证了该方法的理论可行性。
本文还设计了一系列实验来验证所提出方法的实际有效性，并通过与其他现有技术的比较，展示了新方法的优势和潜在的应用价值。
本文总结了研究成果，展望了非球面检测技术的未来发展趋势，为相关领域的研究人员和工程师提供了有益的参考和启示。
2、超高精度非球面检测技术的理论基础在现代光学制造和精密工程领域，非球面的设计和制造是实现高性能光学系统的关键。
超高精度非球面检测技术的理论基础主要涉及几何光学、物理光学、光学检测原理和数据处理方法。
几何光学为非球面提供了一种基本的定义和描述方法。
非球面是指不满足球面方程旋转对称性的光学表面。
这些类型的曲面通常是通过数学表达式或多项式来定义的，例如泽尼克多项式，它可以描述曲面形状的局部曲率和形状偏差。
物理光学进一步解释了光与非球面之间相互作用的原理。
当光波穿过非球面或从非球面反射时，其传播和偏转特性会受到表面细节的影响。
非球面几何参数的精确测量和控制对于确保光学系统的性能至关重要。
光学检测的原理包括干涉测量、散斑测量和聚焦测量等技术。
干涉测量是一种常用的高精度检测方法，通过比较参考光和测试光之间的相位差来测量表面形状。
散斑测量利用光的散射特性来评估表面质量。
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5.2.1 单点灵敏度分析 .................................................................................... 59 5.2.2 单点重复性分析 .................................................................................... 60 5.2.3 轮廓整体位移分析 ................................................................................ 61
2.2.1 系统原理图 ............................................................................................ 14 2.2.2 数据处理过程 ........................................................................................ 15 第 3 章 边缘检测算法研究................................................................................................ 16 3.1 图像边缘............................................................................................................. 16 3.1.1 边缘概念 ................................................................................................ 16 3.1.2 边缘分类 ................................................................................................ 16 3.1.3 边缘检测的一般步骤 ............................................................................ 17
4.2 基于衍射条纹的边缘检测算法......................................................................... 40 4.2.1 算法流程 ................................................................................................ 40 4.2.2 图像预处理 ............................................................................................ 43 4.2.3 极坐标系的确定 .................................................................................... 44 4.2.4 基于条纹定位的边缘提取 .................................................................... 48 4.2.5 轮廓拟合算法 ........................................................................................ 54
5.1 全口径检测重复性分析..................................................................................... 58 5.2 检测灵敏度实验分析......................................................................................... 59
4.3 本章小结............................................................................................................. 57 第 5 章 实验结果及分析.................................................................................................. 58
1.4 本论文主要任务................................................................................................. 10 第 2 章 基于图像处理的非球面阴影检测原理.............................................................. 12
3.5 本章小结............................................................................................................. 33 第 4 章 系统设计与算法.................................................................................................. 34
1.1 非球面的概念....................................................................................................... 1 1.2 非球面的应用....................................................................................................... 3 1.3 国内外研究现状及发展趋势............................................................................... 5
3.4 仿真分析及比较................................................................................................. 30
III
北京理工大学硕士学位论文
3.4.1 像素精度算法比较 ................................................................................ 30 3.4.2 亚像素精度算法比较 ............................................................................ 31
北京理工大学硕士学位论文
目录
摘要 ........................................................................................................................................ 1 ABSTRACT ......................................................................................................................... II 目录 ......................................................................................................................................III 第 1 章 绪论 .......................................................................................................................... 1
3.3 亚像素边缘检测算法原理................................................................................. 23 3.3.1 基于矩保持的亚像素边缘定位技术 .................................................... 24 3.3.2 基于插值的亚像素边缘定位技术 ........................................................ 26 3.3.3 基于曲线拟合的亚像素边缘定位技术 ................................................ 28
4.1 实验系统介绍..................................................................................................... 34 4.1.1 实验装置介绍 ........................................................................................ 34 4.1.2 实验系统参数确定 ................................................................................ 34