1 河北工业大学机械工程学院，天津 300130
2 哈德斯菲尔德大学精密技术中心，英国 西约克郡 HD1 3DH
提出了一种基于远心镜头与曲面屏的非连续镜面三维形貌测量新方法，在增加大曲率镜面成像范围的同时，提高了三维数据的测量精度。首先，在显示屏上显示标准正弦条纹图，相机分别记录经由平面参考镜和被测镜面反射的正弦条纹图像。然后，利用四步相移法和最佳三条纹选择法得到对应的相位分布值。接着，与平面参考镜比较，得到经由被测镜面物体表面调制后的相位变化。根据所建立的数学模型，推导相位与深度间对应关系，并对其系统参数进行标定。最后，对大曲率镜面和非连续镜面标准台阶进行了测量，验证了该方法的精度和有效性。
测量 远心镜头 曲面屏 相位测量偏折术 光学面形测量 激光与光电子学进展
2023, 60(7): 0724001
为了解决相位测量偏折术测量小曲率半径凸球面时相机所采集到的条纹图案边缘模糊、对比度低的问题，提出了基于逆光线追迹的预畸变条纹偏折术。该方法通过预设待测球面元件的曲率半径建立逆光线追迹模型来获得预畸变条纹图案。利用N步相移算法和迭代优化算法获得待测元件坐标和高度，再结合微分几何方法计算待测元件各点的平均曲率半径。在数值模拟中对曲率半径为8 mm的球面的测量精度约为11 μm。最后，在实验中对曲率半径均值为8.26 mm凸球面上的各点进行测量得到的平均曲率半径为8.28 mm，测量区域的直径由原来的4 mm增加到5 mm。结果表明，相比于传统偏折术，本文方法不仅解决了偏折术测量曲率半径较小凸球面时条纹图案边缘模糊、对比度低的问题，还提高了测量精度、增大了有效测量面积。
测量 相位测量偏折术 凸球面 小曲率半径 预畸变条纹 微分几何 激光与光电子学进展
2023, 60(7): 0712001
Author Affiliations
Abstract
1 School of Sciences, Southwest Petroleum University, Nanchong 637001, China
2 Institute of Optoelectronic Technology, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China
3 School of Electronics and Information Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, China
Usually, a multilens optical system is composed of multiple undetectable sublenses. Wavefront of a multilens optical system cannot be measured when classical transmitted phase measuring deflectometry (PMD) is used. In this study, a wavefront measuring method for an optical system with multiple optics is presented based on PMD. A paraxial plane is used to represent the test multilens optical system. We introduce the calibration strategy and mathematical deduction of gradient equations. Systematic errors are suppressed with an N-rotation test. Simulations have been performed to demonstrate our method. The results showing the use of our method in multilens optical systems, such as the collimator and single-lens reflex camera lenses show that the measurement accuracy is comparable with those of interferometric tests.
phase measuring deflectometry wavefront measurement systematic errors calibration Chinese Optics Letters
2023, 21(4): 041201
1 四川大学电子信息学院, 四川 成都 610065
2 四川大学空天科学与工程学院, 四川 成都 610065
对于传统的相位测量偏折术, 基于反射定理的测量原理导致其难以完成具有大陡度的大曲率元件曲率半径全口径测量。因此, 传统单目偏折术与平面反射镜相结合的测量方法被提出。然而, 现有的测量方法中需将安装于显示器上的平面反射镜严格处于45°倾斜状态, 并在水平方向与相机光轴的夹角为45°, 这无疑使实验装置的调整难度大大增加。提出了一种基于成像透镜入瞳中心标定的测量方法, 该方法只需要利用显示器的平移来获得成像相机的入瞳中心即相机的投影中心, 而无需精确调整相机和平面反射镜的姿态, 操作简单, 易于实现。实验中测量了曲率半径均值为8.262 mm的凸球面光学元件, 测量得到其每点的平均曲率半径均值为8.321 mm, PV为0.212 mm, 相对误差约为0.71%。相比于现有的正入射光路, 所提方法不仅实验装置调整难度低, 而且还能保证较高的实验测量精度, 验证了该方法的可行性。Phase Measureing Deflectometry Based onEntrance Pupil Center Calibration
相位测量偏折术 大曲率光学元件 镜头入瞳中心标定 光线方向 预畸变条纹 phase measuring deflectometry large dynamic curvature optical element calibration of entrance pupil center of the lens the direction of vision ray pre-distortion fringes
本文提出了一种利用透射偏折术测量球面透镜结构参数的方法。该方法以本文推导的附加姿态参量的球面表达式构建透镜表面模型，同时结合系统标定数据在计算机中建立理想的光线追迹模型，最后利用非线性最优化算法计算得到透镜结构参数。在实验过程中，透镜出射光线的偏折量是两表面的累加和，难以确定单面的影响，因此采用双相机从不同位置观测待测透镜。文中详细介绍了测量原理以及算法，数值模拟结果验证了本方法的正确性。最后将双凸透镜结构参数的测量结果与标称值进行对比，对比结果进一步证明了所提方法的可行性。本方法具有测量参数齐全、无需精细装调过程、装置简单等优点，为透镜全参数同时测量提供了实现途径。
测量 相位测量偏折术 双相机 光线追迹模型 透镜结构参数测量 中国激光
2022, 49(23): 2304001
1 四川大学电子信息学院，四川 成都 610065
2 四川大学空天科学与工程学院，四川 成都 610065
提出了一种测量成像透镜轴外点波像差的方法。基于逆哈特曼原理建立了逆光线追迹模型，通过标定的系统参数，测量了透镜轴外视场点的波像差。通过模拟和实验，对该方法进行了验证，并对实验误差进行了分析。实验测量了有效孔径为60 mm的平凸透镜在不同视场下的波像差，将实验结果和模拟结果进行了对比分析，并且分析了轴外点初级像散和初级彗差随视场和入瞳孔径的变化规律。该方法具有测量动态范围大、测量系统结构简单、实验设备成本低廉、测量环境易实现等优点，并且无需复杂的相机标定过程，为透镜的轴外点波像差测量提供了一个可行方案。
测量 透射波前检测 相位测量偏折术 波像差 轴外点 中国激光
2022, 49(21): 2104003
1 上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海 201620
2 苏州格拉尼视觉科技有限公司，江苏 苏州 215000
针对传统机器视觉难以检测类镜面零件表面缺陷的问题，结合相位测量偏折术原理，将缺陷检测问题转换成基于绝对相位差提取突变区域的问题。首先，采用灰度投影法得到图像待测曲面的坐标及尺寸，分割出待测曲面区域。然后，对待测曲面进行相位提取和相位展开，用绝对相位分布图与参考面的绝对相位分布作差，得到绝对相位差图。最后，对相位差图进行频域处理，以滤除周期性成分，同时采用Sobel滤波器提取相位差图的突变区域，得到表面缺陷。实验结果表明，基于相位测量偏折术的缺陷检测方法能实现类镜面物体表面的缺陷检测，检测精度可达到0.180 mm。
测量与计量 类镜面 缺陷检测 相位测量偏折术 相位展开 非线性误差 激光与光电子学进展
2022, 59(5): 0512004
1 四川大学电子信息学院，四川 成都 610065
2 四川大学空天科学与工程学院，四川 成都 610065
提出了一种将有像差透镜当作理想薄透镜与棱镜阵列组合的模型，该模型可用于验证透射式相位测量偏折术测量透镜波前像差的可行性。ZEMAX和Matlab软件的仿真结果表明，该棱镜模型中正向光线追迹和逆向光线追迹得到的透镜波前像差近似相等。基于该结论搭建实验装置并测量了口径为75 mm的单透镜波前像差，实验结果表明，该方法仅需一台CCD相机和一台LCD显示器就能完成测量，具有设备简单、易于操作的特点，且不需要复杂的标定过程，为透镜波前像差的测量提供了一种在线检测方法。
测量与计量 光学检测 相位测量偏折术 透镜波前像差 棱镜模型 激光与光电子学进展
2022, 59(2): 0212001
1 四川大学电子信息学院， 四川 成都 610065
2 四川大学空天科学与工程学院， 四川 成都 610065
根据逆哈特曼检测原理建立了逆光线追迹模型，对透射相位测量偏折术系统进行了分析，并提出了可适用于透镜或成像镜头波像差测量的计算方法。在波像差定义的基础上，通过计算正逆模型光程差的对比在原理上验证了此方法的可行性，通过模拟计算验证了本方法的有效性。结合实际光线标定、系统模型追迹和N步相移算法得到了实际透镜的波像差。在实验中测量一个平凸透镜的波像差，并与干涉仪的测量结果进行对比，两者测得的波像差的RMS差仅为0.03 μm，验证了此方法能够精确地测量透镜的波像差。结果表明，本方法具有装置简单、成本低、计算原理简单等优点。在无需干涉仪的前提下，为测量透镜的波像差提供了一种新的离线或在线/在位检测手段。
相位偏折术 波像差 测量 透镜 干涉仪 phase measuring deflectometry wavefront aberration measurement lens interferometer
上海工程技术大学 机械与汽车工程学院, 上海 201620
针对机器视觉难以对反射表面进行缺陷检测等问题, 本文提出一种基于相位测量偏折术的缺陷检测方法。该方法以LCD屏幕作为结构光源, 格雷码图案结合相移图案作为结构光, 通过LCD屏幕投射到被测表面, 使用单目相机捕捉结构光的反射图案。首先对相机捕捉的图案逐个像素进行解码, 获得包裹相位和条纹级数; 然后进行相位展开并消除误差, 生成绝对相位图像; 再使用Canny算子对图像进行边缘检测, 将投影区域与非投影区域分割; 最后在投影区域内使用Canny算子检测出缺陷的边缘, 实现表面缺陷的检测与定位。实验结果表明: 在环境亮度较低且恒定的条件下, 相位测量偏折术可高效检测出反射表面上具有形变特征的缺陷, 精度为0.1 mm, 基本满足对反射表面上多种缺陷进行高精度、高效率、低成本检测的要求。
机器视觉 缺陷检测 相位测量偏折术 格雷码 相移 machine vision defect detection phase measuring deflectometry Gray code phase shift
