一种基于光场相机的凹面腔镜曲率半径测量方法

摘要

本发明公开了一种基于光场相机的凹面腔镜曲率半径测量方法，该方法首先使用平行光沿光轴方向照射凹面腔镜，生成一束汇聚于一点的光线，然后利用光场相机对经过汇聚点以后发散的光线成像，通过光场相机原始图像计算得到该发散光束的波前，从而得到该束光线汇聚点的位置，最后可由几何尺寸关系得到凹面腔镜的曲率半径。该方法通过使用光场相机测量平面波传输经过凹面腔镜后形成的球面波的波前信息，计算出波前传输过程中凹面腔镜对波前的调制作用的大小，而后间接计算出凹面腔镜的曲率半径，为测量凹面腔镜曲率半径提供一个便捷的非接触式的方法。

权利要求

1.一种基于光场相机的凹面腔镜曲率半径测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤（1）、使用平行光源沿光轴照射凹面腔镜，得到汇聚光束；

步骤（2）、利用光场相机对经过汇聚点以后发散的光束成像，并计算得到该发散光束的波前；

步骤（3）、通过波前推算光束汇聚点的位置，再由几何尺寸关系得到凹面腔镜的曲率半径；

步骤（2）中光场相机对发散光束成像时需要适当调整光场相机与腔镜之间距离使得光束尽量在更多的微透镜上成像，由此可对波前做更多次采样，从而更为准确地计算发散光束的波前；

步骤（3）中所述推算光束汇聚点其实就是球形发散光束的球心位置，在得到发散光束的波前表达式后，该发散光束的球心位置也就可以计算得到；

步骤（3）中所述由几何尺寸关系得到凹面腔镜的曲率半径的过程是：得到光束汇聚点的位置其实就是得到了汇聚点到光场相机之间的距离，而后凹面腔镜的曲率半径即凹面腔镜到汇聚点之间的距离可由腔镜与光场相机之间的距离减去汇聚点到光场相机之间的距离得到。

说明书

一种基于光场相机的凹面腔镜曲率半径测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及凹面腔镜曲率半径测量的技术领域，尤其涉及一种基于光场相机的凹面腔镜曲率半径测量方法。

背景技术

[0002] 凹面腔镜广泛应用于激光技术、光腔衰荡技术等现代光学技术中。凹面腔镜曲率半径的测量一直是光学器件加工、检测和使用过程中的重要环节。目前，腔镜曲率半径的测量技术主要分为两类：接触式测量和非接触式测量。接触式测量原理简单易于实现，三坐标测量机法是目前比较通用的接触测量方法，它通过三坐标测头的空间移动来获取全口径测量数据，然后采用最小二乘拟合的方法计算得到曲率半径。该方法测量精度较高，可实现中小口径腔镜的曲率半径测量，但是该方法在测量过程中需要多次接触被测元件容易造成元件表面损伤，测量时间较长。另一类是非接触测量，例如激光干涉测量，该测量方法可实现腔镜曲率半径的高精度测量，但是干涉测量操作过程很复杂，且易受环境因素影响，所以测量效率低，测量成本高。

[0003] 近些年，光场相机以其独特的性能逐渐进入各行业科研工作者视线，相比传统相机，光场相机在主镜和感光芯片之间放置了一块微透镜阵列，从而可以实现在记录光线强度信息的同时记录光线的方向信息。研究表明，光场相机可以记录空间目标物点的波前信息。因此，本发明就是基于光场相机波前采集的功能提出一种原理简单、操作便捷、低成本、非接触的腔镜曲率半径检测的方法，可实现凹面腔镜曲率半径快速、准确的测量。

[0004] 在本发明中，在使用平行光沿光轴照射凹面腔镜时，凹面腔镜会将平行光的平面波前调制成汇聚的球面波，光波通过汇聚点(凹面腔镜的焦点)后会变成发散的球面波。由于汇聚点的位置与凹面腔镜的曲率半径有直接关系，所以可以通过计算光束汇聚点的位置来推算凹面腔镜的曲率半径。本发明通过使用光场相机测量记录发散的球面波的波前信息，计算该球面波前球心所在位置(凹面腔镜焦点位置)，然后由几何尺寸关系得到凹面腔镜的曲率半径，从而提供了一个便捷的非接触式的为凹面腔镜曲率半径测量方法。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题是：目前，现有腔镜曲率半径的测量技术各有优点但是也存在各种各样的问题，接触式测量原理简单易于实现，但该方法在测量过程中需要多次接触被测元件容易造成元件表面损伤，且测量时间较长，一般只适用于中小口径腔镜的曲率半径测量。非接触测量可实现腔镜曲率半径的高精度测量，但是干涉测量操作过程很复杂，易受环境因素影响，测量效率低，测量成本高。

[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于光场相机的凹面腔镜曲率半径测量方法，包括以下步骤：

[0007] 步骤(1)、使用平行光源沿光轴照射凹面腔镜，得到汇聚光束；

[0008] 步骤(2)、利用光场相机对经过汇聚点以后发散的光束成像，并计算得到该发散光束的波前；

[0009] 步骤(3)、通过波前推算光束汇聚点的位置，再由几何尺寸关系得到凹面腔镜的曲率半径。

[0010] 更进一步的，所述步骤(2)中光场相机对发散光束成像时需要适当调整光场相机与腔镜的之间距离使得光束尽量在更多的微透镜上成像，由此可对波前做更多次采样，从而更为准确地 计算发散光束的波前。

[0011] 更进一步的，所述步骤(3)中所述推算光束汇聚点其实就是球形发散光束的球心位置，在得到发散光束的波前表达式后，该发散光束的球心位置也就可以计算得到。

[0012] 更进一步的，所述步骤(3)中所述由几何尺寸关系得到凹面腔镜的曲率半径的过程是：步骤(3)中所述由几何尺寸关系得到凹面腔镜的曲率半径的过程是：得到光束汇聚点的位置其实就是得到了汇聚点到光场相机之间的距离，而后凹面腔镜的曲率半径即凹面腔镜到汇聚点之间的距离可由腔镜与光场相机之间的距离减去汇聚点到光场相机之间的距离得到。

[0013] 本发明的原理是：一种基于光场相机的凹面腔镜曲率半径测量方法，该方法通过使用光场相机测量平面波传输经过凹面腔镜后形成的球面波的波前信息，计算出在波前传输过程中凹面腔镜对波前的调制作用的大小，根据凹面腔镜的调制作用大小与其曲率半径之间的比例关系间接计算出凹面腔镜的曲率半径大小，为测量凹面腔镜曲率半径提供一个便捷的非接触式的方法。

[0014] 本发明有如下优点：本发明基于光场相机波前采集的功能提出一种原理简单、操作便捷、低成本、非接触的腔镜曲率半径检测的方法。首先，本方法所述方法可快速、准确检测凹面腔镜的曲率半径，适用于批量生产的凹面镜的曲率检测；其次，基于光场相机波前采集的曲率检测方法，只需一帧图像便可得到测量结果，无需人工干预，有利于凹面镜生产与检测；再次，相比传统的测量方法，该方法在测量过程中无需配套标准件 (如千分尺、高精度激光测距装置)，因此无需复杂的操作，使得测量效率高；最后，本方法对所测量的凹面镜尺寸没有硬性要求，因此该方法可适用于尺寸大小不一的凹面镜，间接提高了该测量方法的鲁棒性。

附图说明

[0015] 图1为本发明的基本流程图。

[0016] 图2为基于光场相机的凹面腔镜曲率半径测量原理示意图。

具体实施方式

[0017] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，结合本发明中涉及的方法，采用简化模型，对基于光场相机的凹面腔镜曲率半径测量方法的原理进行介绍，以此对本发明进一步详细说明。

[0018] 本发明是基于光场相机波前采集的功能提出的一种原理简单、操作便捷、低成本、非接触式的腔镜曲率半径检测的方法。该方法在测量过程中无需配套标准件，测量效率高。

[0019] 下面对采用具体实例对基于光场相机的凹面腔镜曲率半径测量方法进行详细说明。

[0020] 如图1所示，一种基于光场相机的凹面腔镜曲率半径测量方法，具体包括如下步骤：

[0021] (1)、使用平行光源沿光轴照射凹面腔镜，得到汇聚光束，为了方便采集到发散光束，如图2所示在腔镜前放置了半反半透镜将由腔镜反射回来的光束与原光束路径分离，以便光场相机采集反射光束；

[0022] (2)、利用光场相机对经过汇聚点以后发散的光束成像，并计算得到该发散光束的波前，然后由光场相机采集到的原始图像信息与光场相机的物理参数推算出光场相机主镜前球面波的波前S：

[0023] (x-x0)2+(y-y0)2+(z-z0)2＝r2

[0024] 其中Q0(x,y,z)是波前S上任意一点，P0(x0,y0,z0)为该光束的汇聚点，也就是球面波的球心位置，也是凹面腔镜的焦点位置,r是该球面波前的半径。

[0025] (3)、通过波前推算光束汇聚点P0(x0,y0,z0)的位置，即得到了图2中的距离Q，由于距离G和H可由卷尺等长度测量工具测量而得到，故由几何尺寸关系可得到凹面腔镜的曲率半径R为：

[0026] R＝P+H＝G-Q+H

[0027] 从以上步骤可得到凹面腔镜的曲率半径，该方法通过使用光场相机测量平面波传输经过凹面腔镜后形成的球面波的波前信息S，计算出在波前传输过程中凹面腔镜对波前的调制作用的大小，然后根据几何尺寸关系间接计算出凹面腔镜的曲率半径大小，为测量凹面腔镜曲率半径提供一个便捷的非接触式的方法。由上述过程可以发现本发明提出的腔镜曲率半径检测方法在测量过程中无需配套标准件，是一种原理简单、操作便捷、低成本、测量效率高、非接触式的测量方法。

[0028] 以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的权利要求书的保护范围之内。