自由曲面光学镜片检测方法

本发明涉及光学镜片检测，特别涉及一种自由曲面光学镜片面形及缺陷检测方法。

背景技术：

1、随着电子产品的日益更新，人类近视率越来越高，对于眼球的屈光度进行验光检测的传统方法仅仅是对于眼球中心的屈光度进行检测，但是人眼的屈光度并不是一成不变的，进而推动了自由曲面光学镜片的发展。一般来说，自由曲面光学镜片是指不具有回转对称性的面形，此类镜片具有更高的自由度来校正像差、有效提高成像质量、实现个性化定制、缓解近视度数增速快的优点。然而，对于如角膜接触镜、渐进镜等高端镜片，不允许有任何裂纹及气泡的存在。因此，对自由曲面光学镜片的高精度与多参数检测是保证和提高光学自由曲面元件精度的关键，在多参数检测的基础上实现高精度成为当今眼镜检测的难点与热点问题。

2、自由曲面光学镜片的检测方法可分为接触式和非接触式。接触式检测方法中最常见的仪器是表面轮廓仪，其通过探针对物体进行扫描获得三维面形，优势是精度高、动态范围大，但缺点是检测效率低，而且对于眼镜检测来说性价比偏低。非接触式检测方法主要有激光干涉法和夏克哈特曼法。激光干涉法主要通过激光干涉仪对自由曲面光学镜片进行检测，首先将波前进行分束，定义光学镜片的反射（或透射）波前为检测波前，然后检测波前与参考波前进行对比，继而反演出镜片的面形，其优势是能够实现快速检测，并且能实现亚纳米级的分辨率，但其缺点是由于参考波前通常是球面波或平面波，激光干涉法在不借助补偿元件的情况下只能检测平面、球面，或与平面、球面偏差不大的自由曲面镜片，而对于与平面、球面偏差较大的光学自由曲面，通常需要借助补偿技术或子孔径拼接技术来辅助干涉仪，而补偿元件不具有通用性，制作成本较高，不适用于自由曲面光学镜片的检测。而夏克哈特曼法属于波前斜率测量法，其测量原理是通过微透镜阵列对被测镜片进行区域划分，并利用ccd记录经过被测曲面调制后的波前改变量，经数据处理，即可实现对被测镜片面形的检测，但其缺点是微透镜阵列的制造难度和加工成本与微透镜阵列尺寸的大小有关，微透镜阵列尺寸越大加工难度越大、成本越高，并且不能同时满足高横向分辨率和大曲率测量的需求。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，提出一种自由曲面光学镜片检测方法，能够利用ccd相机、显示器以及计算机，实现对于自由曲面光学镜片以及自由曲面偏光镜片的球镜度、柱镜度等镜片参数或者是镜片中存在的裂纹及气泡进行快速检测。

2、为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

3、本发明提供的自由曲面光学镜片检测方法，包括如下步骤：

4、s1、利用计算机控制显示器生成调制的正弦条纹，该正弦条纹透过自由曲面光学镜片后发生偏折；

5、s2、通过ccd相机采集经自由曲面光学镜片表面透射的变形条纹的图像；

6、s3、通过相移法产生相移，并且使用相位解包裹方法获得自由曲面光学镜片表面的连续真实相位；

7、s4、利用条纹偏折法对自由曲面光学镜片表面的连续真实相位进行计算，获得自由曲面光学镜片的波前斜率；

8、s5、使用泽尼克多项式对自由曲面光学镜片的波前斜率进行拟合，完成波前重建，获得自由曲面光学镜片的波前；

9、s6、基于自由曲面光学镜片的波前信息反演镜片面形，计算得到自由曲面光学镜片表面每一点的曲率信息；

10、s7、基于自由曲面光学镜片表面每一点的曲率信息，计算自由曲面光学镜片的参数信息；当自由曲面光学镜片为自由曲面偏光镜片时，在自由曲面偏光镜片与ccd相机之间置于偏振片，对自由曲面偏光镜片进行角度旋转，反演自由曲面偏光镜片的偏振信息。

11、优选地，步骤s3具体包括如下步骤：

12、s31、采用十三步相移法产生带有相位信息的正弦条纹，获得压缩在之间的包裹相位，其中，包裹相位的提取公式如下：

13、；

14、其中，表示包裹相位，分别表示十三幅变形条纹的光强及相位分布，其中为相移后得到的光强及相位分布；

15、s32、使用相位解包裹方法进行解包裹，获得自由曲面光学镜片表面的连续真实相位。

16、优选地，在获得自由曲面光学镜片的波前斜率的同时对间断相位进行提取，获取自由曲面光学镜片表面缺陷的高度，并对灰度异常区域进行计算，获得自由曲面光学镜片表面缺陷的大小。

17、优选地，自由曲面光学镜片表面缺陷大小的计算过程如下：

18、对采集到的变形条纹的图像进行灰度处理，计算不连续的灰度的面积，根据像空间和物空间的放大倍率关系，获得自由曲面光学镜片表面缺陷的面积；

19、自由曲面光学镜片表面缺陷的深度的计算公式如下：

20、自由曲面光学镜片表面缺陷所引起的相位变化为：

21、；

22、其中，表示缺陷引起的缺陷变化，表示当前带有缺陷的相位信息，表示不带有缺陷的相位信息，表示自由曲面光学镜片表面到屏幕之间的距离，表示条纹周期，表示变化角度；

23、由曲面光学镜片表面缺陷的深度信息s与变化角度之间的关系为：

24、；

25、其中，s表示缺陷深度，表示在x轴上变化的角度，表示在y轴上变化的角度，y轴垂直于光轴，x轴平行于光轴。

26、优选地，自由曲面光学镜片的波前斜率的计算公式如下：

27、；

28、其中，，表示波前斜率，表示相机像素点的水平方向位置，表示理想屏幕像素点的水平方向位置，表示相机像素点的竖直方向位置，表示理想屏幕像素点的竖直方向位置，表示相机像素点的大小，表示得到的相机像素点与理想屏幕像素点之间的水平方向之差；表示得到的相机像素点与相机得到的理想屏幕像素点之间竖直方向差。

29、优选地，在步骤s7中，自由曲面光学镜片的参数信息包括球镜度、柱镜度、棱镜度和屈光度；其中，

30、球镜度的计算公式如下：

31、；

32、其中， s表示球镜度，与分别表示自由曲面光学镜片表面的两个主曲率；

33、柱镜度的计算公式如下：

34、；

35、其中， c表示柱镜度；

36、屈光度的计算公式如下：

37、；

38、其中，n表示自由曲面光学镜片的折射率， d表示屈光度；

39、棱镜度的计算公式如下：

40、；

41、其中，，表示棱镜度，表示y轴上的任意一条光线l与光轴垂直方向上的屏幕交点的物理坐标，表示光线l与自由曲面光学镜片作用后，形成的反向延长线与屏幕交点的物理坐标，表示x轴上的任意一条光线l`与光轴平行方向上的屏幕交点的物理坐标，表示光线l`与自由曲面光学镜片作用后，形成的反向延长线与屏幕交点的物理坐标，y轴垂直于光轴，x轴平行于光轴，dx表示水平方向上屏幕中心到自由曲面光学镜片中心的距离，dy表示垂直方向上屏幕中心到自由曲面光学镜片中心的距离。

42、优选地，在步骤s1之前，还包括如下步骤：

43、对自由曲面光学镜片系统进行标定，将相机坐标系作为世界坐标系，将屏幕物理坐标系、相位坐标系及屏幕条纹坐标系刚体变换到世界坐标系中。

44、优选地，反演自由曲面偏光镜片的偏振信息的具体过程如下：

45、对自由曲面偏光镜片进行角度旋转，根据条纹灰度变化，获取转动角度为0°、60°、120°时的条纹灰度值，对采集到的光强进行图像处理，光强用图像的平均灰度表示，将光强分为256个强度，并用数值表示转动角度分别为0°、60°、120°的自由曲面光学镜片，利用下式反演自由曲面光学镜片的偏振信息：

46、；

47、表示光的总强度，为x轴方向与y轴方向的强度差，为与之间的强度差，则偏振度和椭圆半主轴方位角分别为：

48、。

49、优选地，在步骤s7之后包括如下步骤：

50、将自由曲面光学镜片与镜架装配成的眼镜放置在ccd相机与显示器之间，重复步骤s2~s7，获得装配后的自由曲面光学镜片的参数信息，与未装配镜架的自由曲面光学镜片的参数信息作差，获得镜架对自由曲面光学镜片的残余应力。

51、相比于传统的非接触式检测方法，本发明利用计算机控制显示器生成一系列正弦条纹，并用ccd相机接收该正弦条纹，然后将自由曲面光学镜片放置在显示器和ccd相机之间，则ccd相机接收到的正弦条纹就会发生扭曲，对扭曲的条纹信息进行反演即可得到自由曲面光学镜片的面形信息，本发明利用相位偏折方法实现对自由曲面光学镜片的高精度、多参数快速检测，具有曲率测量范围大、加工成本低、对环境变化不敏感的特点，在自由曲面检测中具有重要的研究价值和应用前景。并且本发明能够对自由曲面镜片进行偏振检测，对加工后以及配制完成后的眼镜进行评价，配制眼镜完成后会对镜片面形产生一个较大的影响，本发明可以直接将装卡的镜片置于台面，得到真实的佩戴情况。