[发明专利]自由曲面棱镜及其形状的确定方法及其光学成像方法有效

专利信息
申请号: 201610874010.7 申请日: 2016-09-30
公开(公告)号: CN106291788B 公开(公告)日: 2018-10-23
发明(设计)人: 崔笑宇;范赫宇;赵越;陈洪升 申请(专利权)人: 东北大学
主分类号: G02B5/04 分类号: G02B5/04;G02B27/00
代理公司: 沈阳东大知识产权代理有限公司 21109 代理人: 梁焱
地址: 110819 辽宁*** 国省代码: 辽宁;21
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摘要: 发明提供一种自由曲面棱镜及其形状的确定方法及其光学成像方法,该系统包括位于底面的入射光平面、位于左侧的第一自由光学曲面、位于右侧的第二自由光学曲面;所述第一自由光学曲面和第二自由光学曲面的自由曲面结构相同,其自由曲面结构的形状根据光源与自由曲面棱镜的入射光平面的距离d,以同一点的入射光入射到自由曲面棱镜的出射光线的反向延长线汇聚到同一点为约束条件,通过对自由曲面棱镜的自由光学曲面位置进行迭代确定。该自由曲面棱镜在理论上解决了平面棱镜虚像点不能很好的汇聚于一点而产生的图像畸变问题。克服了传统基于平面棱镜的视觉测量系统在成像质量和测量精度上的不足,具有结构简单,测量速度快、精度高等优点。
搜索关键词: 自由 曲面 棱镜 及其 形状 确定 方法 光学 成像
【主权项】:
1.一种自由曲面棱镜的形状的确定方法,所述自由曲面棱镜包括位于底面的入射光平面、位于左侧的第一自由光学曲面、位于右侧的第二自由光学曲面;所述入射光平面,用于实现光源进入自由曲面棱镜;所述第一自由光学曲面和第二自由光学曲面具有对称的自由曲面结构,用于实现光源光线经过自由曲面棱镜后折射出折射光线;所述第一自由光学曲面和第二自由光学曲面的自由曲面结构相同,其自由曲面结构的形状根据光源与自由曲面棱镜的入射光平面的距离d,以同一点的入射光入射到自由曲面棱镜的出射光线的反向延长线汇聚到同一点为约束条件,通过对自由曲面棱镜的自由光学曲面位置进行迭代确定;其特征在于,包括以下步骤:步骤1:根据待成像的物体实际尺寸和成像大小,确定光源与自由曲面棱镜的入射光平面的距离d;步骤2:建立构造自由曲面棱镜的自由光学曲面的坐标系,设定自由曲面棱镜的入射光平面中点下方的光源为坐标原点O;步骤3:选取光源O的第一束光线经入射光平面的入射角α0,根据令光源O的第一束光线经自由曲面棱镜的第一自由光学曲面的出射光线平行于Z轴的约束条件,得到光源O的第一束光线在第一自由光学曲面的出射小曲面与入射光平面的夹角θ0;步骤4:根据光源O的第一束光线经入射光平面的入射角α0、光源与自由曲面棱镜的入射光平面的距离d、夹角θ0,利用三角函数确定第一束光线的入射点A(0)的坐标、第一束光线的出射点B(0)的坐标、第一束光线的出射点B(0)的法向量步骤5:设定自由曲面的函数表达式为设定自由曲面在X轴的迭代步长ΔX和Y轴的迭代步长ΔY,对自由曲面的函数表达式进行泰勒展开,得到自由曲面函数的泰勒展开公式;所述自由曲面函数的泰勒展开公式如下所示:其中,为自由曲面上第k+1束光线的出射点B(k)的Z轴坐标,为自由曲面上第k束光线的出射点B(k)的Z轴坐标,为自由曲面上第k+1束光线的出射点B(k)的X轴坐标,为自由曲面上第k+1束光线的出射点B(k)的Y轴坐标,f为自由曲面的代数表达式,k≥0,为函数f的偏导;步骤6:根据自由曲面在X轴的迭代步长ΔX、Y轴的迭代步长ΔY、自由曲面函数的泰勒展开公式、第一束光线的入射点A(0)的坐标、第一束光线的出射点B(0)的坐标确定第二束光线的出射点B(1)的坐标;步骤7:根据令光源O的第二束光线经自由曲面棱镜的第一自由光学曲面的出射光线的反向延长线与第一束光线经自由曲面棱镜的出射光线的反向延长线汇聚为一点V的约束条件,利用三角函数和折射定律确定第二束光线的入射点A(1)的坐标和第二束光线的出射点B(1)的法向量步骤8:将第k+1束光线的出射点B(k)的法向量第k+1束光线的出射点B(k)的坐标、X轴的迭代步长ΔX、Y轴的迭代步长ΔY代入自由曲面函数的泰勒展开公式得到第k+2束光线的出射点B(k+1)的坐标;步骤9:根据令光源O的第k+2束光线经自由曲面棱镜的第一自由光学曲面的出射光线的反向延长线与第一束光线经自由曲面棱镜的出射光线的反向延长线汇聚为一点V的约束条件,利用三角函数和折射定律确定第k+2束光线的入射点A(k+1)的坐标和第k+2束光线的出射点B(k+1)的法向量步骤10:重复步骤8‑步骤9,直至得到自由曲面棱镜的第一自由光学曲面的所有点的坐标,从而确定第一自由光学曲面的形状;步骤11:根据第一自由光学曲面与第二自由光学曲面的自由曲面结构相同,确定自由曲面棱镜的形状。
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