[发明专利]一种基于深度学习的平凸透镜曲率半径在线测量方法

说明书

本发明涉及一种基于深度学习的平凸透镜曲率半径在线测量方法，属于光电测量技术领域。针对传统曲率半径检测方法具有损伤性、易受环境影响、装置调整复杂、价格昂贵等缺点，本方法基于相位恢复原理，建立了单平凸透镜成像系统，揭示了透镜曲率半径与系统焦面、离焦面PSF两幅图像的关系。采用深度学习方法构建平凸透镜PSF图像与曲率半径误差之间的非线性映射，实现透镜曲率半径的测量。使用标准透镜标定焦面、离焦面的方法，使待测透镜在标定面上产生数据集输入神经网络，提高了探测精度。本方法无损伤性，对软硬件环境要求不高，操作简单，成本低、速度快，且精度高。

技术领域

本发明涉及一种平凸透镜曲率半径测量方法，属于光电测量技术领域。

背景技术

曲率半径是光学透镜最重要的参数之一。特别是在高性能光学系统(如空间相机等)中，其测量精度将直接影响镜头的焦距、像差等光学参量，进而影响光学系统的成像质量。在透镜的整个加工过程中，粗磨、精磨、抛光以及最终的成品阶段，均需要对曲率半径进行检测。因此，对于曲率半径的在线测量，已成为提高透镜加工效率的迫切要求。

目前，常见的曲率半径测量方法主要分为接触式和非接触式两种。前者主要包括球径仪法、牛顿样板法、三坐标机测量法等，后者包括自准直法、干涉法、差动共焦技术等。如图1所示，球径仪法是通过测量球面某部分的矢高和对应弦半径来计算曲率半径。矢高h是利用高精度的线性测量系统，通过机械式接触测量得到的。如图2所示，牛顿样板法是用待测透镜与平面玻璃接触，经光源照射，产生干涉条纹，通过两级条纹得到直径和级数，运用几何关系计算出曲率半径。如图3所示，三坐标机测量法是通过获取被测透镜表面若干个采样点的坐标值后，利用拟合算法拟合被测件表面方程，最佳球面拟合半径即为被测镜的曲率半径。如图4所示，自准直法是对球面曲率半径中心和表面实现两次精准调焦，自准直显微镜两次移动的距离即为待测面的曲率半径。如图5所示，干涉法是通过波前判定两个位置，从而测定球心和顶点的距离，两次位置移动距离即为曲率半径。如图6所示，共焦技术已成为曲率半径测量的有效方法，首先通过差动共焦响应曲线过零点时被测透镜顶点和球心位置的特性精确定焦，采用干涉测长技术获取两焦点间的距离，同时通过光瞳滤波技术提高曲率半径测量灵敏度。

但是，现行的曲率半径测量方法在不同的应用条件下都有一定的局限性。比如，环形球径仪法接触球面具有损伤性并且要求仪器制造精度高。牛顿样板法的测量精度受样板面形、观察者角度、目视判读精度影响。三坐标机测量法，以LEITZ公司PMM型三坐标机为例，易划伤被测件表面使精度受损，同时易受环境影响。自准直法都需要先对镜头进行抛光处理。干涉测量常用仪器有平面干涉仪和激光干涉仪，前者测量过程繁琐，测量精度受样板面形误差影响较大，后者仪器制造要求精度高，操作复杂，效率低，国内尚未普及。共焦测量法，相对而言其精度是几种方法中最高的，但其测长光腔易受环境干扰，测量过程繁琐，价格昂贵。

总体而言，接触式测量法需要对被测表面进行抛光处理，并且在测量过程中因磨损或挤压会产生测量误差，对使用环境及维护条件要求高，存在定量困难或灵敏度不足的缺点，非接触式测量法虽然有很高的测量精度，但设备价格昂贵、调整较为复杂，易受环境影响，微小的气流扰动，温度变化，环境振动都会引起测量误差。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，针对传统曲率半径检测方法具有损伤性、易受环境影响、装置调整复杂、价格昂贵等缺点，为了解决平凸透镜曲率半径在线测量的技术问题，提出一种基于深度学习的平凸透镜曲率半径在线测量方法。

本方法依据相位恢复原理，包括数据构建和数据处理两部分。

首先，利用已知曲率半径的标准平凸透镜标定焦面、离焦面位置。

然后，基于MATLAB与ZEMAX平台，针对不同曲率半径的待测平凸透镜，获取在前述标定位置处的相应焦面、离焦面PSF图像，以两幅PSF图像为输入，以曲率半径误差，即待测镜与标准镜的曲率半径差值为输出，构建卷积神经网络数据集；同时，分析波前相位随曲率半径变化的规律。