CN103411547A - 非接触式透镜中心厚度测量方法 - Google Patents

Abstract

一种非接触式透镜中心厚度测量方法，使用一台菲索型干涉仪、一台双频激光测距仪、测量导轨及透镜调整架等组合装置，通过对被测透镜进行机械定中、干涉定位、激光测距和数据处理，最终得到透镜中心厚度，与现有的用量具接触测量相比，具有准确、高效、非接触、不伤表面等优点。

Description

非接触式透镜中心厚度测量方法

技术领域

本发明涉及一种光学测量技术，尤其是一种透镜厚度的测量方法，具体地说是一种非接触式透镜中心厚度测量方法。

背景技术

透镜中心厚度测量通常使用千分尺、高度计等量具进行测量。在测量过程中要垫保护层，再加上找顶点极值、测量力、透镜重量等因素影响，测量准确度一般在0.01～0.02左右，这种接触式测量方式极易损伤透镜表面，尤其是对大尺寸透镜更易造成表面划痕等缺陷，因此，人们发明了各种非接触式测量方法来降低因测量误差影响透镜性能。如北京理工大学研制的激光差动共焦透镜系统，长春光机所设计的光学干涉分光系统，成都研究所激光三角法等装置各有千秋，总的中心厚度测量精度在3-5微米，基本能满足目前高精测量的要求。

发明内容

本发明的目的是利用带激光测长装置的卧式激光干涉仪，经改造扩大其使用功能而发明的一种高精度的非接触式透镜中心厚度测量方法。

本发明的技术方案是：

一种非接触式透镜中心厚度测量方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，将待测透镜安装在五维调整架上，再将五维调整架安装在导轨上，同时在导轨一侧安装双频激光测长装置；

第二，调整五维调整架在导轨上的位置，使激光干涉仪标准镜头聚焦于被测透镜第一表面顶点猫眼像位置处，双频激光测长装置同时记录下此时导轨的第一位置值；

第三，移动五维调整架，使激光干涉仪标准镜头透过第一表面，聚焦于透镜第二表面猫眼像位置处，双频激光测长装置同时记录下此时导轨的第二位置值；

第四，通过计算导轨从第一位置移动到第二位置的值，即可得到透镜中心光程测量值L；

最后，将所测得的值代入以下公式即可计算出透镜的中心厚度值d：

$d=R+\frac{1}{n^{\′}}(L-R)\frac{\mathrm{SinU}}{\mathrm{Sin}{U}^{\′}}$

其中 $U^{\′}=U+\arcsin \left[\frac{(L+R)\mathrm{SinU}}{R}\right]-\arcsin \left[\frac{(L-R)\mathrm{SinU}}{n^{\′}R}\right]$

式中n’：透镜折射率

R：第一表面曲率半径，凸面取“+”，凹取“-”，

L：光程测量值，取“+”，

U：物方孔径角，

U’：像方孔径角。

本发明的有益效果：

本发明具有操作方便，测量准确、高效、非接触、不伤表面等优点。

本发明与现有的测量方式相比，测量精度误差小于3微米。

附图说明

图1是本发明的凸透镜厚度测量示意图。

图2是本发明的凹透镜的厚度测量示意图。

图3是本发明的测量装置的原理图。

图4是本发明的透镜微调安装架示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-4所示。

一种非接触式透镜中心厚度测量方法，其它包括以下步骤：

首先，将待测透镜2装夹在图4所示的微调夹具上，然后将夹具安装在五维调整架3上，再将五维调整架3安装在导轨5上，同时在导轨5一侧安装双频激光测长装置4；如图3所示。通过微调，使第一表面顶点1和第二表面顶点2位于同一水平线上，即使第一表面和第二表面的两个顶点均位于激光干涉仪的测量轴线上。

第二，调整五维调整架3在导轨5上的位置，使激光干涉仪1（可采用菲索型激光干涉仪）标准镜头聚焦于被测透镜2第一表面顶点猫眼像位置1处，双频激光测长装置4同时记录下此时导轨5的第一位置值；

第三，移动五维护调整架3，使激光干涉仪1标准镜头透过第一表面，聚焦于透镜第二表面猫眼像位置2处，双频激光测长装置4同时记录下此时导轨5的第二位置值；

第四，通过计算导轨5从第一位置移动到第二位置的值，即可得到透镜中心光程测量值L；

最后，将所测得的值代入以下公式即可计算出透镜的中心厚度值d：

$d=R+\frac{1}{n^{\′}}(L-R)\frac{\mathrm{SinU}}{\mathrm{Sin}{U}^{\′}}$

其中 $U^{\′}=U+\arcsin \left[\frac{(L+R)\mathrm{SinU}}{R}\right]-\arcsin \left[\frac{(L-R)\mathrm{SinU}}{n^{\′}R}\right]$

式中n’：透镜折射率

R：第一表面曲率半径，凸面取“+”，凹取“-”，

L：光程测量值，取“+”，

U：物方孔径角，

U’：像方孔径角。

本发明的测量原理如图1、2所示。

透镜中心厚度1至3距离为d，光线沿光轴从左至右，经第一球表面顶点1为第一位置，透过第一面到第二面的等效光程面顶点2为第二位置，1、2两点距离为中心的光程测量值，根据光线追迹推算，测量光程计算透镜中心厚度公式：

$d=R+\frac{1}{n^{\′}}(L-R)\frac{\mathrm{SinU}}{\mathrm{Sin}{U}^{\′}}$

其中 $U^{\′}=U+\arcsin \left[\frac{(L+R)\mathrm{SinU}}{R}\right]-\arcsin \left[\frac{(L-R)\mathrm{SinU}}{n^{\′}R}\right]$

式中n’：透镜折射率

R：第一面曲率半径（凸取“+”，凹取“-”）

L：光程测量值（L取“+”）

d：透镜中心厚度

U：物方孔径角

U’：像方孔径角

本发明的测量精度计算如下：

非接触测量透镜中心厚度测量误差包括几方面：

1、干涉图像定位误差。

猫眼图像N（光圈数）<0.5，移动变化量Δh＜0.31μm。

2、光轴与测量轴线不共轴误差。

设透镜厚度10mm，中心偏0.1mm，第一面半径50mm，垂直平移距离0.1mm倾斜误差：倾角arctgω＝arctg0.01＝34′23″。

厚度变化Δω₁=10-10cos34′23″=0.50μm

平移误差： $\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&omega;}}_2=R-\sqrt{R^2-b^2}=50-\sqrt{{50}^2-{0.1}^2}=0.10\mathrm{\&mu;m}$

不共轴误差： $\mathrm{\&Delta;\&omega;}=\sqrt{\mathrm{\&Delta;}{{\mathrm{\&omega;}}_1}^2+\mathrm{\&Delta;}{{\mathrm{\&omega;}}_2}^2}=\sqrt{{0.5}^2+{0.1}^2}=0.51\mathrm{\&mu;m}$

3、光程测量值转换成中心厚度值计算误差。

$d=R+\frac{1}{n^{\&prime;}}(L-R)\frac{\mathrm{SinU}}{\mathrm{Sin}{U}^{\&prime;}}$

其中 $U^{\&prime;}=U+\arcsin \left[\frac{(L+R)\mathrm{SinU}}{R}\right]-\arcsin \left[\frac{(L-R)\mathrm{SinU}}{n^{\&prime;}R}\right]$

$\frac{\&PartialD;d}{\&PartialD;R}=1+\frac{-\mathrm{SinU}\&CenterDot;n^{\&prime;}\&CenterDot;\mathrm{Sin}{U}^{\&prime;}-(L-R)\mathrm{SinU}\&CenterDot;n^{\&prime;}\mathrm{Cos}{U}^{\&prime;}[\frac{-\mathrm{LSinU}}{\sqrt{R^4-R^2{(L-R)}^2{\mathrm{Sin}}^{2}U}}+\frac{\mathrm{LSinU}}{\sqrt{n^{\&prime;2}{R}^4-R^2{(L-R)}^2{\mathrm{Sin}}^{2}U}}]}{n^{\&prime;2}{\mathrm{Sin}}^2{U}^{\&prime;}}$

$\frac{\&PartialD;d}{{\&PartialD;n}^{\&prime;}}=\frac{(R-L)\mathrm{SinU}\{\mathrm{Sin}{U}^{\&prime;}+n^{\&prime;}\mathrm{Cos}{U}^{\&prime;}[\frac{(L+R)\mathrm{SinU}}{\sqrt{n^{\&prime;4}{R}^2-n^{\&prime;2}{(L-R)}^2{\mathrm{Sin}}^{2}U}}]\}}{n^{\&prime;2}{\mathrm{Sin}}^2{U}^{\&prime;}}$

$\frac{\&PartialD;d}{\&PartialD;L}=\frac{\mathrm{SinU}\&CenterDot;n^{\&prime;}\&CenterDot;\mathrm{Sin}{U}^{\&prime;}-(L-R)\mathrm{SinU}\&CenterDot;n^{\&prime;}\mathrm{Cos}{U}^{\&prime;}[\frac{\mathrm{SinU}}{\sqrt{R^2-{(L-R)}^2{\mathrm{Sin}}^{2}U}}-\frac{\mathrm{SinU}}{\sqrt{n^{\&prime;2}{R}^2-{(L-R)}^2{\mathrm{Sin}}^{2}U}}]}{n^{\&prime;2}{\mathrm{Sin}}^2{U}^{\&prime;}}$

$\frac{\&PartialD;d}{\&PartialD;U}=\frac{(L-R)\mathrm{CosU}\&CenterDot;n^{\&prime;}\&CenterDot;\mathrm{Sin}{U}^{\&prime;}-(L-R)\mathrm{SinU}\&CenterDot;n^{\&prime;}\mathrm{Cos}{U}^{\&prime;}[1+\frac{(L-R)\mathrm{CosU}}{\sqrt{R^2-{(L-R)}^2{\mathrm{Sin}}^{2}U}}-\frac{(L-R)\mathrm{CosU}}{\sqrt{n^{\&prime;2}{R}^2-{(L-R)}^2{\mathrm{Sin}}^{2}U}}]}{n^{\&prime;2}{\mathrm{Sin}}^2{U}^{\&prime;}}$

$\mathrm{\&Delta;d}=\left|\frac{\&PartialD;d}{\&PartialD;R}\right|\left|\mathrm{\&Delta;R}\right|+\left|\frac{\&PartialD;d}{\&PartialD;n^{\&prime;}}\right|\left|\mathrm{\&Delta;}{n}^{\&prime;}\right|+\left|\frac{\&PartialD;d}{\&PartialD;L}\right|\left|\mathrm{\&Delta;L}\right|+\left|\frac{\&PartialD;d}{\&PartialD;U}\right|\left|\mathrm{\&Delta;U}\right|$

设n=1.5163 R=50mm L=10mm U=0.071247 Δn’=0.0001 ΔR=0.05mmΔL=0.1μm ΔU=0.001代入上式

Δd=0.0259|ΔR|+6.5868|Δn′|+1.2460|ΔL|+0.2940|ΔU|

=1.295+0.659+0.125+0.294

=2.37μm

综合测量误差

$\mathrm{\&Delta;}=\sqrt{\frac{\mathrm{\&Delta;}{h}^2+\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&omega;}}^2+\mathrm{\&Delta;}{d}^2}{n-1}}=\sqrt{\frac{{0.31}^2+{0.51}^2+{2.37}^2}{3-1}}=1.73\mathrm{\&mu;m},$ 小于现有的各类非接触式测量方法的误差值。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种非接触式透镜中心厚度测量方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，将待测透镜安装在五维调整架上，再将五维调整架安装在导轨上，同时在导轨一侧安装双频激光测长装置；

第二，调整五维调整架在导轨上的位置，使激光干涉仪标准镜头聚焦于被测透镜第一表面顶点猫眼像位置处，双频激光测长装置同时记录下此时导轨的第一位置值；

第三，移动五维调整架，使激光干涉仪标准镜头透过第一表面，聚焦于透镜第二表面猫眼像位置处，双频激光测长装置同时记录下此时导轨的第二位置值；

第四，通过计算导轨从第一位置移动到第二位置的值，即可得到透镜中心光程测量值L；

最后，将所测得的值代入以下公式即可计算出透镜的中心厚度值d：

$d=R+\frac{1}{n^{\&prime;}}(L-R)\frac{\mathrm{SinU}}{\mathrm{Sin}{U}^{\&prime;}}$

其中 $U^{\&prime;}=U+\arcsin \left[\frac{(L+R)\mathrm{SinU}}{R}\right]-\arcsin \left[\frac{(L-R)\mathrm{SinU}}{n^{\&prime;}R}\right]$

式中n’：透镜折射率

R：第一表面曲率半径，凸面取“+”，凹取“-”，

L：光程测量值，取“+”，

U：物方孔径角，

U’：像方孔径角。

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