CN104061867B - 一种光谱共焦式透镜中心厚度测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光谱共焦式透镜中心厚度测量方法及装置。现有方法和装置在测量时存在的较大误差且耗时。所述测量方法是利用面阵相机和电视图像辅助定心，然后采用光谱共焦的手段测量光学透镜的中心厚度；保证测量对象的正确性，大大提高测试结果的准确性。本发明的装置在光谱共焦测量透镜厚度中扩增了一路监视用光路，定心光路与测量光路重合度高，减少了不必要的硬件的浪费，有效控制了装置的成本。

Description

一种光谱共焦式透镜中心厚度测量方法及装置

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种光谱共焦式透镜中心厚度测量方法及装置。

背景技术

光学透镜是由玻璃或聚合材料制成的，高质量的光学透镜有着严格的公差限制。在光学领域中，中心厚度是透镜的一个基本参数，其中透镜中心厚度会直接影响透镜的焦距、曲率半径、理论像差等参数，对光学系统的成像质量产生较大的影响，所以必须在加工过程中进行有效的测量。

针对光学透镜中心厚度的测量，除了对光学元件表面有一定损伤的破坏性测量方法外，光学工程领域的专家学者提出了几种无损测量的方法，发表的文献主要包括：2003年《西安工业学院学报》的《透镜中心厚度测量仪的设计》，该文献中采用干涉法测量透镜中心厚度，干涉法本身的精度虽然比较高，但是极易受到外界气流、振动等环境因素的影响，难以提高精度，而且该方法的结构比较复杂，成本较高。2011年《仪器仪表学报》的《基于共焦法的透镜厚度测量系统设计》，该文献采用白光作为共焦光源，利用被测透镜上下表面反射回来的光谱信息计算透镜的厚度。白光光源出射的光束经过光学系统后，按波长汇聚在光轴上，形成一个由短波到长波纵向逐渐变化的彩带，λmin---λmax就是测量范围。根据共焦法原理，当被测透镜置于测量范围内时，从光源发出的探测光经光学系统聚焦到被测透镜上，如果物体恰好在某波长会聚的焦点上，则该波长的光在透镜表面发生反射，反射的光通过光学系统会聚到针孔。被测透镜反射回来的光被光谱仪接收，进行光谱分析再将所得数据传输给计算机，通过数据处理最终确定被测透镜厚度。2012年《仪器仪表学报》的《激光差动共焦透镜中心厚度测量系统的研制》介绍了一种利用差动共焦技术的高轴向层析特性和轴向响应曲线的绝对零点对被测透镜的前表面顶点和后表面顶点分别进行精密瞄准定位，然后计算透镜中心厚度的方法。所谓光学透镜中心厚度，是指透镜前后表面定心顶点之间的距离。所谓定心是校准光轴与几何基准轴不重合的一个过程。因此要准确测量光学透镜的中心厚度，首先需要对被测透镜进行有效的定心措施。以上两种测试系统，方法自身的测量精度均达到1um水平，但是因为这两种方案在实施过程中都没有相应的定心措施，透镜自身的装夹位置、姿态均会影响中心厚度的测量，因此其测量准确性大打折扣。

2013年《长春理工大学学报》的《透镜中心厚度测量方法及装置的研究》介绍了一种配合二维移动平台机械扫描确认透镜中心，然后采用光谱共焦方法进行测量的透镜中心厚度测量方法。该方法考虑了偏心对透镜中心厚度测量的影响，缺点在于机械扫描耗时长，效率低，定位精度受到位移平台的驱动电机及导轨精度的制约，而且扩充电控位移平台增加了测试系统本身的成本。

发明内容

本发明目的是为了解决现有方法和装置在测量时存在的较大误差，提供一种光谱共焦式透镜中心厚度测量方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种光谱共焦式透镜中心厚度的测量方法，包括下述步骤：

（1）根据被测透镜的口径，选择安装匹配的可调透镜装载台上；将被测透镜放置于可调透镜装载台上；

（2）打开宽带光源，宽带光源发出的光透过第一无色差扩束准直光学透镜后，形成宽带平行光束，；宽带平行光束经第一分光棱镜后进入色散透镜组，在空间形成一系列的聚焦点并聚焦于有一定偏心的被测透镜前后表面的不同准单色光，被反射并二次经过色散透镜组，出射与入射光等口径、光轴横向偏移的平行单色光束对；该光束对经第一分光棱镜、第二分光棱镜反射；

（3）将面阵相机中心位置标记为O1，监视电视中心位置标记为O2，经第一分光棱镜、第二分光棱镜反射形成两束反射光后，一部分反射光到达面阵相机；另一部分反射光由第二无色差光学透镜聚焦，并经针孔滤波后，由光谱探测器接收，并交由信息处理显示模块处理；先手动调整可调透镜装载台，观察监视电视，直至观察到面阵相机上接收的聚焦光斑对均与O2重合，由于面阵相机中心与监视电视的显示中心统一，实现被测透镜的定心，然后通过信息处理显示模块处理另一部分反射光进而测量出被测透镜的中心厚度。

上述的光谱共焦式透镜中心厚度的测量方法所采用的装置，包括宽带光源，包括第一无色差扩束准直光学透镜、第一分光棱镜、色散透镜组、第二分光棱镜、面阵相机、第二无色差光学透镜、针孔、光谱探测器、信息处理显示模块、监视电视、被测透镜及可调透镜装载台；

被测透镜位于可调透镜装载台上，所述宽带光源发出的入射光经第一无色差扩束准直光学透镜、第一分光棱镜和色散透镜组入射到位于可调透镜装载台上的被测透镜上；第一分光棱镜的反射光路上依次设置有第二分光棱镜、第二无色差光学透镜、针孔及光谱探测器；第二分光棱镜的反射光路上设置有面阵相机；所述面阵相机中心与监视电视的显示中心统一；光谱探测器与信息处理显示模块连接。

所述可调透镜装载台为多自由度可调装置，具体为手动倾斜台，型号为WNO1SM3；或者手动二维位移台，其型号为WN201ZM13H。

与现有技术相比较，本发明具有以下显著优点：

1、本发明的装置在光谱共焦测量透镜厚度中扩增了一路监视用光路，定心光路与测量光路重合度高，减少了不必要的硬件的浪费，有效控制了装置的成本；本发明的透镜中心厚度在测量前，首先进行透镜定心，消除透镜偏心造成的测试误差，保证测量对象的正确性，大大提高测试结果的准确性；

2、本发明采用电视图像辅助定心方法直观且操作简单，大大节约了测试时间，提高了装置的工作效率；

3、本发明的定心方法是对被测透镜的类型（平凸、平凹等）及透镜的光轴偏离方式、偏离大小无关，只需要保证最终透镜前后表面的反射光斑均匀电视图像中心统一即可，定心准确，具有高精度，有效保证了中心厚度测量结果的精确性；

4.本发明装置可以适用于不同材料、不同口径、不同曲率半径（包括平凸、平凹、双凸、双凹、弯月、平行平板等）透镜中心厚度的非接触高精度测量，对被测透镜无损伤，测量速度快。

附图说明

图1本发明的光谱共焦式透镜中心厚度测量方法原理光路图；

图2 被测透镜定心前电视图像其中一种状态示意图；

图3 被测透镜定心后电视图像示意图。

其中：1. 宽带光源；2. 第一无色差扩束准直光学透镜；3. 第一分光棱镜；4. 色散透镜组；5. 第二分光棱镜；6. 面阵相机；7. 第二无色差光学透镜；8. 针孔；9. 光谱探测器；10. 信息处理显示模块；11. 监视电视；12. 可调透镜装载台；13. 被测透镜。

具体实施方式

下面结合实施例和附图来进一步说明本发明。

本发明的基本思想是利用面阵相机和电视图像辅助定心，然后采用光谱共焦的手段测量光学透镜的中心厚度。

参见图1，一种光谱共焦式透镜中心厚度的测量方法，包括下述步骤：

（1）根据被测透镜的口径，选择安装匹配的可调透镜装载台上；将被测透镜13放置于可调透镜装载台上；

（2）打开宽带光源，宽带光源1发出的光透过第一无色差扩束准直光学透镜2后，形成宽带平行光束，；宽带平行光束经第一分光棱镜3后进入色散透镜组4，在空间形成一系列的聚焦点并聚焦于有一定偏心的被测透镜13前后表面的不同准单色光，被反射并二次经过色散透镜组4，出射与入射光等口径、光轴横向偏移的平行单色光束对；该光束对经第一分光棱镜3、第二分光棱镜5反射；

（3）将面阵相机中心位置标记为O1，监视电视中心位置标记为O2，经第一分光棱镜3、第二分光棱镜5反射形成两束反射光后，一部分反射光到达面阵相机6；另一部分反射光由第二无色差光学透镜7聚焦，并经针孔8滤波后，由光谱探测器9接收，并交由信息处理显示模块10处理；先手动调整可调透镜装载台12，观察监视电视11，直至观察到面阵相机6上接收的聚焦光斑对均与O2重合，由于面阵相机6中心与监视电视11的显示中心统一，实现被测透镜的定心，然后通过信息处理显示模块处理另一部分反射光进而测量出被测透镜的中心厚度。

上述光谱共焦式透镜中心厚度的测量方法所采用的装置，包括宽带光源，包括第一无色差扩束准直光学透镜2、第一分光棱镜3、色散透镜组4、第二分光棱镜5、面阵相机6、第二无色差光学透镜7、针孔8、光谱探测器9、信息处理显示模块10、监视电视11、被测透镜13及可调透镜装载台12；

被测透镜13位于可调透镜装载台12上，所述宽带光源1发出的入射光经第一无色差扩束准直光学透镜2、第一分光棱镜3和色散透镜组4入射到位于可调透镜装载台上的被测透镜上；第一分光棱镜3的反射光路上依次设置有第二分光棱镜5、第二无色差光学透镜7、针孔8及光谱探测器9；第二分光棱镜5的反射光路上设置有面阵相机6；面阵相机6中心与监视电视11的显示中心统一；光谱探测器与信息处理显示模块连接。

可调透镜装载台12为多自由度可调装置，具体为手动倾斜台，型号为WNO1SM3；或者手动二维位移台，其型号为WN201ZM13H。

实施例

双凸透镜中心厚度测量实例

如图1所示，一种光谱共焦式透镜中心厚度测量方法，其测量步骤是：

（1）根据被测透镜的口径，选择安装匹配的可调透镜装载台上；将被测透镜13放置于可调透镜装载台上；

（2）打开光源，宽带光源1发出的光经过第一无色差扩束准直光学透镜2后，形成宽带平行光束，不同波长的光无位相差异，平行光经第一分光棱镜3后进入色散透镜组4，不同波长的光产生光谱色散，在空间形成一系列的聚焦点并聚焦于有一定偏心量的被测双凸透镜13前后表面的不同准单色光，被反射并二次经过色散透镜组4，出射与入射光等口径、光轴横向偏移的平行单色光束对；该光束对经第一分光棱镜3、第二分光棱镜5反射后；

（3）该光束对经第一分光棱镜3、第二分光棱镜5反射后；一部分到达面阵相机6，由于图1中被测双凸透镜的光轴与测试光轴相比，同时存在一定量的偏离及倾斜，导致面阵相机6上接受到的聚焦光斑对没有与其中心O1重合，而是分别入射到面阵相机6的第一、二象限，此时，监视电视11上分别在第一、二象限显示两个光斑，如附图2所示；这时候，手动调节可调透镜装载台12，观察监视电视11上被测透镜前后表面反射光斑的聚焦位置改变，因为仅有当被测透镜的光轴与几何基准轴共线时，才会使得被测透镜前后反射面的反射光斑均与监视电视11中心O2重合，所以直至观察到三者重合现象，如附图3所示，停止调节可调透镜装载台，此时，另一部分反射光由第二无色差光学透镜7聚焦，并经针孔8滤波后，由光谱探测器9接受，并交由信息处理显示模块10处理，测量出被测透镜的中心厚度。

由于测量前首先进行了光学定心，因此大大提高了测试结果的准确性。

Claims (3)

1.一种光谱共焦式透镜中心厚度的测量方法，其特征在于：包括下述步骤：

（1）根据被测透镜的口径，选择安装匹配的可调透镜装载台上；将被测透镜（13）放置于可调透镜装载台上；

（2）打开宽带光源，宽带光源（1）发出的光透过第一无色差扩束准直光学透镜（2）后，形成宽带平行光束；宽带平行光束经第一分光棱镜（3）后进入色散透镜组（4），在空间形成一系列的聚焦点并聚焦于有一定偏心的被测透镜（13）前后表面的不同准单色光，被反射并二次经过色散透镜组（4），出射与入射光等口径、光轴横向偏移的平行单色光束对；该光束对经第一分光棱镜（3）、第二分光棱镜（5）反射；

（3）将面阵相机中心位置标记为O1，监视电视中心位置标记为O2，经第一分光棱镜（3）、第二分光棱镜（5）反射形成两束反射光后，一部分反射光到达面阵相机（6）；另一部分反射光由第二无色差光学透镜（7）聚焦，并经针孔（8）滤波后，由光谱探测器（9）接收，并交由信息处理显示模块（10）处理；先手动调整可调透镜装载台（12），观察监视电视（11），直至观察到面阵相机（6）上接收的聚焦光斑对均与O2重合，由于面阵相机（6）中心与监视电视（11）的显示中心统一，实现被测透镜的定心，然后通过信息处理显示模块处理另一部分反射光进而测量出被测透镜的中心厚度。

2.如权利要求1所述的光谱共焦式透镜中心厚度的测量方法所采用的装置，包括宽带光源，其特征在于：包括第一无色差扩束准直光学透镜（2）、第一分光棱镜（3）、色散透镜组（4）、第二分光棱镜（5）、面阵相机（6）、第二无色差光学透镜（7）、针孔（8）、光谱探测器（9）、信息处理显示模块（10）、监视电视（11）、被测透镜（13）及可调透镜装载台（12）；

被测透镜（13）位于可调透镜装载台（12）上，所述宽带光源（1）发出的入射光经第一无色差扩束准直光学透镜（2）、第一分光棱镜（3）和色散透镜组（4）入射到位于可调透镜装载台上的被测透镜（13）上；第一分光棱镜（3）的反射光路上依次设置有第二分光棱镜（5）、第二无色差光学透镜（7）、针孔（8）及光谱探测器（9）；第二分光棱镜（5）的反射光路上设置有面阵相机（6）；所述面阵相机（6）中心与监视电视（11）的显示中心统一；光谱探测器（9）与信息处理显示模块（10）连接。

3.根据权利要求2所述的光谱共焦式透镜中心厚度的测量方法所采用的装置，其特征在于：所述可调透镜装载台（12）为多自由度可调装置，具体为手动倾斜台，型号为WNO1SM3；或者手动二维位移台，其型号为WN201ZM13H。