CN104154868A - 一种基于双焦镜的非接触透镜中心厚度测量装置 - Google Patents

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王伟
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Abstract

本发明属于光学测量技术领域，具体为一种基于双焦镜的非接触透镜中心厚测量装置。测量装置包括激光器、1/2波片、扩束准直镜、分光棱镜、双焦透镜、显微物镜、检偏器、聚光镜、CCD；其中：所述激光器、1/2波片、扩束准直镜、分光棱镜、双焦透镜、显微物镜从左到右依次排列，所述检偏器、聚光镜、CCD从上到下设置在分光棱镜的下方。本发明利用双焦点偏振干涉原理，提高非接触测量精度，简化测量过程。

Description

一种基于双焦镜的非接触透镜中心厚度测量装置
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，具体涉及一种透镜中心厚度的测量装置。
背景技术
具有几百年历史的光学镜片冷加工工艺中，透镜的厚度是一项重要的指标，加工精度的好坏直接影响透镜成像质量，因此透镜中心厚测量仪器的精度，成为加工高质量透镜的保障。目前市场上已有的透镜中心厚测量仪有接触厚度测量仪和非接触式厚度测量仪，接触式厚度测量仪的优点在于操作简便，读数方便。但触点与透镜表面接触容易划伤玻璃表面，出现废品造成不必要的损失。所以一直以来，人们在寻求不接触透镜表面测量透镜中心厚的方法，共面电容法、图像法、干涉法和共焦法等方式就是人们不断探索中找到的方法。其中共面电容法在测量前需要根据被测透镜的材料对共面电容测头进行精确测试，取得可靠的数据，以此数据作为检测依据，测量透镜中心厚。这种测量方法的缺点是测量过程复杂。另一种图像法由于受成像物镜和CCD的分辨力影响，测量误差较大。共焦法测量透镜中心厚主要是利用被测透镜上下表面反射回来的光谱特性计算透镜的厚度，但是对应不同波长的玻璃材料折射率生产厂商并不提供，只能用插值获得测量所用光谱的折射率，测量误差较大。
激光差动共焦透镜中心厚度测量，是一种较为成熟的非接触厚度测量技术，它的工作原理是：利用差动共焦轴向光强响应绝对零点精确对应标准透镜焦点这一特性，对被测透镜的前表面顶点、后表面顶点分别进行精密瞄准定位，并由两次定位得到的移动距离，通过光线追迹算法计算透镜中心厚度。由于定点位置通过寻找最大光强点确定，系统的像差、光强捕捉分辨率等都会影响测量精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量过程简单、测量精度高的非接触式透镜中心厚度测量装置。
本发明提供的透镜中心厚度非接触式测量装置，其包括激光器1、1/2波片2、扩束准直镜3、分光棱镜4、双焦透镜5、显微物镜6、检偏器7、聚光镜8、CCD9；其中：所述激光器1、1/2波片2、扩束准直镜3、分光棱镜4、双焦透镜5、显微物镜6沿光轴从左到右依次排列，所述检偏器7、聚光镜8、CCD9从上到下依次设置在分光棱镜的下方。
本发明装置的工作原理如下：
如图2所示，光源激光器1发出偏振光，由1/2波片2调整偏振方向，进入扩束准直镜3，扩束准直镜3将激光器1发出细激光光束放大至6-10mm准直光束，准直光束进入分光棱镜4，部分光线通过分光棱镜4射入由双折射晶体材料和光学玻璃制成的双焦透镜5，双焦透镜5的双折射材料使e光会聚在e光焦点51，o光会聚于无限远，会聚于无限远的平行光通过显微物镜6聚焦在显微物镜6的焦点，也是被测透镜10的前表面101。会聚在e光焦点51 的e光，遵循显微物镜6物像关系，成像于相应位置即被测透镜10的后表面102。照射在被测透镜10的前表面101和后表面102的光束被部分光反射回显微物镜6，即根据光的可逆原理，反射光通过显微物镜6、双焦透镜5返回分光棱镜4，分光棱镜4将部分返回光转90度后射向检偏器7，检偏后的光束透过聚焦镜8, 投射到CCD9表面，被测量透镜10前、后表面反射回的激光束在CCD表面的叠加，形成干涉条纹；聚焦镜8的位置可以上下调节，其位置的不同可用于快速执行粗聚焦和精聚焦；当聚焦镜8的位置实现CCD9表面和被测量镜片10表面物像共轭时，通过光点大小进行粗聚焦；当聚焦镜偏离共轭时，出现条纹，偏离量不同干涉图大小不同。当从园环条纹向直条纹转变时，说明o光和e光准确会聚在被测量透镜的前后表面，否则需要进行聚焦精密调节。1/2波片2快轴方向（1/2波片表面有相互垂直的快轴和慢轴，使这两个方向的偏振的光产生1/2波长相位差）和检偏器7的光轴方向决定条纹信号的对比质量。
当被测透镜10的厚度变化时，调整双焦透镜5的位置，o光是平行光通过显微物镜6后的聚焦点不变，e光焦点51相对于显微物镜6的距离发生变化；当距离变大时，会聚点离o光聚焦点近，可测量薄透镜。当距离变小时，会聚点离o光聚焦点远，可测量厚透镜。同时双焦透镜5的位置还与被测量透镜的上表面半径r和透镜测量折射率n有关。
本发明装置可克服现有非接触式透镜中心厚测量技术的测量过程复杂，精度低、材料数据获取困难等缺点，测量过程简单，测量精度大大提高。
附图说明
图1是本发明的基于双焦镜的非接触透镜中心厚测量装置结构示意图。
图2是本发明的基于双焦镜的非接触透镜中心厚测量装置的光学原理图。
图3是本发明的基于双焦镜的非接触透镜中心厚测量装置的实施示意图。
具体实施方式
本发明提供的基于双焦镜的非接触透镜中心厚测量装置，其包括激光器1、1/2波片2、扩束准直镜3、分光棱镜4、双焦透镜5、显微物镜6、检偏器7、聚光镜8、CCD9.。    具如图1所示，所述激光器1、1/2波片2、扩束准直镜3、分光棱镜4、双焦透镜5、显微物镜6沿光轴上从左到右依次排列，所述检偏器7、聚光镜8、CCD9从上到下设置在分光棱镜4的下方。
本发明的工作原理是：
如图2所示，光源激光器1发出偏振光，由1/2波片2调整偏振方向，进入扩束准直镜3，扩束准直镜3将激光器1发出细激光光束放大至6-10mm准直光束，准直光束进入分光棱镜4，部分光线通过分光棱镜4射入由双折射晶体材料和光学玻璃制成的双焦透镜5，双焦透镜5的双折射材料使e光会聚在e光焦点51，o光会聚于无限远，会聚于无限远的平行光通过显微物镜6聚焦在显微物镜6的焦点也是被测透镜10的前表面101。会聚在e光焦点51e光，遵循显微物镜6物像关系，成像于相应位置即被测透镜10的后表面102。照射在被测透镜10的前表面101和后表面的光束被部分光反射回显微物镜6，即根据光的可逆原理，反射光通过显微物镜6、双焦透镜5返回分光棱镜4，分光棱镜4将部分返回光转90度后射向检偏器7，检偏后的光束透过聚焦镜8, 投射到CCD9表面，被测量透镜10前后表面反射回的激光束在CCD表面的叠加会形成干涉条纹，聚焦镜8可以上下调节，其位置的不同有助于粗聚焦和精聚焦的快速执行，当聚焦镜8的位置实现CCD9表面和被测量镜片10表面物像共轭时，通过光点大小进行粗聚焦，当聚焦镜偏离共轭时，出现条纹，偏离量不同干涉图大小不同。当从园环条纹向直条纹转变时说明o光和e光准确会聚在被测量透镜的前后表面，否则需要进行聚焦精密调节。1/2波片2快轴方向和检偏器7的光轴方向决定条纹信号的对比质量。
当被测透镜10的厚度变化时，调整双焦透镜5的位置，o光是平行光通过显微物镜6后的聚焦点不变，e光焦点51相对于显微物镜6的距离发生变化，当距离变大时，会聚点离o光聚焦点近，可测量薄透镜。当距离变小时，会聚点离o光聚焦点远，可测量厚透镜。同时双焦透镜5的位置还与被测量透镜的上表面半径r和透镜测量折射率n有关。
以e光焦点51与显微物镜6的主面重合为零点，双焦透镜5移动的距离就是显微物镜6的物距。
设：显微物镜6的物距为l；
显微物镜6的物距为l’；
显微物镜6的焦距为f’；
被测透镜前表面101球半径为r；
被测透镜10材料折射率为n;
被测透镜10的厚度为d；
则：
图3是本发明的一种基于双焦镜的非接触透镜中心厚测量方法的实施例，其包括激光器1、1/2波片2、扩束准直镜3、分光棱镜4、双焦透镜5、显微物镜6、检偏器7、聚光镜8、CCD9.、光标尺11、计算机12。按照上述的工作原理，系统根据输入参数选择显微物镜，双焦透镜5安装在带有光栅标尺11的导轨的滑块上，光栅尺11的读数l被计算机接收，CCD9信号和聚焦透镜8控制信号连接计算机12。工作时，被测透镜10安装到定中心工件台上，首先实行上表面聚焦，然后调整双焦透镜5位置，进行下表面聚焦，当计算机12屏幕上观察的CCD干涉图像趋于直条纹时，光标尺11记录双焦透镜5移动距离l，并将读数反馈给计算机12，计算机12根据上述公式进行数据计算并显示被测透镜10厚度值d。
如：显微物镜焦距：f’=10mm
被测镜片前表面球半径：r=10.52mm
被测镜片标称厚度： d=1.3mm
被测镜片折射率：  n=1.5163
光栅尺读数 l =11.731mm。
则：厚度测量值： d=1.299996mm
误差 0.0003%。
上述实施例也可用几个显微物镜6分段测量各种厚度不同的被测透镜10，这可使测试仪器的长度缩短，体积更小，灵敏度更高。分光棱镜4可以用分光镜片代替。

Claims (2)

1. 一种基于双焦镜的非接触透镜中心厚度测量装置，其特征在于包括激光器（1）、1/2波片（2）、扩束准直镜（3）、分光棱镜（4）、双焦透镜（5）、显微物镜（6）、检偏器（7）、聚光镜（8）、CCD（9）；其中：所述激光器（1）、1/2波片（2）、扩束准直镜（3）、分光棱镜（4）、双焦透镜（5）、显微物镜（6）沿光轴从左到右依次排列，所述检偏器（7）、聚光镜（8）、CCD（9）从上到下依次设置在分光棱镜的下方。
2. 根据权利要求1所述的基于双焦镜的非接触透镜中心厚度测量装置，其特征在于：
光源激光器（1）发出偏振光，由1/2波片（2）调整偏振方向，进入扩束准直镜（3），扩束准直镜（3）将激光器（1）发出细激光光束放大至6-10mm准直光束，准直光束进入分光棱镜（4），部分光线通过分光棱镜（4）射入由双折射晶体材料和光学玻璃制成的双焦透镜（5），双焦透镜（5）的双折射材料使e光会聚在e光焦点（51）；o光会聚于无限远，会聚于无限远的平行光通过显微物镜（6）聚焦在显微物镜（6）的焦点，也是被测透镜（10）的前表面（101）；会聚在e光焦点（51） 的e光，成像于相应位置即被测透镜（10）的后表面（102）；照射在被测透镜（10）的前表面（101）和后表面（102）的光束被部分光反射回显微物镜（6），即根据光的可逆原理，反射光通过显微物镜（6）、双焦透镜（5）返回分光棱镜（4），分光棱镜（4）将部分返回光转90度后射向检偏器（7），检偏后的光束透过聚焦镜（8）, 投射到CCD（9）表面，被测量透镜（10）前表面、后表面反射回的激光束在CCD（9）表面的叠加，形成干涉条纹；聚焦镜（8）的位置可以上下调节，用于快速执行粗聚焦和精聚焦；当聚焦镜（8）的位置实现CCD（9）表面和被测量镜片（10）表面物像共轭时，通过光点大小进行粗聚焦；当聚焦镜偏离共轭时，出现条纹，偏离量不同干涉图大小不同；当从园环条纹向直条纹转变时，说明o光和e光准确会聚在被测量透镜的前后表面，否则需要进行聚焦精密调节；1/2波片（2）快轴方向和检偏器（7）的光轴方向决定条纹信号的对比质量。
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