CN107990833A - 光学镀膜透镜中心厚度测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了光学镀膜透镜中心厚度测量装置及方法，包括光源、分光装置、光学探头、光谱仪和计算机；所述光源和分光装置相连，所述分光装置、所述光学探头和被测镀膜透镜的中心位于同一光路上，且按照光路方向先后依次排列；所述分光装置的光入射端与所述光谱仪相连接，所述光谱仪与所述计算机相连接；所述分光装置与所述光学探头由支撑架固定，所述被测镀膜透镜由位于载物台上的夹具固定；所述光源依次经所述分光装置与所述光学探头之后，其光斑能够打在所述夹具的中心位置；所述计算机通过对光谱数据处理计算得出镀膜透镜中心的厚度值。本发明无需直接接触样品，不会对样品表面造成损失；使用本发明拟合的厚度计算方法，精度大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及光学精密测量技术领域，特别是涉及光学镀膜透镜中心厚度测量装置及方法。
背景技术
随着信息产业的发展，光学透镜的需求不断增大，对器件特性的要求也越来越高。在光学领域中，中心厚度、折射率和曲率半径是透镜的三项基本参数，其中透镜中心厚度加工的误差是影响光学系统成像的重要因素。例如在航空、航天等高精度光学系统产品中，对透镜的公差有着严格的要求，透镜的光轴偏角、径向偏移和轴向间隙需要根据镜头中透镜的中心厚度来进行精密的调整。而其加工是否满足精度要求，则需要高精度的仪器对其进行检查和测量。
现代光学透镜通常都镀有单层或多层氟化镁的增透膜，单层增透膜可使反射减少至1.5％，多层增透膜则可让反射降低至0.25％，因此镀膜透镜中心厚度的测量成为生产中一个必不可少的环节。
发明内容
本发明的目的是提供一种方便快速精确的光学镀膜透镜中心厚度测量装置及测量方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
光学镀膜透镜中心厚度测量装置，包括光源、分光装置、光学探头、光谱仪和计算机；所述光源和分光装置相连，所述分光装置、所述光学探头和被测镀膜透镜的中心位于同一光路上，且按照光路方向先后依次排列；所述分光装置的光入射端与所述光谱仪相连接，所述光谱仪与所述计算机相连接；
所述分光装置与所述光学探头由支撑架固定，所述被测镀膜透镜由位于载物台上的夹具固定；所述光源依次经所述分光装置与所述光学探头之后，其光斑能够打在所述夹具的中心位置；
所述计算机通过对光谱数据处理得出镀膜透镜中心的厚度值。
进一步，所述支撑架上设有悬臂，摇动所述悬臂能够带动所述分光装置和所述光学探头上下移动。
进一步，还包括定中心工具；所述定中心工具与所述夹具相对固定连接，所述定中心工具顶面的小孔对准所述被测镀膜透镜的中心。
进一步，所述定中心工具为圆柱形的筒，其底面卡入位于所述夹具中心位置的圆形凹槽内。
进一步，所述载物台上设有旋钮，旋动所述旋钮能够带动所述载物台水平移动。
进一步，所述旋钮为两个，一个用于带动所述载物台前后移动，另一个用于带动所述载物台左右移动。
进一步，所述光源采用Ocean Optics LS-1-LL卤素灯白光光源，所述光谱仪选用的Ocean Optics USB 4000。
基于上述测量装置，本发明还提出了一种光学镀膜透镜中心厚度的测量方法，包括如下步骤：
步骤1，选择与被测镀膜透镜匹配的夹具，将被测样品固定于载物台上；
步骤2，将圆柱形的定中心工具插入所述夹具中心位置的圆形凹槽内，摇动支撑架右边的悬臂带动分光装置及光学探头上下移动，通过改变两者到所述定中心工具上表面的垂直距离，使得光斑的焦点打在所述定中心工具表面上。
步骤3，旋动载物台两侧的两个旋钮，分别控制载物台在前后方向及左右方向水平横移，使得焦点刚好与所述定中心工具上表面中心位置的小孔重合；定好中心后，固定样品台，取出“定中心工具”。
步骤4，启动计算机，在光学镜片中心厚度测量软件主界面点击“连接”按钮，软件左下方会显示“光谱仪连接成功”，然后点击“测量”按钮，软件界面出现一条红色的谱线；点击“重置”按钮，红色谱线出现波峰，再点击“设置”按钮，会弹出一个对话框，调整积分时间，配合调整光强大小，使未放置透镜时光谱能量波峰值在30000-35000之间；点击“零件选择”按钮，选择出所需要的镜片型号；
步骤5，点击“测量”，出现红色谱线后如果谱线异常，盖好光筒盖子，点击“暗背景”扣除暗背景；取开光筒盖子，屏幕中间的谱图界面将会出现两个尖峰，当被测透镜未镀膜时，摇动仪器右侧的旋臂使得两个峰的对应波长在700nm之前；当被测透镜为镀膜透镜时，摇动仪器右侧的旋臂使得两个峰的对应波长在650nm之后，并且调整两峰强度接近；在“零件选择”里输入归零厚度，然后点击“校正”，界面中下方将会出现测试样品的厚度并且自动判别样品的厚度是否合格；
步骤6，测试完毕后，点击“退出”或右上角关闭按钮，关闭软件；关闭光源；盖好光筒盖子以防镜筒污染。
进一步，上述测量方法还包括：在选择所需要的镜片型号时如果数据库里没有此类型的镜片，则需要手动添加，具体方法为：点击“添加零件”按钮，输入编号，选择待测样品的类型(镀膜或未镀膜)，输入待测面的曲率、定位面的曲率、标准厚度、归零厚度、上限、下限、玻璃牌号、Nd值等参数，点击“确定”后返回，玻璃参数设置完毕。
进一步，所述光学镜片中心厚度测量软件采用C++基于MFC框架编写实现。
本发明的有益效果：
本发明通过光源发出的白光经过所述分光装置耦合，通过光学探头出射到被测镀膜透镜上进行反射和折射，所述光谱仪接收到返回光进行光谱分析并传输至计算机，所述计算机进行镀膜透镜中心厚度的计算，可实现快速，精确地测量镀膜透镜的中心厚度。相比于传统的测量方法，本发明无须直接接触被测样品，不会对样品表面造成损伤，该方法受外界的影响小，精确的设备保证了所得数据的准确性，是一种非常有效的镀膜透镜中心厚度测量方法。此外，中心厚度的计算表达式为本发明进行精确的拟合得到，与现有的计算表达式相比，本发明的计算方法精度大大提高。
附图说明
图1是本发明镀膜透镜厚度检测装置的结构示意图；
图2是本发明光学透镜厚度检测方法公式示意图；
图中：1-光源、2-分光装置、3-光学探头、4-支撑架、5-悬臂、6-夹具、7-载物台、8-光谱仪、9-计算机、10-定中心工具。
具体实施方式
本发明提出了一种光学镀膜透镜中心厚度测量装置，包括光源、分光装置、光学探头、光谱仪和计算机；所述光源和分光装置相连，分光装置、光学探头和被测镀膜透镜的中心位于同一光路上，且依次排列；所述分光装置的光入射端和光谱仪相连接，光谱仪连接至计算机上；所述测量装置还包括固定分光装置及光学探头的支撑架和固定被测镀膜透镜的载物台与夹具。
根据上述测量装置，所采用的光学镀膜透镜中心厚度的测量方法包括以下步骤：
步骤A：开启光源，选择合适的夹具并使得光斑焦点打在夹具中心位置；
步骤B：启动软件，调整光源能量大小使其符合测量要求；
步骤C：选择透镜型号，若数据库不存在此透镜则手动输入透镜各参数值；
步骤D：放置待测透镜，根据透镜是否镀膜，在测量界面中选择镀膜透镜或未镀膜透镜；
步骤E：扣除暗背景后，光谱区呈现两个红色的波峰，调整使两个波峰峰值相等或接近；
步骤F:经过计算机对光谱数据的处理，得出透镜中心厚度的值
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。
参照图1，镀膜透镜中心厚度测量装置包括光源、分光装置、光学探头、光谱仪和计算机，所述光源和分光装置相连，分光装置、光学探头和被测镀膜透镜的中心位于同一光路上，且按光路方向先后依次排列，所述分光装置的另一端和光谱仪相连接，光谱仪连接至计算机上。
选用的光源为Ocean Optics LS-1-LL卤素灯白光光源，其光谱范围在360-2000nm之间。
所采用的光纤型号均为E50-3，在光纤的末端安置了一个反射式的探头，从而让光谱仪能顺利接收到反射回来的光。
光谱仪选用的Ocean Optics USB 4000，它采用了Toshiba的3648像元的线阵CCD，光谱范围为200-1100nm，光学分辨率可以达到0.02nm。
所述光学透镜中心厚度的计算公式具体如下：
建立几何光学模型，如图2中，在△ABE中，利用正弦定律有：
其中，θ1表示波长为λ2的光线的入射角，R是透镜上表面的曲率半径，d1是两种波长光线在光轴DE上焦点的距离，α是波长为λ2的光线与光轴DE的夹角。
根据折射定律有：
sin θ1＝nsin θ2
其中，θ2表示波长为λ2的光线的折射角，n是透镜的折射率。
根据图中简单的三角关系可以推出：
β＝α+θ2-θ1
其中β表示波长为λ2的光线经透镜上表面折射后的光线与光轴DE的夹角。
在△ACE中，利用正弦定理以及简单的几何关系可以推出：
其中d2为透镜中心的厚度。
所以待测透镜的中心厚度为：
其中，f(λ1)和f(λ2)表示波长为λ1和λ2的光线与光轴DE的焦点位置。
通过多次多组的测量，用所得数据进行拟合可得：
未镀膜透镜的中心厚度公式：
其中Δλ＝λ2-λ1。
镀膜透镜的中心厚度公式：
利用上述测量装置，测量透镜中心厚度的具体步骤包括如下：
步骤1，首先选择与样品合适的夹具，固定于样品台上。
步骤2，将圆柱形的“定中心工具”插入夹具中心位置的圆形凹槽内，摇动右边的悬臂带动分光装置及光学探头，使其可以上下移动，通过改变两者到“定中心工具”上表面的垂直距离，使得光斑的焦点打在“定中心工具”表面上。
步骤3，旋动二维调节装置，即载物台两侧有两个控制其水平移动的旋钮，分别旋动二者，控制载物台在前后方向及左右方向水平横移，使得焦点刚好与“定中心工具”上表面中心位置的小孔重合，定好中心后，固定样品台，取出“定中心工具”。
步骤4，启动计算机软件，在软件主界面点击“连接”，软件左下方会显示“光谱仪连接成功”，然后点击“测量”按钮，软件界面出现一条红色的谱线。点击“重置”，红色谱线出现波峰，再点击“设置”，会弹出一个对话框，调整积分时间，配合调整光强大小，使未放置透镜时光谱能量波峰值在30000-35000之间。点击“零件选择”，选择出所需要的镜片型号，如果数据库里没有这个类型的镜片则需要手动添加，点击“添加零件”按钮，输入编号，选择待测样品的类型(镀膜或未镀膜)，输入待测面的曲率、定位面的曲率、标准厚度、归零厚度、上限、下限、玻璃牌号、Nd值等参数，点击“确定”后返回，玻璃参数设置完毕。
固定好样品台之后，在夹具上放置待测样品，样品平放在夹具中，保证样品能在夹具中旋动，但不能左右晃动。点击“零件选择”，在“编号”空格中，输入并选中刚刚在“添加零件”设置的编号，选定之后，下方的空格中将会出现之前设置好的参数。
步骤5，点击“测量”，出现红色谱线后如果谱线异常，盖好光筒盖子，点击“暗背景”扣除暗背景。取开光筒盖子，屏幕中间的谱图界面将会出现两个尖峰，当被测透镜未镀膜时，摇动仪器右侧的旋臂使得两个峰的对应波长在700nm之前；当被测透镜为镀膜透镜时，摇动仪器右侧的旋臂使得两个峰的对应波长在650nm之后，并且调整两峰强度接近；在“零件选择”里输入归零厚度，然后点击“校正”，界面中下方将会出现测试样品的厚度并且自动判别样品的厚度是否合格。
步骤6，测试完毕后，点击“退出”或右上角关闭按钮，关闭软件。关闭光源。盖好光筒盖子以防镜筒污染。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.光学镀膜透镜中心厚度测量装置，其特征在于，包括光源、分光装置、光学探头、光谱仪和计算机；所述光源和分光装置相连，所述分光装置、所述光学探头和被测镀膜透镜的中心位于同一光路上，且按照光路方向先后依次排列；所述分光装置的光入射端与所述光谱仪相连接，所述光谱仪与所述计算机相连接；
所述分光装置与所述光学探头由支撑架固定，所述被测镀膜透镜由位于载物台上的夹具固定；所述光源依次经所述分光装置与所述光学探头之后，其光斑能够打在所述夹具的中心位置；
所述计算机通过对光谱数据处理计算得出镀膜透镜中心的厚度值。
2.根据权利要求1所述的光学镀膜透镜中心厚度测量装置，其特征在于，所述支撑架上设有悬臂，摇动所述悬臂能够带动所述分光装置和所述光学探头上下移动。
3.根据权利要求1所述的光学镀膜透镜中心厚度测量装置，其特征在于，还包括定中心工具；所述定中心工具与所述夹具相对固定连接，所述定中心工具顶面的小孔对准所述被测镀膜透镜的中心。
4.根据权利要求3所述的光学镀膜透镜中心厚度测量装置，其特征在于，所述定中心工具为圆柱形的筒，其底面卡入位于所述夹具中心位置的圆形凹槽内。
5.根据权利要求1所述的光学镀膜透镜中心厚度测量装置，其特征在于，所述载物台上设有旋钮，旋动所述旋钮能够带动所述载物台水平移动。
6.根据权利要求5所述的光学镀膜透镜中心厚度测量装置，其特征在于，所述旋钮为两个，一个用于带动所述载物台前后移动，另一个用于带动所述载物台左右移动。
7.根据权利要求1-6任一项所述的光学镀膜透镜中心厚度测量装置，其特征在于，所述计算镀膜透镜中心的厚度值的公式采用拟合的方法得出，具体计算表达式如下：
未镀膜透镜的中心厚度计算公式：
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镀膜透镜的中心厚度计算公式：
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8.一种光学镀膜透镜中心厚度的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，选择与被测镀膜透镜匹配的夹具，将被测样品固定于载物台上；
步骤2，将圆柱形的定中心工具插入所述夹具中心位置的圆形凹槽内，摇动支撑架右边的悬臂带动分光装置及光学探头上下移动，通过改变两者到所述定中心工具上表面的垂直距离，使得光斑的焦点打在所述定中心工具表面上。
步骤3，旋动载物台两侧的两个旋钮，分别控制载物台在前后方向及左右方向水平横移，使得焦点刚好与所述定中心工具上表面中心位置的小孔重合；定好中心后，固定样品台，取出“定中心工具”。
步骤4，启动计算机，在光学镜片中心厚度测量软件主界面点击“连接”按钮，软件左下方会显示“光谱仪连接成功”，然后点击“测量”按钮，软件界面出现一条红色的谱线；点击“重置”按钮，红色谱线出现波峰，再点击“设置”按钮，会弹出一个对话框，调整积分时间，配合调整光强大小，使未放置透镜时光谱能量波峰值在30000-35000之间；点击“零件选择”按钮，选择出所需要的镜片型号；
步骤5，点击“测量”，出现红色谱线后如果谱线异常，盖好光筒盖子，点击“暗背景”扣除暗背景；取开光筒盖子，屏幕中间的谱图界面将会出现两个尖峰，当被测透镜未镀膜时，摇动仪器右侧的旋臂使得两个峰的对应波长在700nm之前；当被测透镜为镀膜透镜时，摇动仪器右侧的旋臂使得两个峰的对应波长在650nm之后，并且调整两峰强度接近；在“零件选择”里输入归零厚度，然后点击“校正”，界面中下方将会出现测试样品的厚度并且自动判别样品的厚度是否合格；
步骤6，测试完毕后，点击“退出”或右上角关闭按钮，关闭软件；关闭光源；盖好光筒盖子以防镜筒污染。
9.根据权利要求8所述的一种光学镀膜透镜中心厚度的测量方法，其特征在于，还包括：在选择所需要的镜片型号时如果数据库里没有此类型的镜片，则需要手动添加，具体方法为：点击“添加零件”按钮，输入编号，选择待测样品的类型(镀膜或未镀膜)，输入待测面的曲率、定位面的曲率、标准厚度、归零厚度、上限、下限、玻璃牌号、Nd值等参数，点击“确定”后返回，玻璃参数设置完毕。
10.根据权利要求8或9所述的一种光学镀膜透镜中心厚度的测量方法，其特征在于，所述光学镜片中心厚度测量软件采用C++基于MFC框架编写实现。
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