CN108225187B - 一种基于波前传感的非球面透镜误差检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波前传感的非球面透镜误差检测方法和装置，包括：获取透镜的波前泽尼克项与透镜加工误差之间的对应关系；基于所述对应关系，利用待测非球面透镜的实际波前来溯源检测所述非球面透镜的加工误差；其中，获取所述对应关系的过程具体包括：取若干用于分析的非球面透镜素材，分别进行波前检测和仿真，并计算各所述非球面透镜素材的实际和理论波前之间的偏差；根据同误差近似分布原则，对波前仿真测得的多个系数未知的泽尼克项进行系统聚类和相关性分析，以确定可代表不同加工误差的典型泽尼克项。本发明的方法属非接触式检测，方便快捷且检测过程不受操作人员主观因素影响，较为准确；尤其可用于加工流水线上的实时在线误差检测。

Description

一种基于波前传感的非球面透镜误差检测方法

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其是涉及一种基于波前传感的对透射旋转对称非球面透镜进行误差检测的方法。

背景技术

在很多领域都有应用，民用领域，比如光纤通讯、激光产品、数码相机、条形码读出头、电脑摄像头、手机摄像头等应用非常广泛，随着科技发展，其加工精度和速度有了很大提升，但是由于加工过程误差影响，需要对镜片质量进行更加高效和更高精度的检测。

对于所述透射旋转对称非球面，目前的注塑加工生产所存在的问题主要是效率和良率均不高，加工效率不高的原因是目前大多数的检测设备耗时较长，良率不高是因为生产的非球面存在面形误差、偏心、非对称、折射率等多种问题，透镜的成像质量是以上多个因素共同作用的结果。对于透镜的加工误差，仅通过单个因素的检测不能准确的评价镜片的加工质量，快速、准确的误差检测对于提高透镜的加工质量至关重要。

目前常用的镜片检测方案有以下几种：

1)表面干涉仪：干涉仪对于大偏离度和大偏离度斜率的非球面检测较为困难，其纵向、横向分辨率的解析度不高，所以需要分区域扫描干涉，并通过拼接的方式得到非球面的整个三维面形和误差，对于载物台的旋转位置精度和拼接算法精度要求极高，尤其是非球面斜率大的边缘区域扫描拼接误差较大。由于干涉是分区域扫描拼接所以耗时较长，且测量两个面时需要两次装夹调整，非球面有效口径为1mm和4mm的测量时间高达5min和40min，成级数增长，而且无法反映非球面镜片两个面的偏心倾斜等误差，对人员熟练操作水平要求极高；

2)表面轮廓仪：表面轮廓仪的典型代表三坐标测量仪可以用来检测镜片的两个面的面形误差，检测过程经常是通过测量头沿着充模流道方向和垂直于充模流道方向以1μm左右的步长扫描非球面镜片的剖面面形，通过内部软件输入的镜面设计参数计算得到镜面的面形偏离误差。测量头会先试测两段通过几何方式确定最高点的方位，这样寻找到的最高点会有一定的偏离，对一个镜片的x/y方向的四个slice测量也不能完全反映面形的全貌，且对整个镜片两面的相对偏心倾斜数据无法获取，一片测量的耗时基本在5-10min，并且对不同的尺寸需要专用的负压，对测量过程中的镜片固定位置精度要求高；

3)三次元影像仪：三次元影像仪通过影像式获取特征圆，利用大量密集的采样点计算特征圆的二维坐标，反推出非球面两个面的圆心偏离量，得出非球面两个特征圆的偏心误差精度在0.3μm左右，耗时基本在3min以上，且非球面的边缘特征圆并不完全能够反映非球面有效口径内的偏心误差；也用来测量镜片的拔模斜度等外形轮廓分明的几何尺寸等；

4)厚度仪：厚度仪通过夹取非球面两个面的最大距离，多次测量取平均值的方式测量非球面的厚度，人员误差较大且容易损伤非球面镜片。

以上这些镜片误差检测方案和所用的仪器设备都是对非球面镜片的单一或几个参数的几何外形/物理尺寸进行检测，检测过程复杂、耗时较长且检测成本也较高，检测结果一定程度上依赖于测试人员的操作熟练程度，一定的调整基准和有些需要专用夹具，不能全面反映非球面有效口径内的误差状态。

可见，目前业界亟需一种快速的、准确的非接触式镜片误差检测方式，来对所述透射旋转对称非球面进行镜片误差检测和质量的综合判断，以提高其生产加工的效率和良率。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日前已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种基于波前传感的非球面透镜误差检测方法，通过检测镜片产生的波前像差的泽尼克对应项可检测待测镜片的面形、偏心、不对称等误差，对镜片质量做出多因素综合准确的评价。

本发明为达上述目的提出以下技术方案：

一种基于波前传感的非球面透镜误差检测方法，包括：获取透镜的波前泽尼克项与透镜加工误差之间的对应关系；基于所述对应关系，利用待测非球面透镜的实际波前来溯源检测所述非球面透镜的加工误差；

其中，获取所述对应关系的过程具体包括：取若干用于分析的非球面透镜素材，分别进行波前检测和仿真，并计算各所述非球面透镜素材的实际和理论波前之间的偏差；根据同误差近似分布原则，对波前仿真测得的多个系数未知的泽尼克项进行系统聚类和相关性分析，以确定可代表不同加工误差的典型泽尼克项。

更进一步地，所述非球面透镜误差检测方法包括以下步骤：

获取光源经过所述待测非球面透镜后的实际波前，并计算所述实际波前的实际泽尼克系数；

针对每一所述典型泽尼克项，分别计算所述实际泽尼克系数与理想泽尼克系数之间的差值，获得每一典型泽尼克项对应的加工误差；其中，所述理想泽尼克系数是待测非球面透镜的理想波前的泽尼克系数。

更进一步地，所述典型泽尼克项包括彗差项、球差项和像散项；其中，彗差项的实际泽尼克系数与理想泽尼克系数之间的差值用于检测所述非球面透镜的两个面的偏心误差；球差项的实际泽尼克系数与理想泽尼克系数之间的差值用于检测所述非球面透镜的面形误差；像散项的实际泽尼克系数与理想泽尼克系数之间的差值用于检测所述非球面透镜的对称性误差。

更进一步地，通过Shack-Hartmann传感器来获取所述实际波前。

泽尼克多项式的每一泽尼克项都对应波前特定的像差，本发明提出的上述误差检测方法，通过分析泽尼克项与透镜误差之间的对应关系，找出能够反映镜片典型特征(例如面形、非球面的对称性等)的典型泽尼克项，将镜片加工误差与这些典型泽尼克项对应起来，通过求解实际波前与理想波前对应的典型项的系数差值，就可得知典型项对应的透镜加工误差，实现误差检测。

综上，本发明的检测方法属于非接触式检测，使用十分方便快捷，可以实现加工流水线上的在线实时检测，并且不受操作人员主观因素的影响，可实现快速、准确的误差分析检测，从而提高加工效率和良率。

本发明另还提出了一种基于波前传感的非球面透镜误差检测装置，包括光路上依次设置的激光源、针孔、待测的非球面透镜和Shack-Hartmann传感器，以及误差计算单元；其中，所述Shack-Hartmann传感器连接于所述误差计算单元，所述误差计算单元用于根据透镜的波前泽尼克项与透镜加工误差之间的对应关系，利用待测非球面透镜的实际波前来溯源检测所述非球面透镜的加工误差。

附图说明

图1是本发明提出的一种基于波前传感的非球面透镜误差检测方法的流程图；

图2是本发明提出的一种基于波前传感的非球面透镜误差检测装置的原理示意图；

图3是本发明分析和提取泽尼克项中与镜片加工误差相对应的典型项的原理和流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步说明。

本发明旨在提供一种用于对透射旋转对称非球面透镜进行实时在线的误差检测的方法，该方法基于波前传感而实现。具体而言，该方法包括：根据泽尼克系数像差与透镜加工误差之间的对应关系，并利用待测非球面透镜的实际波前的泽尼克系数来溯源检测所述非球面透镜的加工误差。本发明第一次将波前传感测量得到的泽尼克项与镜片的加工误差对应起来，分析可以反映镜片典型加工误差的典型泽尼克项。波前与镜片本身加工质量是完全对应的，波前测量可以用泽尼克项来表示，泽尼克多项式是一组无穷多在单位圆域内正交的多项式基底，在曲面拟合中经常使用。使用泽尼克多项式拟合波面的优势是其每一泽尼克项都对应波前的特定像差，因此对于误差来源的分析十分方便。

如下表1给出了一种示例性的泽尼克多项式含义和对应表达式：

表1

上述表1中，每一项的像差都与镜片加工质量相对应，所以可以通过分析波前来溯源检测镜片的加工误差。泽尼克项有无穷多项，具体而言，可以通过如下分析过程来提取出泽尼克项中与镜片加工误差相对应的典型项，分析方法的原理和流程参考图3：

对于镜片注塑工艺加工过程，工艺成型参数(同一模穴)未改变条件下的连续注塑镜片有相似的误差，在波前拟合的泽尼克系数上应有相近的数值分布，则对于典型泽尼克项的系数也会具有相似的分布规律。通过对大量镜片(来自不同模穴的若干、同模不同穴的若干以及同一模穴的若干)进行波前检测和仿真，根据仿真结果获取实际波前和理论波前的偏差，再根据同误差近似分布的原则，在多个未知泽尼克系数的泽尼克项测得的情况下对各个泽尼克项采用波前设备和其它测试设备进行系统聚类分析，典型的泽尼克项表现出相同的分布规律，不典型的项则无相同的规律，这样可以确定可代表不同加工过程的典型泽尼克项参数。通过对加工误差项已经测定的镜片的波前参数，做对应的系统聚类和相关性分析，目前至少已经确定：波前彗差项Z7、Z8与非球面两个面的偏心误差有聚类效应，具有相同的分布规律，且相关性显著；球差项Z9、Z16与面形误差有聚类效应，具有相同的分布规律，且相关性显著；像散项Z5、Z6与对称性误差有聚类效应，具有相同的分布规律，且相关性显著。当然，还存在其它可代表透镜加工误差的典型泽尼克项，本发明对此不作出限制。

也就是说：彗差项Z7、Z8均可用于检测透射旋转对称非球面透镜(可简称“非球面”)两个面的偏心误差；球差项Z9、Z16均可用于检测非球面的面形误差；像散项Z5、Z6均可用于检测非球面的对称性误差。

因此，在一具体实施例中，参考图1，本发明的误差检测方法具体包括：首先，利用Shack-Hartmann波前传感器获取光源经过待测非球面透镜后的实际波前，并计算所述实际波前的实际泽尼克系数；然后，对于分析得出的可用于检测待分析误差项的典型泽尼克项，比如Z7项，计算其实际泽尼克系数与理想泽尼克系数之间的差值，从而可以获得Z7项对应的加工误差——所述偏心误差。又比如，要分析面形误差，则可利用Z9，求解Z9项的实际泽尼克系数和理想泽尼克系数的差值，就可以获得面形误差，当然，也可用Z16项。Z9代表了一阶像差，Z16代表了二阶像差，对于较大的加工误差，低阶像差表现较为明显，而对于加工精度较高、误差比较小的情形，低阶就不明显，高阶像差表现较明显，因此，较为优选地，在检测误差时，可以将代表同一误差的多个典型项综合考虑，例如此处面形误差可将Z9和Z16项综合考虑，即可以综合Z9项的实际泽尼克系数与理想泽尼克系数的差值以及Z16项的实际泽尼克系数与理想泽尼克系数的差值来检测面形误差。其它误差项也如此，在此不再一一列举。具体而言，比如实际波前的泽尼克多项式中，Z9项的系数为C9’，而理想波前的泽尼克多项式Z9项的系数为C9，则C9与C9’的差值表征了面形误差。可以综合多个不同的误差项来分析镜片的加工质量，当然，也可以根据实际使用场合侧重分析某些个误差项。

本发明的另一具体实施方式提出了基于上述方法而实现的非球面透镜误差检测装置，如图2所示，该装置的原理示意图，激光源10产生的激光经过单模光纤20、再经由针孔30，到达待测非球面透镜40，经过40之后由Shack-Hartmann波前传感器60接收，通过其CCD承载实际波前，再由与所述波前传感器连接的误差计算单元来进行计算处理，所述计算处理由计算机程序实现，该计算机程序被执行时即可实现前述检测方法的步骤，从而可使该装置实现非球面的实时误差检测。

可见，本发明的方法与传统的误差检测方法对比，具有以下优势：可以一次性检测出非球面有效口径内的多种误差状态，波前测量方式测得的数据全面，更能反映镜片有效口径内的工作状态，并且测量时间有极大的提升；将波前泽尼克典型项与加工误差相对应实现对应项误差的检测，分析典型参数少，计算量少，分析方便，可在流水线上在线检测。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于波前传感的非球面透镜误差检测方法，其特征在于，包括：获取透镜的波前泽尼克项与透镜加工误差之间的对应关系，所述加工误差包括偏心误差、面形误差和对称性误差；基于所述对应关系，利用待测非球面透镜的实际波前来溯源检测所述非球面透镜的加工误差；

其中，获取所述对应关系的过程具体包括：

取若干用于分析的非球面透镜素材，分别进行波前检测和仿真，并计算各所述非球面透镜素材的实际和理论波前之间的偏差；

根据同误差近似分布原则，对波前仿真测得的多个系数未知的泽尼克项进行系统聚类和相关性分析，以确定可代表不同加工误差的典型泽尼克项；

其中，溯源检测所述非球面透镜的加工误差的过程具体包括：获取光源经过所述待测非球面透镜后的实际波前，并计算所述实际波前的实际泽尼克系数；针对每一所述典型泽尼克项，分别计算所述实际泽尼克系数与理想泽尼克系数之间的差值，获得每一典型泽尼克项对应的加工误差；其中，所述理想泽尼克系数是待测非球面透镜的理想波前的泽尼克系数。

2.如权利要求1所述的非球面透镜误差检测方法，其特征在于，所述典型泽尼克项包括彗差项、球差项和像散项；其中，彗差项的实际泽尼克系数与理想泽尼克系数之间的差值用于检测所述非球面透镜的两个面的偏心误差；球差项的实际泽尼克系数与理想泽尼克系数之间的差值用于检测所述非球面透镜的面形误差；像散项的实际泽尼克系数与理想泽尼克系数之间的差值用于检测所述非球面透镜的对称性误差。

3.如权利要求1所述的非球面透镜误差检测方法，其特征在于，通过Shack-Hartmann传感器来获取所述实际波前。

4.一种基于波前传感的非球面透镜误差检测装置，其特征在于，包括光路上依次设置的激光源、针孔、待测的非球面透镜和Shack-Hartmann传感器，以及误差计算单元；其中，所述Shack-Hartmann传感器连接于所述误差计算单元，所述误差计算单元用于根据透镜的波前泽尼克项与透镜加工误差之间的对应关系，利用待测非球面透镜的实际波前来溯源检测所述非球面透镜的加工误差；所述加工误差包括偏心误差、面形误差和对称性误差；

其中，通过以下方式获取所述对应关系：

取若干用于分析的非球面透镜素材，分别进行波前检测和仿真，并计算各所述非球面透镜素材的实际和理论波前之间的偏差；根据同误差近似分布原则，对波前仿真测得的多个系数未知的泽尼克项进行系统聚类和相关性分析，以确定可代表不同加工误差的典型泽尼克项；

所述误差计算单元根据透镜的波前泽尼克项与透镜加工误差之间的对应关系，利用待测非球面透镜的实际波前来溯源检测所述非球面透镜的加工误差的步骤具体包括：

利用所述Shack-Hartmann传感器获取的所述实际波前，求解所述实际波前的泽尼克多项式拟合方程，得到所述实际波前的实际泽尼克系数；

选取泽尼克项中可用于检测非球面加工误差的典型项；

针对每一典型项，分别计算所述实际泽尼克系数与理想泽尼克系数之间的差值，获得每一典型项对应的加工误差；其中，所述理想泽尼克系数是待测非球面透镜的理想波前的泽尼克系数。

5.如权利要求4所述的非球面透镜误差检测装置，其特征在于，所述典型项包括彗差项、球差项和像散项；其中，彗差项的实际泽尼克系数与理想泽尼克系数之间的差值用于检测所述非球面透镜的两个面的偏心误差；球差项的实际泽尼克系数与理想泽尼克系数之间的差值用于检测所述非球面透镜的面形误差；像散项的实际泽尼克系数与理想泽尼克系数之间的差值用于检测所述非球面透镜的对称性误差。

Images