CN108981593A - 激光三角法透镜中心厚度测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光三角法透镜中心厚度测量装置及其测量方法，该测量装置包括激光光源、分束棱镜、透镜装调机构、分划板、视频监视器、第一CCD成像系统和第二CCD成像系统，所述透镜装调机构上设置待测透镜；待测透镜、分束棱镜、分划板和视频监视器依次沿光轴竖直设置，在分束棱镜的一侧设置所述激光光源；第一CCD成像系统和第二CCD成像系统对称设置于待测透镜的斜上方和斜下方，透镜装调机构包括倾斜调整部和旋转测量部。本发明方法以解决现有技术中存在的待测透镜倾斜离轴误差大、定位瞄准精度低、不易实时测量等问题，实现了透镜中心厚度的高精度、非接触、低成本的实时测量。

Description

激光三角法透镜中心厚度测量装置及其测量方法

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，具体涉及一种激光三角法透镜中心厚度测量装置及其测量方法。

背景技术

光学透镜一般由光学玻璃或聚合物材料制成，优良的光学透镜有着严格的公差限制。在光学领域中，折射率、表面曲率半径和中心厚度是透镜的3个基本参数，其中透镜中心厚度会对光学系统的成像质量产生较大的影响，直接影响透镜的焦距、成像质量等参数，所以必须在生产过程中进行实时监控。例如，在光刻机物镜、航天相机等高性能光学系统中，对透镜有着严格的公差限制，需要根据每个透镜的中心厚度对透镜间的沿轴间隔、径向偏移量和光轴偏移角进行精密地调整，而其加工是否满足公差要求，需要有高精度的仪器进行测量和检验。

目前，透镜中心厚度测量技术可分为接触式和非接触式两类：接触式测量有两个致命的缺点：一是探针易划伤表面，破坏光洁度；二是探针与透镜表面频繁接触，会因磨损而影响测量精度。非接触式测量有干涉法、共焦法、共面电容法和图像法等。干涉法在实际测量时干涉条纹容易受外界振动、气流等环境因素的影响，难以影响其测量精度；共焦法由于具有三维层析成像能力，已广泛应用于光学元件测量领域，可以实现非接触在线检测，其主要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，在对光学透镜进行实时在线精准检测时，不会对检测件造成损伤，但是共焦法在测量过程中，被测透镜摆放受人为经验因素影响较大，影响测量精度，而且对透镜中心难以精确定位，易产生离轴误差；共面电容法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以取得可靠数据作为检测依据，测量过程复杂。

发明内容

本发明提供一种基于激光三角法的透镜中心厚度测量方法，以解决现有技术中存在的待测透镜倾斜离轴误差大、定位瞄准精度低、不易实时测量等问题，实现了透镜中心厚度的高精度、非接触、低成本的实时测量。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下:

激光三角法透镜中心厚度测量装置，所述测量装置包括激光光源、分束棱镜、透镜装调机构、分划板、视频监视器、第一CCD成像系统和第二CCD成像系统，所述透镜装调机构上设置待测透镜；

所述待测透镜、分束棱镜、分划板和视频监视器依次沿光轴竖直设置，在分束棱镜的一侧设置所述激光光源；所述第一CCD成像系统和第二CCD成像系统对称设置于待测透镜的斜上方和斜下方，所述透镜装调机构包括倾斜调整部和旋转测量部。

进一步的，所述分划板为十字分划板。

激光三角法透镜中心厚度测量装置，测量方法如下：

步骤一：将待测透镜安装在透镜装调机构上；

步骤二：打开激光光源，激光光源发出的激光经过分束棱镜转向后落在待测透镜上，在待测透镜的上、下表面分别发生反射和散射，待测透镜上、下表面的反射光经分束棱镜后到达分划板，在分划板上形成激光点，视频监视器接收激光点信号后通过激光点在分划板上的位置判断待测透镜的偏心和倾斜误差，对待测透镜的偏心和倾斜误差进行调整；

步骤三：待测透镜的上表面散射光由第一CCD成像系统接收成像，通过三角定位方法获得待测透镜上表面M‘到待测透镜基准平面M的距离；待测透镜的下表面散射光由第二CCD成像系统接收成像，通过三角定位方法获得上表面M“到待测透镜基准平面M的距离，最终测量计算得待测透镜的中心厚度。

进一步的，所述步骤二中，待测透镜偏心和倾斜误差的判断方法如下：

如果视频监视器上接收到由待测透镜上、下表面反射至分划板上的两个激光点重叠于分划板的正中心位置，且当旋转测量部带动待测透镜沿其中轴旋转时，两个重叠的激光点位置不发生改变，表明待测透镜安装于正位状态；

如果视频监视器上接收到由待测透镜上、下表面反射至分划板上的两个激光点独立存在，且偏离分划板的中心位置，当旋转测量部带动待测透镜沿其中轴旋转时，两个激光点的位置不发生改变，表明待测透镜仅存在偏心误差；

如果视频监视器4上接收到由待测透镜上、下表面反射至分划板上的两个激光点独立存在，且偏离分划板的中心位置，当旋转测量部带动待测透镜沿其中轴旋转时，两个激光点会绕着分划板的中心旋转，表明待测透镜仅存在倾斜误差。

本发明的有益效果：

1、测量精度高：本发明测量系统通过透镜装调装置对待测透镜进行偏心和倾斜调节，消除待测透镜的偏心和倾斜引入的调整误差，然后才进行待测透镜中心厚度的测量。

2、使用方便快捷：本发明待测透镜固定在透镜装调装置上，通过视频监视器可实时观察返回至分划板上的激光点情况，通过分析激光点的状态，得到待测透镜的偏心和倾斜状态，以便有目的地进行待测透镜调整，相比目视或经验调节节省大量时间。

3、抗干扰能力强：本发明通过第一、第二CCD成像系统采集激光点的位置信息，配以三角测量方法实现光学透镜的中心厚度测量，受外界环境影响较小，抗干扰能力强。

4、本发明能实现稳定、可靠的高精度测量，适用于一般类型光学透镜中心厚度的检测。

附图说明

图1为本发明测量装置的结构示意图；

图2为本发明视频监视器拍摄分划板上激光点的位置示意图，其中，图2（a）表示待测透镜处于正位安装状态，图2（b）表示待测透镜仅处于偏心误差安装状态, 图2（c）表示待测透镜仅处于倾斜误差安装状态;

图3为本发明测量方法中基准平面和测量平面的位置示意图；

图中，1-激光器、2-分束棱镜、3-分划板、4-视频监视器、5-第一CCD成像系统、6- 第二CCD成像系统、7-被测透镜、8-透镜装调机构。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

本发明的基本思路是，首先利用光学自准直方法辅助实现待测透镜的偏心和倾斜调整，然后采用激光三角定位的手段测量光学透镜的中心厚度。

参见图1，一种激光三角法透镜中心厚度测量装置，测量装置包括激光光源1、分束棱镜2、透镜装调机构8、分划板3、视频监视器4、第一CCD成像系统5和第二CCD成像系统6，所述透镜装调机构8上设置待测透镜7；

待测透镜7、分束棱镜2、分划板3和视频监视器4依次沿光轴竖直设置，在分束棱镜2的一侧设置所述激光光源1；第一CCD成像系统5和第二CCD成像系统6对称设置于待测透镜7的斜上方和斜下方，所述透镜装调机构8包括倾斜调整部和旋转测量部。

参见图3，基于上述装置的测量方法如下：

步骤一：将待测透镜7安装在透镜装调机构8上；

步骤二：打开激光光源1，激光光源1发出的激光经过分束棱镜2转向后落在待测透镜7上，在待测透镜7的上、下表面分别发生反射和散射，待测透镜7上、下表面的反射光经分束棱镜2后到达分划板3，在分划板3上形成激光点，视频监视器4接收激光点信号后通过激光点在分划板3上的位置分析判断待测透镜7的偏心和倾斜误差，得到待测透镜7的偏心量和倾斜量，然后通过调整透镜装调机构8对待测透镜7的偏心和倾斜误差进行快速调整；

步骤三：待测透镜7的上表面散射光由第一CCD成像系统5接收成像，通过三角定位方法获得待测透镜上表面M‘到待测透镜7基准平面M的距离；待测透镜7的下表面散射光由第二CCD成像系统6接收成像，通过三角定位方法获得上表面M“到待测透镜基准平面M的距离，现对待测透镜7上、下表面的分别定位，最终测量计算得待测透镜7的中心厚度。

上述步骤二中，待测透镜7偏心和倾斜误差的判断方法如下：

参见图2（a）,如果视频监视器4上接收到由待测透镜7上、下表面反射至分划板上的两个激光点重叠于分划板3的正中心位置，且当旋转测量部带动待测透镜7沿其中轴旋转时，两个重叠的激光点位置不发生改变，表明待测透镜7处于正位安装状态；

参见图2（b）,如果视频监视器4上接收到由待测透镜7上、下表面反射至分划板上的两个激光点独立存在，且偏离分划板3的中心位置，当旋转测量部带动待测透镜7沿其中轴旋转时，两个激光点的位置不发生改变，表明待测透镜7仅存在偏心误差；

参见图2（c）如果视频监视器4上接收到由待测透镜7上、下表面反射至分划板上的两个激光点独立存在，且偏离分划板3的中心位置，当旋转测量部带动待测透镜7沿其中轴旋转时，两个激光点会绕着分划板3的中心旋转，表明待测透镜7仅存在倾斜误差。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (4)

1.激光三角法透镜中心厚度测量装置，其特征在于，所述测量装置包括激光光源（1）、分束棱镜（2）、透镜装调机构（8）、分划板（3）、视频监视器（4）、第一CCD成像系统（5）和第二CCD成像系统（6），所述透镜装调机构（8）上设置待测透镜（7）；

所述待测透镜（7）、分束棱镜（2）、分划板（3）和视频监视器（4）依次沿光轴竖直设置，在分束棱镜（2）的一侧设置所述激光光源（1）；所述第一CCD成像系统（5）和第二CCD成像系统（6）对称设置于待测透镜（7）的斜上方和斜下方，所述透镜装调机构（8）包括倾斜调整部和旋转测量部。

2.根据权利要求1所述激光三角法透镜中心厚度测量装置，其特征在于，所述分划板（3）为十字分划板。

3.根据权利要求1所述激光三角法透镜中心厚度测量装置，其特征在于，测量方法如下：

步骤一：将待测透镜（7）安装在透镜装调机构（8）上；

步骤二：打开激光光源（1），激光光源（1）发出的激光经过分束棱镜（2）转向后落在待测透镜（7）上，在待测透镜（7）的上、下表面分别发生反射和散射，待测透镜（7）上、下表面的反射光经分束棱镜（2）后到达分划板（3），在分划板（3）上形成激光点，视频监视器（4）接收激光点信号后通过激光点在分划板（3）上的位置判断待测透镜（7）的偏心和倾斜误差，对待测透镜（7）的偏心和倾斜误差进行调整；

步骤三：待测透镜（7）的上表面散射光由第一CCD成像系统（5）接收成像，通过三角定位方法获得待测透镜上表面M‘到待测透镜（7）基准平面M的距离；待测透镜（7）的下表面散射光由第二CCD成像系统（6）接收成像，通过三角定位方法获得上表面M“到待测透镜基准平面M的距离，最终测量计算得待测透镜（7）的中心厚度。

4.根据权利要求3所述激光三角法透镜中心厚度测量装置，其特征在于，所述步骤二中，待测透镜（7）偏心和倾斜误差的判断方法如下：

如果视频监视器（4）上接收到由待测透镜（7）上、下表面反射至分划板上的两个激光点重叠于分划板（3）的正中心位置，且当旋转测量部带动待测透镜（7）沿其中轴旋转时，两个重叠的激光点位置不发生改变，表明待测透镜（7）安装于正位状态；

如果视频监视器（4）上接收到由待测透镜（7）上、下表面反射至分划板上的两个激光点独立存在，且偏离分划板（3）的中心位置，当旋转测量部带动待测透镜（7）沿其中轴旋转时，两个激光点的位置不发生改变，表明待测透镜（7）仅存在偏心误差；

如果视频监视器4上接收到由待测透镜（7）上、下表面反射至分划板上的两个激光点独立存在，且偏离分划板（3）的中心位置，当旋转测量部带动待测透镜（7）沿其中轴旋转时，两个激光点会绕着分划板（3）的中心旋转，表明待测透镜（7）仅存在倾斜误差。