CN109458939A - 与快速定心结合的透镜中心厚度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种与快速定心结合的透镜中心厚度测量方法，所述测量方法包括：白光光源经过标定的色散探头将白光点光源准直成平行光且将不同波长的平行光聚焦在轴上的不同位置处，形成光谱色散；对定心的待测透镜进行照射，根据获取的光线在空气中的会聚点与透镜前表面顶点的距离和不同入射角度的光线在被测透镜中的会聚点与透镜前表面顶点的距离得到待测透镜的实际厚度。

Description

与快速定心结合的透镜中心厚度测量方法

技术领域

本发明涉及一种精密仪器测量技术，特别是一种与快速定心结合的透镜中心厚度测量方法。

背景技术

随着精密和超精密制造业的飞速发展，对测量技术的要求也越来越高。首先，测量精度越来越高，超精密加工技术要求测量系统的精度达到亚微米级甚至纳米级；其次，表面质量要求越来越高，当被测样品表面质量较高或者为镀膜表面时，使用接触式的检测方法可能会划伤被测表面；第三，要求材质多样性，当被测样品为弱刚性、轻软质材料时(如尼龙、橡胶)，宏观测量力会使接触点弹性变形，对测量结果造成一定影响；第四，测量速度越来越高，元件在大批量检测时，要求检测快速，检测时间低至一秒甚至零点几秒。为了满足目前厚度测量系统高精度、非接触、高效率和广泛的适应性的重要发展方向，发展高精度的非接触测量方法是解决测量领域许多现存问题的必然途径。

光谱共焦测量技术是在共焦显微术基础上发展而来，其无需轴向扫描，直接由波长对应轴向距离信息，从而大幅提高测量速度。基于光谱共焦技术的测量系统是近年来出现的一种高精度、非接触式的新型测量系统，精度理论上可达nm量级。由于光谱共焦测量系统对被测表面状况要求低，允许被测表面有更大的倾斜角，测量速度快，实时性高，迅速成为工业测量的热门测量系统，广泛应用于精密定位、薄膜厚度测量、微观轮廓精密测量等领域，而且目前光学行业已经迈入冷加工阶段，多设备联合、一次性测量多个参数，也成为提高测量效率关键的一步，利用自动化代替人工已经成为必然的发展趋势。

光学镜头在镜片加工过程中，会利用一些检测设备对镜片各个方面的加工过程进行实时监控，以确保加工完成的镜头满足公差要求。其中检测过程包括对透镜中心厚度，透镜两表面的曲率半径，透镜表面的偏心程度的检测等等。而这些因素均会对光学镜头的焦距，以及光学镜头的成像质量有着重要的影响，这些检测都需要高精度光学检测系统来进行，光谱共焦测量系统很好的满足了这一点。

目前，透镜中心厚度测量方法可分为接触式与非接触式。接触式测量一方面容易损害透镜，另一方面测量探头来回移动易磨损探头，降低测量精度。非接触式测量有共面电容法和激光干涉法。共面电容法测量易受空气流动、气温等影响，且其测量过程过于复杂，测量精度不高。干涉法测量精度高，但其测量过程中需要来回扫描，测量时间长，不适用于大批量透镜的检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种与快速定心结合的透镜中心厚度测量方法，包括：

白光光源经过标定的色散探头将白光点光源准直成平行光且将不同波长的平行光聚焦在轴上的不同位置处，形成光谱色散；

对定心的待测透镜进行照射，根据获取的光线在空气中的会聚点与透镜前表面顶点的距离和不同入射角度的光线在被测透镜中的会聚点与透镜前表面顶点的距离得到待测透镜的实际厚度。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)采用非接触式测量，不会损害透镜；(2)采用光谱共焦原理，通过自动定心装置和系统标定，可大幅度提高测量精度；(3)测量过程简单，测量时间短，自动化测量，适用于大批量透镜中心厚度的快速检测。

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1是本发明的透镜中心厚度测量系统结构图。

图2是本发明的光源工作光谱图。

图3是本发明的非接触色散探头设计图。

图4是本发明的透镜中心定位装置原理图。

图5是本发明的光谱示意图。

图6是被测透镜中的光路图。

具体实施方式

一种与快速定心结合的透镜中心厚度测量方法，包括以下过程：搭建透镜中心厚度测量装置和计算透镜轴心厚度。所述搭建透镜中心厚度测量装置包括选择光源，针对特定被测量物体的非接触色散探头，透镜定心和系统标定四部分。

结合图1，方法采用的系统包括光源、色散探头、定心系统、光谱测量系统、计算软件。通过点光源发出白光，经色散透镜后发生光谱色散，将不同波长的光聚焦在光轴的不同位置处。在与光源共轭位置处设立光谱接收系统，由于点光源与光谱仪端共焦小孔互为共轭，仅有聚焦在被测物体表面的光能够反射回来进入光谱接收，未聚焦到被测物体表面的光处于离焦状态，离焦反射的其他光谱成分则被遮挡不能进入光谱仪。由于透镜表面存在一定的反射率，故此可将透镜前后两表面视为反射面。特定波长的光恰好分别会聚在透镜的前后表面顶点处。

结合图2，从玻璃的工作光谱范围、透过率以及设备的成本进行考虑，选用光学元件的材料为一般的光学玻璃，从而将光学系统工作波段设置在可见光到近红外。而且在这一工作范围内，光谱仪的光谱响应特性比较好，能够准确的探测出射光光谱峰值波长的。光源的工作光谱范围包含可见光，可以方便该设备在测量过程中的调节，尤其是在对透镜中心定位过程中的调节均有好处。此外该测量设备光谱分布所选用的光源必须连续，只有这样才能保证出射光光谱峰值波长与反射镜位置在调制时的一一对应。同时需要选择在该测量设备的工作波段内光谱分布较为平坦，光滑且能量较强的光源。根据以上要求选择溴钨灯作为光源。

结合图3，色散探头主要包含消色差场镜和色散聚焦镜两个部分，前者的作用是把白光点光源准直成平行光，后者的作用是把不同波长的平行光聚焦在轴上的不同位置处，形成光谱色散。

结合图4，采用斜入射的反射式旋转测量法对待测透镜经行定心。定中心仪由置于中心厚测量探头两侧的细光束发射臂和接收臂组成。接收臂上通过可更换的辅助透镜匹配不同表面曲率半径的被测镜头，通过聚焦透镜和CMOS采集反射光线的角度。定心时采用如下步骤：中心厚测量色散探头与机械转轴校准在同一个轴上，机械轴上方为一个可更换的同轴环形镜片座，三者构成测量轴。被测镜片通过机械臂放置在镜片座上后，机械转轴自动旋转一圈。当镜片光轴与测量轴不一致时，旋转所造成的反射光线角度变化被接收臂获取，控制系统计算得到的光斑轨迹，结合镜片曲率半径参数和转角，实时计算出偏心量与偏心方向，驱动二维推杆将镜片摆正。

所述系统标定的具体过程如下：选用反射镜对系统进行标定，以得到波长和位置之间的关系。尽量使反射镜与标定光束在同一直线上并垂直，以减少阿贝误差。选用精密电位移台作为移动装置，每次移动位移量可以由精密电位移台千分尺读出，以获得准确定位。实验中在光源光谱波长范围内，选取色散效果明显的一段波长范围进行标定。标定方法为：设定反射镜的初始位置，保存初始位置的光谱曲线及数据；然后沿着轴向方向每次给反射镜10um的位移量，记录并保存每组光谱数据及位移数据，每个标定点采集5次数据求平均值。然后将采集到的数据用matlab进行多项式拟合，从而获得轴向色差和波长、像方孔径角和波长的关系。

结合图5，通过多项式拟合算法求出光谱曲线峰值处所对应的波长值。

结合图6，透镜中心厚度的计算过程如下：

步骤2.1，获取光线射入被测透镜的入射角θ₁和射出被测透镜的折射角θ₂；对于被测透镜前表面的曲率半径R、光线在空气中的会聚点与透镜前表面顶点的距离d₁，光线在透镜中的会聚点与透镜前表面顶点的距离d₂、分别为入射光线与光轴的夹角α、折射光线与光轴的夹角β有如下几何关系：

sinθ₂＝sinθ₁/n(λ)

β＝α+θ₂-θ₁

步骤2.2，获取光线在空气中的会聚点与透镜前表面顶点的距离d₁，d₁为波长λ₁,λ₂的光经光学系统在空气中产生的轴向色差之差，则可以令

d₁＝ΔS；

步骤2.3，获取不同α的光线在被测透镜中的会聚点与透镜前表面顶点的距离d₂(α)

其中，R为被测透镜前表面的曲率半径，α、β分别为入射光线与折射光线相对光轴的夹角，n(λ)为波长为λ的光在被测透镜中的折射率；

步骤2.4，对不同入射角α的d₂(α)进行平均

其中，α_max为最大像方孔径角，Δα为像方孔径角从0到α_max均分后的角度；

步骤2.5，待测透镜的实际厚度由对所有光线积分来确定

Claims (4)

1.一种与快速定心结合的透镜中心厚度测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：

白光光源经过标定的色散探头将白光点光源准直成平行光且将不同波长的平行光聚焦在轴上的不同位置处，形成光谱色散；

对定心的待测透镜进行照射，根据获取的光线在空气中的会聚点与透镜前表面顶点的距离和不同入射角度的光线在被测透镜中的会聚点与透镜前表面顶点的距离得到待测透镜的实际厚度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用斜入射的反射式旋转测量法定中心对待测透镜进行定心，具体过程为：

色散探头的中心轴和镜片座中心轴校准在同一机械旋转轴上，待测透镜设置于镜片座上；

色散探头和镜片座绕机械旋转轴旋转，CMOS获取待测透镜反射光线并形成光斑轨迹；

根据光斑轨迹和待测镜片的曲率半径和转角计算待测镜片光轴和机械旋转轴的偏心量和偏心方向；

根据偏心量和偏心方向调整待测透镜在镜片座上的位置直至光轴和测量轴重合。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用反射镜对色散探头进行标定，标定过程为：

反射镜垂直的设置于色散探头发射的中心轴上；

沿色散探头中心轴的方向按一定位移量移动反射镜并记录发射镜的位置和对应的光谱曲线；

每一位置采集多次光谱数据并求平均值；

将采集的数据进行多项式拟合获得轴向色差与波长间的关系，以及像方孔径角和波长间的关系。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取待测透镜中心厚度的具体过程为：

步骤2.1，获取光线射入被测透镜的入射角θ₁和折射角θ₂；

步骤2.2，获取光线在空气中的会聚点与透镜前表面顶点的距离d₁；

步骤2.3，获取不同α的光线在被测透镜中的会聚点与透镜前表面顶点的距离d₂(α)

其中，R为被测透镜前表面的曲率半径，α、β分别为入射光线与折射光线相对光轴的夹角，n(λ)为波长为λ的光在被测透镜中的折射率；

步骤2.4，对不同入射角α的d₂(α)进行平均

其中，α_max为最大像方孔径角，Δα为像方孔径角从0到α_max均分后的角度；

步骤2.5，待测透镜的实际厚度由对所有光线积分来确定

其中，d₁＝ΔS。