CN110319793A - 一种透射旋转对称非球面检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种透射旋转对称非球面检测系统，该系统包括在光路上依次设置的激光器、准直透镜、聚焦透镜、待测镜片托盘、扩束镜和波前传感器，用于驱动聚焦透镜沿光轴方向移动的第一驱动器，用于驱动待测镜片托盘沿垂直光轴的XY方向平移的第二驱动器，用于驱动扩束镜沿光轴方向移动的第三驱动器，以及旋转位移器，对放置在待测镜片托盘的镜片限位孔中的待测镜片进行旋转。使用本系统的检测方法中，将波前三阶Coma像差的一阶旋转特征应用于误差分析，确定三阶Coma像差的节点位置和对应的矢径的分布，将矢径的分布图及参数与标准元件对比，实现快速地对镜片加工偏心等误差的高精度检测。

Description

一种透射旋转对称非球面检测系统和方法

技术领域

本发明涉及光学元件检测，特别是一种透射旋转对称非球面检测系统和方法。

背景技术

非球面光学元件在提高像差校正能力、改善成像质量、简化光学系统结构等方面有极其突出的优点，越来越多的应用于光学系统中。非球面塑料光学透镜具有重量轻、节省装配空间、耐冲击、容易产生多样的几何形状等诸多优点，在工业、医疗、消费电子等很多领域中应用非常广泛。然而，塑料镜片在注塑成型过程经历了加热、注射、保压、冷却等等工艺，这些过程导致非球面镜片容易在材料内部产生应力双折射、折射率不均匀以及在几何形状上出现面形、偏心和不对称等误差。随着科技发展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，需要更加高速和更高精度的对镜片质量进行检测。对于目前的非球面注塑加工生产主要是的效率限制因素是目前大多数的测量设备耗时较长。同一颗镜片需要不同的工艺检测仪器检测，这对于大批量生产的镜片是非常耗时的。尤其是在高精度的干涉仪和轮廓仪检测，所需要的精度越高测量的难度越大，所需要的测试时间也越长。所以在高精度的测量之前可以实现镜片的初级筛选，将是非常有意义的。

目前常用的镜片检测方案有以下几种：1.干涉仪：干涉仪的检测精度很高，但是为达到这一目的其需要一定的补偿元件作为误差补偿以及对于大的非球面的可能采用分区域拼接的方法，这些方式均会使得测试的动态范围有限，且需要更长的测试时间。对于非球面局部较大非球面度检测较为困难，为了提高分辨率的解析度，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。这对于机械的位置控制精度和拼接算法精度要求很高，尤其是非球面斜率大的边缘区域扫描拼接。测量两个面时需要两次装夹调整，所以耗时较长。2.表面轮廓仪：可以用来检测镜片的两个面的面形误差，检测过程经常是采用离散点采样面形重构。通过测量头沿着充模流道方向和垂直于充模流道方向以微小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。测量头位置定位精度和测透的位移精度要求比较高，且测试要求的精度越高非球面度越大测试的时间也就越长。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种透射旋转对称非球面检测系统和方法，快速有效地实现镜片加工误差高精度检测。

一种透射旋转对称非球面检测系统，包括在光路上依次设置的激光器、准直透镜、聚焦透镜、待测镜片托盘、扩束镜和波前传感器，以及与所述聚焦透镜相耦合用于驱动所述聚焦透镜沿光轴方向移动的第一驱动器，与所述待测镜片托盘相耦合用于驱动所述待测镜片托盘沿垂直光轴的XY方向平移的第二驱动器，与所述扩束镜相耦合用于驱动所述扩束镜沿光轴方向移动的第三驱动器，以及与所述待测镜片托盘相配合设置的旋转位移器，所述旋转位移器用于对放置在所述待测镜片托盘的镜片限位孔中的待测镜片进行旋转，以实现旋转波前测量。

进一步地：

所述激光器为单色半导体激光器。

所述激光器发出的光通过单模光纤耦合进入所述准直透镜。

所述波前传感器为夏克哈特曼波前传感器。

在所述聚焦透镜与所述待测镜片托盘之间设置有针孔。

还包括用于承载所述待测镜片托盘的移动平台，所述第二驱动器与所述移动平台相连，通过驱动所述移动平台沿垂直光轴的X Y方向平移来驱动所述待测镜片托盘平移。

所述旋转位移器与所述移动平台安装在一起，随所述移动平台同步在X Y方向平移。

所述旋转位移器通过直流伺服电机实现360°旋转。

一种透射旋转对称非球面检测方法，使用所述的透射旋转对称非球面检测系统对待测镜片进行待测，所述方法包括以下步骤：

通过所述第一至第三驱动器控制所述聚焦透镜、所述待测镜片托盘和所述扩束镜移动，进行波前调整、对焦以及系统校准；

在所述待测镜片托盘的镜片限位孔中放入待测透镜，通过所述旋转位移器旋转待测透镜k次，k>＝4，通过所述波前传感器采集k次波前信号；

根据采集的波前信号计算出波前Fringe Zernike多项式的拟合系数；

根据Fringe Zernike多项式的拟合系数得到单一视场三阶Coma像差旋转分布图；

通过三阶Coma像差旋转分布图找到三阶Coma像差的节点位置，确定每一次旋转的终点位置和所述节点位置之间的矢径，其中所述终点位置是以三阶Coma像差的z7和z8项系数作为坐标轴，每次旋转后测量的z7和z8项系数的坐标；

将所述矢径的分布图和参数范围与标准测试镜头进行对比，根据对比结果的偏差确定偏心误差的大小，从而实现待测镜片的误差检测。

进一步地：

通过Fringe Zernike多项式与三阶Coma像差的转换进行三阶赛德尔像差分析。

采用理想标准球进行系统校准。

所述进行波前调整、对焦以及系统校准，具体包括：

在所述待测镜片托盘放置待测镜片之前，控制所述第一驱动器，寻找关于所述聚焦透镜的焦面对称的两个位置，使波前同心；控制所述第三驱动器，寻找关于所述扩束镜的焦面对称的两个位置，使波前同心；

在所述待测镜片托盘的设定位置的镜片限位孔放上标准球，控制所述第一驱动器和所述第二驱动器来调整标准球的聚焦位置，寻找获得接近平面的波前时所对应的所述聚焦透镜和所述待测镜片托盘的位置。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种透射旋转对称非球面检测系统和方法，基于波前传感实现镜片加工误差检测，通过检测镜片产生的波前Coma像差旋转特征来实现待测镜片的初步筛选。本发明第一次将波前传感测量的波前Coma像差旋转特征用于镜片加工误差的检测，在本发明的方法中，将波前三阶Coma像差的一阶旋转特征应用于误差分析，利用波前三阶Coma像差与视场具有一阶线性，通过Fringe Zernike多项式的z7和z8项二维系数的分布，确定三阶Coma像差的节点位置和对应矢径的分布，再通过将矢径的分布图及参数与标准元件对比，可以实现快速地对镜片加工偏心等误差的高精度检测，完成镜片的筛选。

对于注塑镜片，由于加工产生的镜片容易产生设计机械定位轴和理想的光轴产生偏差，同时在面形上也又可能产生不对称偏差，而这些误差可以采用本发明的波前传感检测方法，利用像差分析实现快速检测。通过Fringe Zernike多项式与像差的关系，可以通过波前拟合的FringeZernike多项式Coma像差系数对镜片质量进行一定的分析。利用Coma的一阶线性特点，采用本发明的方法可以很方便地通过旋转待测镜片在一个2π的范围来获取一维的像差系数对的二维线性分布图。参变量Coma旋转特征可用来判断注塑非球面的加工质量。利用矢量像差对于分析离轴光学系统具有很好的优势。

本发明的波前测量方法利用条纹泽尼克多项式拟合求解波前Coma，使用条纹泽尼克多项式的条纹形式相关的z7、z8项系数；基于一阶线性进行待测镜片的旋转，通过波前Coma像差旋转特征进行镜片误差的判断。与传统技术相比，本发明检测方法的优势具体体现在：

(1)与传统的测量方式对比，本发明基于波前传感的检测方法具有快速在线，装置简单、成本低、环境扰动影响小等优势，本发明的波前检测方法测得的数据全面，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。

(2)可以很方便确定节点的位置和矢径的分布，通过与标准元件对比，可以实现对镜片快速的高精度检测和筛选。

(3)分析涉及的典型参数少，分析处理方便。

附图说明

图1为本发明一种实施例的透射旋转对称非球面检测系统结构示意图；

图2为本发明一种实施例中的旋转位移器结构示意图；

图3为本发明一种实施例的系统构造原理框图；

图4为本发明一种实施例的透射旋转对称非球面检测方法流程框图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1至图3，在一种实施例中，一种透射旋转对称非球面检测系统，包括在光路上依次设置的激光器1、准直透镜3、聚焦透镜4、待测镜片托盘6、扩束镜7和波前传感器8，以及与所述聚焦透镜4相耦合用于驱动所述聚焦透镜4沿光轴方向移动的第一驱动器，与所述待测镜片托盘6相耦合用于驱动所述待测镜片托盘6沿垂直光轴的XY方向平移的第二驱动器，与所述扩束镜7相耦合用于驱动所述扩束镜7沿光轴方向移动的第三驱动器，以及与所述待测镜片托盘6相配合设置的旋转位移器9，所述旋转位移器9用于对放置在所述待测镜片托盘6的镜片限位孔中的待测镜片10进行旋转，以实现旋转波前测量。本发明中，XY方向即为通常意义下的直角坐标系的X轴方向与Y轴方向。

在优选的实施例中，所述激光器1为单色半导体激光器。

在优选的实施例中，所述激光器1发出的光通过单模光纤2耦合进入所述准直透镜3。

在优选的实施例中，所述波前传感器8为夏克哈特曼波前传感器。

在优选的实施例中，在所述聚焦透镜与所述待测镜片托盘之间设置有针孔5。

在优选的实施例中，检测系统还包括用于承载所述待测镜片托盘6的移动平台(图未示)，所述第二驱动器与所述移动平台相连，通过驱动所述移动平台沿垂直光轴的X Y方向平移来驱动所述待测镜片托盘6平移。

在更优选的实施例中，所述旋转位移器9与所述移动平台安装在一起，随所述移动平台同步在X Y方向平移。

在优选的实施例中，所述旋转位移器9通过直流伺服电机实现360°旋转。

参阅图1至图4，在一种实施例中，一种透射旋转对称非球面检测方法，使用所述的透射旋转对称非球面检测系统对待测镜片进行检测，所述方法包括以下步骤：

通过所述第一至第三驱动器控制所述聚焦透镜4、所述待测镜片托盘6和所述扩束镜8移动，进行波前调整、对焦以及系统校准；

在所述待测镜片托盘6的镜片限位孔中放入待测透镜10，通过所述旋转位移器9旋转待测透镜k次，k>＝4，通过所述波前传感器8采集k次波前信号；

根据采集的波前信号计算出波前Fringe Zernike多项式的拟合系数；

根据Fringe Zernike多项式的拟合系数得到单一视场三阶Coma像差旋转分布图；

通过三阶Coma像差旋转分布图找到三阶Coma像差的节点位置，确定每一次旋转的终点位置和所述节点位置之间的矢径，其中所述终点位置是以三阶Coma像差的z7和z8项系数作为坐标轴，每次旋转后测量的z7和z8项系数的坐标；

将所述矢径的分布图和参数范围与标准测试镜头进行对比，根据对比结果的偏差确定偏心误差的大小，从而实现待测镜片的误差检测。

在优选的实施例中，还可通过Fringe Zernike多项式与三阶Coma像差的转换进行三阶赛德尔像差分析。

在优选的实施例中，采用理想标准球进行系统校准。

在优选的实施例中，所述进行波前调整、对焦以及系统校准，具体包括：

在所述待测镜片托盘6放置待测镜片10之前，控制所述第一驱动器，寻找关于所述聚焦透镜4的焦面对称的两个位置，使波前同心；控制所述第三驱动器，寻找关于所述扩束镜7的焦面对称的两个位置，使波前同心；

在所述待测镜片托盘6的设定位置的镜片限位孔放上标准球，控制所述第一驱动器和所述第二驱动器来调整标准球的聚焦位置，寻找获得接近平面的波前时所对应的所述聚焦透镜4和所述待测镜片托盘6的位置。

以下进一步描述本发明具体实施例及原理。

如图1至图3所示的波前检测系统，其主要光源是一个功率可调节的单色半导体激光器1，通光单模光纤2耦合进入准直透镜3，为了改善通过以上器件光束质量，在准直透镜3后加入聚焦透镜将光束聚焦到针孔5上，获得近似理想的较小的点光源，这个具有一定NA的点光源通过待测透镜，通过调节点光源与待测透镜10的距离可获得近乎平行的光束，为了充分利用波前探测器的有效区域，加入一个成一定倍率的扩束镜7，此时平行光经过扩束镜7扩束后达到夏克哈特曼波前传感器8。通过采集卡将波前传感器8获得的光斑信号送入计算机进行波前的算法处理，重构出波前图，并获得Fringe Zernike多项式的拟合系数。

波前检测系统如图1，待测镜片托盘可以通过第二驱动器驱动移动平台，实现XY方向的平移，实现连续定位测量，通过旋转位移器可以实现待测镜片托盘上的镜片的旋转测量。扩束镜可通过第三驱动器的控制实现沿光轴方向的位移。由于扩束镜是将待测波前进行放大，所以改变放大倍率并不影响波前的实际形状。

旋转位移器可由步进电机控制旋转位移。在待测镜片托盘的限位孔位置处设计一个小型的旋转位移器，可以通过直流伺服电机实现360°的旋转，通过待测镜片托盘位置的X/Y驱动器可以将待测镜片移动到对焦位置，实现旋转波前测量。测试的节点是三阶Coma像差的旋转对称中心，通过节点和旋转矢径的大小和方向可以对镜片的质量进行分析判断。

对于注塑镜片，由于加工产生的镜片容易产生设计机械定位轴和理想的光轴产生偏差，同时在面形上也又可能产生不对称偏差，这些误差可以采用本发明的波前传感检测方法，利用像差分析实现快速检测。利用Fringe Zernike与像差的关系，可以通过波前拟合的Fringe Zernike多项式Coma像差系数对镜片质量进行一定的分析。使用条纹泽尼克多项式的条纹形式相关的z7、z8项系数，利用条纹泽尼克多项式拟合求解波前Coma。利用Coma的一阶线性特点，使用本发明的方法可以很方便地通过旋转待测镜片在一个2π的范围获取一维的像差系数对的二维线性分布图。参变量Coma旋转特征可用来判断注塑非球面的加工质量。利用矢量像差对于分析离轴光学系统具有很好的优势。

表1条纹Zernike多项式的含义和对应表达式

一个实施例的具体检测过程包括：

先调整实现最佳聚焦位置，并测试光学系统的准直，基于波前系统波面进行系统校准(可采用理想标准球)，调整镜片限位孔位置实现校准。具体地，采用本系统，在所述待测镜片托盘放置待测镜片之前，控制所述第一驱动器，寻找关于所述聚焦透镜的焦面对称的两个位置，使波前同心；控制所述第三驱动器，寻找关于所述扩束镜的焦面对称的两个位置，使波前同心；在所述待测镜片托盘的设定位置的镜片限位孔放上标准球，控制所述第一驱动器和所述第二驱动器来调整标准球的聚焦位置，寻找获得接近平面的波前时所对应的所述聚焦透镜和所述待测镜片托盘的位置。

参见图4，旋转待测透镜k次，k>＝4，计算波前Fringe Zernike多项式的拟合系数。做出单一视场三阶Coma像差旋转分布图并记录。Fringe Zernike与三阶波像差可由表1进行转换，可以进行三阶赛德尔像差分。

然后，通过记录的Coma像差旋转分布图找到系统三阶Coma像差的节点位置，和每一次旋转的终点位置(以Coma像差的z7和z8项系数为坐标轴，每次测量的z7和z8项系数的坐标为终点位置)和节点位置之间的有向线段，即矢径。

将矢径的分布图和参数范围与标准测试镜头进行对比，根据偏差可以确定偏心误差的大小，从而实现镜片的误差检测。

通过大量仿真以及测试，验证了本发明的方法利用参变量Coma旋转特征可用来判断注塑非球面的加工质量。

以上内容是结合具体/优选的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普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种透射旋转对称非球面检测系统，其特征在于,包括在光路上依次设置的激光器、准直透镜、聚焦透镜、待测镜片托盘、扩束镜和波前传感器，以及与所述聚焦透镜相耦合用于驱动所述聚焦透镜沿光轴方向移动的第一驱动器，与所述待测镜片托盘相耦合用于驱动所述待测镜片托盘沿垂直光轴的XY方向平移的第二驱动器，与所述扩束镜相耦合用于驱动所述扩束镜沿光轴方向移动的第三驱动器，以及与所述待测镜片托盘相配合设置的旋转位移器，所述旋转位移器用于对放置在所述待测镜片托盘的镜片限位孔中的待测镜片进行旋转，以实现旋转波前测量。

2.如权利要求1所述的透射旋转对称非球面检测系统，其特征在于,所述激光器为单色半导体激光器，所述激光器发出的光通过单模光纤耦合进入所述准直透镜。

3.如权利要求1所述的透射旋转对称非球面检测系统，其特征在于,在所述聚焦透镜与所述待测镜片托盘之间设置有针孔。

4.如权利要求1所述的透射旋转对称非球面检测系统，其特征在于,所述波前传感器为夏克哈特曼波前传感器。

5.如权利要求1至4任一项所述的透射旋转对称非球面检测系统，其特征在于,还包括用于承载所述待测镜片托盘的移动平台，所述第二驱动器与所述移动平台相连，通过驱动所述移动平台沿垂直光轴的X Y方向平移来驱动所述待测镜片托盘平移；优选地，所述旋转位移器与所述移动平台安装在一起，随所述移动平台同步在X Y方向平移。

6.如权利要求1至4任一项所述的透射旋转对称非球面检测系统，其特征在于,所述旋转位移器通过直流伺服电机实现360°旋转。

7.一种透射旋转对称非球面检测方法，其特征在于,使用如权利要求1至6任一项所述的透射旋转对称非球面检测系统对待测镜片进行待测，所述方法包括以下步骤：

通过所述第一至第三驱动器控制所述聚焦透镜、所述待测镜片托盘和所述扩束镜移动，进行波前调整、对焦以及系统校准；

在所述待测镜片托盘的镜片限位孔中放入待测透镜，通过所述旋转位移器旋转待测透镜k次，k>＝4，通过所述波前传感器采集k次波前信号；

根据采集的波前信号计算出波前Fringe Zernike多项式的拟合系数；

根据Fringe Zernike多项式的拟合系数得到单一视场三阶Coma像差旋转分布图；

通过三阶Coma像差旋转分布图找到三阶Coma像差的节点位置，确定每一次旋转的终点位置和所述节点位置之间的矢径，其中所述终点位置是以三阶Coma像差的z7和z8项系数作为坐标轴，每次旋转后测量的z7和z8项系数的坐标；

将所述矢径的分布图和参数范围与标准测试镜头进行对比，根据对比结果的偏差确定偏心误差的大小，从而实现待测镜片的误差检测。

8.如权利要求7所述的透射旋转对称非球面检测方法，其特征在于,还包括：通过Fringe Zernike多项式与三阶Coma像差的转换进行三阶赛德尔像差分析。

9.如权利要求7或8所述的透射旋转对称非球面检测方法，其特征在于,采用理想标准球进行系统校准。

10.如权利要求7至9任一项所述的透射旋转对称非球面检测方法，其特征在于,所述进行波前调整、对焦以及系统校准，具体包括：

在所述待测镜片托盘放置待测镜片之前，控制所述第一驱动器，寻找关于所述聚焦透镜的焦面对称的两个位置，使波前同心；控制所述第三驱动器，寻找关于所述扩束镜的焦面对称的两个位置，使波前同心；

在所述待测镜片托盘的设定位置的镜片限位孔放上标准球，控制所述第一驱动器和所述第二驱动器来调整标准球的聚焦位置，寻找获得接近平面的波前时所对应的所述聚焦透镜和所述待测镜片托盘的位置。