CN110455221B - 一种快速测量光学镜片曲率半径的光路结构和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及球面半径检测技术领域，提供一种快速测量光学镜片曲率半径的光路结构和设备，包括：发光LED、切换式透镜单元、棱镜、半反半透镜、保护玻璃、光阑和CCD摄像机；所述发光LED发射的光穿过切换式透镜单元的中心，射入棱镜；经棱镜折射后平行射入半反半透镜；所述半反半透镜片反射的光线反射到被测样本上，并被被测样本再次反射，光线依次经过半反半透镜和光阑后，入射到CCD摄像机中。所述切换式透镜单元包括第一透镜或者依次设置在第一透镜和第二透镜。本发明能够对球面曲率半径进行快速检测，设备成本低、手持式便携性、稳定性高、精度高。
Description
技术领域
本发明涉及球面半径检测技术领域，尤其涉及一种快速测量光学镜片曲率半径的光路结构和设备。
背景技术
目前的各种光学镜片或金属等球面曲率的检测设备，包含有：球径仪、激光干涉仪、轮廓仪、面形仪；以及母片对比看干涉条纹等对比法检测。
球径仪是利于四个点支撑球面，四周三个点支撑球面边缘，中心一点顶住球面镜的球心，中心的支撑点具有高精密伸缩量计算，达到纳米级，从而通过中心点和和四周三点的距离差高度差，来计算球面曲率半径。设计上，要求中心点和四周三个点的同心度、四周三点高度差有严格精密要求。为此，球径仪设计上和使用上，都需要稳定的环境和平台，测量慢，不可移动等缺点。
激光干涉仪是光学镜片测量曲率半径常用的设备，该设备采用激光干涉法，将一束激光分成二路，采用反射回的激光和光路中折射回的激光进行干涉，通过计算干涉条纹的数量和位置，来计算镜片的曲率半径；而且测量时，需要对应的切换补正镜片。优点是精度高；缺点是速度慢、设备大且不可移动、校准困难、设备昂贵。
轮廓仪是利于激光进行位移传感器移动扫描，采用基于2D激光扫描的方式：主要原理为使用一束线激光照射到被检测物体，上方用CCD进行拍摄，得出直线的位置并应用三角算法，得出当前直线上各个空间位置。在做立体扫描时，需要配合精密的移动平台，在移动平台移动的过程中得出各个直线的空间位置，并进行汇总计算，得出立体数据。轮廓仪缺点：必须结合高精度的移动平台配合使用，时间长，降低了稳定性同时造成成本高。
光学面形仪设备，采用了条纹相位光技术，该设备采用非接触测量，快速扫描方式，通过拟合结构光技术，进行反射光的角度计算，来检测球面的曲率半径。该设备缺点是要求精确输入镜片到检测CCD端面距离，这样不适合机种的快速切换和在线研磨中的高度变化。
发明内容
本发明主要解决上述技术问题，提出一种快速测量光学镜片曲率半径的光路结构和设备，能够对球面曲率半径进行快速检测，设备成本低、手持式便携性、稳定性高、精度高。
本发明提供了一种快速测量光学镜片曲率半径的光路结构，包括：发光LED(1)、切换式透镜单元、棱镜(3)、半反半透镜(4)、保护玻璃(5)、光阑(7)和CCD摄像机(8)；
所述发光LED(1)发射的光穿过切换式透镜单元的中心，射入棱镜(3)；经棱镜(3)折射后平行射入半反半透镜(4)；
所述半反半透镜片(4)反射的光线反射到被测样本(6)上，并被被测样本(6)再次反射，光线依次经过半反半透镜(4)和光阑(7)后，入射到CCD摄像机(8)中。
优选的，所述切换式透镜单元包括第一透镜(2)或者依次设置在第一透镜(2)和第二透镜(9)；
所述第一透镜(2)的入射面为凸面、出射面为平面；
所述第二透镜(9)的入射面为平面、出射面为凸面。
优选的，所述发光LED(1)发出的光线经过第一透镜(2)时，光线汇聚点位于待测样本(6)外侧30-180mm范围内。
优选的，所述发光LED(1)发出的光线经过第一透镜(2)和第二透镜(9)组合透镜时，光线汇聚点位于待测样本(6)内侧20-50mm范围内。
优选的，所述光阑(7)设置中心孔(10)和中心孔(10)外侧的环形孔(11)。
优选的，所述中心孔(10)的孔径为0.5-1.8mm，所述环形孔(11)的孔径为2.0-3.5mm。
优选的，所述半反半透镜(4)与被测样本(6)之间设置保护玻璃(5)。
对应地，本发明还提供了一种快速测量光学镜片曲率半径的设备，包括：手持壳体(12)以及本发明任意实施例所述的快速测量光学镜片曲率半径的光路结构；
所述光路结构设置在手持壳体(12)内；
所述发光LED(1)与外接电源电连接；
所述CCD摄像机(8)通过数据线与外接工控机信号连接。
优选的，所述发光LED(1)的出射端设置杂光屏蔽装置(13)，所述发光LED(1)出射的光经杂光屏蔽装置(13)输入切换式透镜单元中。
本发明提供的一种快速测量光学镜片曲率半径的光路结构和设备，与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明光路结构原理简单，结构紧凑，通过核心的光学原件、光阑过滤，投影在CCD摄像机或其它采集器上光斑变化，通过采用CCD图像采集和亚像素拟合圆的算法结合，并结合工控机得到被测样本的曲率半径。
2、保证了大检查范围：能够实现凸凹镜面R＝20mm～到平面镜的检测范围。
3、各种镜面反射回来的光斑尺寸，经过光阑截取，都在CCD尺寸范围内。
4、采用CCD亚像素计算方法，保证测试产品的曲率精度和长短轴计算，能测量椭圆率。
5、光阑采用中心孔和环形孔的设计结构，保证了各种曲率的待测镜片，都有对应大小合适的光斑。
6、本发明测量设备可实现时时检测、在线监测、手持式便携的曲率半径检测设备。即便携快捷，而且成本低，精度高。便携的曲率半径检测的专用设备，除了快速检测外，适合在线使用，方便在球面镜研磨制造期间，进行曲率的随时确认。适合各种高中低档使用环境。
附图说明
图1是本发明提供的快速测量光学镜片曲率半径的光路结构的结构示意图；
图2是光阑口径示意图；
图3是CCD摄像机采集到的光斑效果图；
图4为待测样本为凹面镜时的光线焦点原理图；
图5为待测样本为凸面镜时的光线焦点原理图；
图6是本发明提供的快速测量光学镜片曲率半径的设备的结构示意图；
附图标记：1、发光LED；2、第一透镜；3、棱镜；4、半反半透镜；5、保护玻璃；6、被测样本；7、光阑；8、CCD摄像机；9、第二透镜；10、中心孔；11、环形孔；12、手持壳体；13、杂光屏蔽装置；14、像点。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。
实施例一
图1是本发明提供的快速测量光学镜片曲率半径的光路结构的结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供的快速测量光学镜片曲率半径的光路结构，包括：发光LED 1、切换式透镜单元、棱镜3、半反半透镜4、保护玻璃5、光阑7和CCD摄像机8。
所述发光LED 1发射的光穿过切换式透镜单元的中心，射入棱镜3；经棱镜3折射后平行射入半反半透镜4。本实施例在光路中，采用发光LED 1，能够适用于可见光到红外线范围。
所述半反半透镜片4反射的光线反射到被测样本6上，并被被测样本6再次反射，光线依次经过半反半透镜4和光阑7后，入射到CCD摄像机8中。
在本实施例中，所述切换式透镜单元可通过两种透镜形式来实现，具体的，所述切换式透镜单元包括第一透镜2或者依次设置在第一透镜2和第二透镜9。所述第一透镜2的入射面为凸面、出射面为平面；所述第二透镜9的入射面为平面、出射面为凸面。本实施例采用切换式组合透镜方式，当被测样本6为凸面镜时，切换式透镜单元只选用第一透镜2；当被测样本6为凹面镜时，切换式透镜单元选用第一透镜2和第二透镜9的组合形式；本发明采用可选择透镜模式的切换式透镜单元，保证了各种凸凹镜和平面镜的被测样本6的镜面反射光，都能通过光阑7，在CCD摄像机8上，形成0.5-5mm合适大小的光斑。本发明要求第一透镜2和第二透镜9组合切换式，能够检测多种类型的光学镜片的曲率半径，实现大检测范围。
图2是光阑口径示意图。如图2所示，本实施例中，光阑7设置中心孔10和中心孔10外侧的环形孔11。中心孔10和环形孔11之外的区域丝印涂黑。所述中心孔10的孔径为0.5-1.8mm，所述环形孔11的孔径为2.0-3.5mm。光阑7的中心孔10和环形孔11的孔径与CCD摄像机8成一定比例，保证了通过被测样本6反射光线，经过光阑7，均可以在CCD摄像机8上形成一个和光阑7成一定比例的完整光斑(如图3所示)，进而利用光斑内圆直径、外环内外径半径变化，得到被测样本6的曲率半径。
另外，所述半反半透镜4与被测样本6之间设置保护玻璃5。
本发明实施例提供的快速测量光学镜片曲率半径的光路结构的工作原理：
使用时，进行检测时，发光LED 1保持发光状态，被测样本6放置在测试点上时，由半反半透镜片4反射上来的光线，就会被被测样本6反射下去，光线经过半反半透镜4后，投射过去的光线，经过图2的光阑7过滤后，在CCD摄像机8上形成如图3所示的光斑。利用以下公式，得到对应待测样本6的曲率半径：
公式中，Rx表示待测样本6的曲率半径；Φx表示CCD摄像机8上形成的光斑直径或椭圆形光的长短轴长度；k表示光阑7的中心孔10或者环形孔的孔径；a＝d4+d5+d6；c＝a+d7；u＝1/[1/f-1/(d1+d2+W+H+d3)]，其中，a、c通过图1中的光学d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7得到，d1表示第二透镜9的宽度，d2表示第二透镜9和棱镜3之间的距离，d3表示被测样本6的中心到棱镜3的垂直距离，d4表示保护玻璃5与被测样本6之间的距离，d5表示保护玻璃5与半反半透镜4之间的距离；d6表示半反半透镜4与光阑7之间的距离；d7表示光阑7与CCD摄像机8之间的距离，f表示待测样品的焦距，W表示棱镜3的宽度，H表示棱镜3的长度；u为发光LED1发光经过半反半透镜4出射光对应第一透镜2和第二透镜9的焦点像距。
本发明实施例提供的快速测量光学镜片曲率半径的光路结构，通过第一透镜2和第二透镜9在光路中的透镜切换，可以使上述基准公式中的u进行变化，从而适用于图4中的凸凹面形镜面的兼容性和测量范围大的优点。图4为待测样本为凹面镜时的光线焦点原理图。如图4所示，测量凹面镜光线运行效果图，第一透镜2和第二透镜9组合使用，光线从半反半透4反射上去的光，汇聚在半反半透4和待测样本6之间，把此汇聚光点作为发光物点，把待测样本6待测面球面焦距作为透镜f，则可计算出从待测样本反射回来的光线的像点14。因此，发光LED 1发出的光线经过第一透镜2时，可实现光线汇聚点位于待测样本6外侧30-180mm范围内。
图5为待测样本为凸面镜时的光线焦点原理图。如图5所示，测量凸面镜光线运行效果图，本发明能够保证像点14位于待测样本6和CCD摄像机8之外较远位置，可以快速测量光学镜片曲率半径。为保证基准公式中，Φx满足一定的大小，保证CCD采集图像合适范围，提高CCD分辨精度和计算精度，光路设计中，基准公式中的u视为发光点，被测样本6视为焦距f，要一直保证反射后的像点位于图5所示，在光阑和CCD之外较远位置，这样通过光阑7的光线，在CCD上不会过快汇聚，才能形成合适大小的光斑。因此，所述发光LED 1发出的光线经过第一透镜2和第二透镜9组合透镜时，可实现光线汇聚点位于待测样本6内侧20-50mm范围内。在本实施例中，Φx满足一定的大小，保证CCD采集图像合适范围，提高CCD分辨精度和计算精度，通过工控机连接CCD摄像机8，对采集的光斑图像，进行亚像素分析，保证1.2微米像素基础上，进行差值1/5像素拟合，从而保证了曲率半径Rx检测精度0.01mm以下。
如果被测样本6是椭球面，CCD摄像机8所接收的图像会呈现出椭圆形状，通过计算CCD摄像机8上椭圆的长短轴长度，可计算出被测样本6的长短轴二个曲率半径值。
本发明通过光路中透镜切换、光阑开口设计与CCD结合，利用小巧结构光学组合和快速计算方式，实现了球面曲率半径的快速、精准测量，同时还实现了镜面产品在线检测。
实施例二
图6是本发明提供的快速测量光学镜片曲率半径的设备的结构示意图。如图6所示，本实施例提供的快速测量光学镜片曲率半径的设备，包括：手持壳体12以及本发明任意实施例所述的快速测量光学镜片曲率半径的光路结构；
所述光路结构设置在手持壳体12内。所述发光LED1与外接电源电连接。所述CCD摄像机8通过数据线USB3.0与外接工控机的USB端口连接，实现CCD摄像机8与工控机的信号连接。
所述发光LED1的出射端设置杂光屏蔽装置13，所述发光LED 1出射的光经杂光屏蔽装置13输入切换式透镜单元中。杂光屏蔽装置13能够屏蔽led光光斑杂光。
本实施例提供的快速测量光学镜片曲率半径的设备在使用时，进行检测时，LED 1保持发光状态，被测样本6放置在测试点上时，由半反半透镜片4反射上来的光线，就会被被测样本6反射下去，光线经过半反半透镜4后，投射过去的光线，经过图3光阑7过滤后，在CCD上形成图4的光斑。通过工控机连接CCD摄像机8，利用CCD摄像机8时时采集图4的CCD图像变化，对采集的图像进行亚像素分析，计算圆的直径或是椭圆的长短轴长度方向，进而得到出对应待测样本的曲率半径。本发明保证1.2微米像素基础上，进行差值1/5像素拟合，从而保证了曲率半径Rx检测精度0.01mm以下。
本实施例提供的快速测量光学镜片曲率半径的设备，能够实现镜面或反射面的曲率半径测量，对于球面、椭球面均可实现，能够测量的范围更大和精度更高，采用了待测样本反射的光，通过透镜和光阑组合，并采用了CCD或Cmos等采集器，并采用软件进行光斑大小变化计算，计算待测样本曲率半径的方法。本发明和传统手段相比，小巧灵活、使用便捷、结果时时显示，又降低了环境要求和成本，因为结构固定，也提高了测量的稳定性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (6)
1.一种快速测量光学镜片曲率半径的光路结构，其特征在于，包括：发光LED(1)、切换式透镜单元、棱镜(3)、半反半透镜(4)、保护玻璃(5)、光阑(7)和CCD摄像机(8)；
所述发光LED(1)发射的光穿过切换式透镜单元的中心，射入棱镜(3)；经棱镜(3)折射后平行射入半反半透镜(4)；
所述半反半透镜(4)反射的光线反射到被测样本(6)上，并被被测样本(6)再次反射，光线依次经过半反半透镜(4)和光阑(7)后，入射到CCD摄像机(8)中；
所述切换式透镜单元包括第一透镜(2)或者依次设置在第一透镜(2)和第二透镜(9)；所述第一透镜(2)的入射面为凸面、出射面为平面；所述第二透镜(9)的入射面为平面、出射面为凸面；
所述光阑(7)设置中心孔(10)和中心孔(10)外侧的环形孔(11)，所述半反半透镜(4)与被测样本(6)之间设置保护玻璃(5)；
利用以下公式，得到对应待测样本(6)的曲率半径：
Rx＝2/[(φx-k)/(k*c-a*φx)+1/u]
公式中，Rx表示待测样本(6)的曲率半径；Φx表示CCD摄像机(8)上形成的光斑直径或椭圆形光的长短轴长度；k表示光阑(7)的中心孔(10)或者环形孔的孔径；
a＝d4+d5+d6；c＝a+d7；u＝1/[1/f-1/(d1+d2+W+H+d3)]，其中，a、c通过d1、d2、d3、d4、d5、d6、d7得到，d1表示第二透镜(9)的宽度，d2表示第二透镜(9)和棱镜(3)之间的距离，d3表示被测样本(6)的中心到棱镜(3)的垂直距离，d4表示保护玻璃(5)与被测样本(6)之间的距离，d5表示保护玻璃(5)与半反半透镜(4)之间的距离；d6表示半反半透镜(4)与光阑(7)之间的距离；d7表示光阑(7)与CCD摄像机(8)之间的距离，f表示待测样品的焦距，W表示棱镜(3)的宽度，H表示棱镜(3)的长度；u为发光LED(1)发光经过半反半透镜(4)出射光对应第一透镜(2)和第二透镜(9)的焦点像距。
2.根据权利要求1所述的快速测量光学镜片曲率半径的光路结构，其特征在于，所述发光LED(1)发出的光线经过第一透镜(2)时，光线汇聚点位于待测样本(6)外侧30-180mm范围内。
3.根据权利要求1所述的快速测量光学镜片曲率半径的光路结构，其特征在于，所述发光LED(1)发出的光线经过第一透镜(2)和第二透镜(9)组合透镜时，光线汇聚点位于待测样本(6)内侧20-50mm范围内。
4.根据权利要求1所述的快速测量光学镜片曲率半径的光路结构，其特征在于，所述中心孔(10)的孔径为0.5-1.8mm，所述环形孔(11)的孔径为2.0-3.5mm。
5.一种快速测量光学镜片曲率半径的设备，其特征在于，包括：手持壳体(12)以及权利要求1至4任一项所述的快速测量光学镜片曲率半径的光路结构；
所述光路结构设置在手持壳体(12)内；
所述发光LED(1)与外接电源电连接；
所述CCD摄像机(8)通过数据线与外接工控机信号连接。
6.根据权利要求5所述的快速测量光学镜片曲率半径的设备，其特征在于，所述发光LED(1)的出射端设置杂光屏蔽装置(13)，所述发光LED(1)出射的光经杂光屏蔽装置(13)输入切换式透镜单元中。
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