CN110514407A - 一种光学检测仪器及其检测方法和偏心调校方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学检测仪器，包括控制系统、输出系统、接收系统，输出系统包括光源和空间光调制器，其中光源发出的光线传输至空间光调制器，控制系统控制的空间光调制器后在光路中生成一个或多个图像；输出系统所成的图像经过被测样品透射和/或反射后变为反馈信息，反馈信息被接收系统接收；控制系统比较反馈信息与输出像的区别分析计算出被测样品信息。本发明利用空间光调制器的特性生成和/或改变全息图以满足检测需求，只需改变全息图就可实现移动镜头的效果，可用于测量透镜偏心、厚度、折射率等参数，使检测设备可以实现固态化，有利于缩短更换样本重新定位的时间，也可用于在流水线上快速自动化批量加工检测光学元器件。

Description

一种光学检测仪器及其检测方法和偏心调校方法
技术领域
本发明涉及光学镜片检验、加工领域，特别是涉及一种光学检测仪器及其检测方法和偏心调校方法。
背景技术
镜片是光学技术的基础元件，其在加工过程中需要检测球面R、厚度、折射率、偏心等，总体上来说，镜片的加工是一项十分精密的技术。
目前主要采用透镜中心仪和非接触式测厚仪检测镜片的球面R、球心、厚度等。透镜中心仪是一种在光学元件加工及光学装配过程中测量和校正球面透镜光轴与外圈不同轴度的仪器，是透镜生产工艺中必不可少的检测仪器之一。非接触式测厚仪就是测量仪器与被测物体非接触测量，能够很好的保护所测物体。
但是目前对于镜片的检测方式存在如下缺陷：
1、传统的反射式中心仪检测镜片偏心时，都需移动镜头组CCD上呈现一个清晰像，每次更换样品都需要移动镜头，在检测及加工中会浪费大量时间。某些情况下，例如镜片某个面的R值超出范围，需更换镜头，才能在CCD上成像，十分费力。
2、传统的反射式中心仪无法检测非球面镜片。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种光学检测仪器及其检测方法和偏心调校方法，其能够缩短检测、偏心调校时间且可以检测非球面镜片。
为实现上述目的，本发明提供了一种光学检测仪器，包括控制系统、输出系统、接收系统，所述输出系统包括光源和空间光调制器，其中光源发出的光线经过分光棱镜后传输至空间光调制器，控制系统控制的空间光调制器后在光路中生成一个或多个图像；输出系统所成的图像经过被测样品透射和/或反射后变为反馈信息，反馈信息被接收系统接收；控制系统比较反馈信息与输出像的区别分析计算出被测样品信息。所述的被测样品可以是单片球面镜、单片非球面镜、多片球面镜、多片非球面镜、多片球面非球面组合镜片或镜头。所述接收系统包括：CCD和/或CMOS。光线通过空间光调制器在空间中生成第一图像，第一图像经过被测样品透射和/或反射后得到第二图像，第二图像通过光学系统(光学镜头)后，在接收器面上生成第三图像，控制系统比对第一图像与第三图像。
优选的，光源发出的光经过chart板和/或分划板生成十字像，空间光调制器模拟可变化的透镜使十字像成像位置可变。
优选地，分光棱镜有两个，分别为第一分光棱镜、第二分光棱镜，所述光源的光线经过分光棱镜后进入空间光调制器，空间光调制器接收到光线后产生图像，带有图像发的光线进入第二分光棱镜处理后向被测样品照射，图像经过被测样品透射和/或反射后变为反馈信息，反馈信息通过光学系统处理后被接收系统接收。
光源发出的光经过空间光调制器生成第一图像，第一图像经过被测样品中各个面透射与被侧面反射，控制系统控制空间光调制器改变第一图像的位置，使反射光为平行光，反射光经过光学镜头在接收面上成第二图像，被接收系统接收。
或者光源发出的光经过分划板后经过空间光调制器，空间光调制器模拟透镜，在被测样品被侧面的球心上成第一图像，第一图像被侧面反射或透射、再经空间光调制器后，在接收面上成第二图像，被接收系统接收。
优选地，所述光源为半导体激光器、光纤激光器、固体激光器、垂直腔面激光器、二氧化碳激光器、LED、卤素灯中的任一种或多种组合。
优选地，所述输出系统包括光源和空间光调制器、振镜、硅光器件、运动式光栅中的任一种或多种组合。
优选地，所述空间光调制器为数字微镜元件、透射式硅基液晶或者反射式硅基液晶其中的一种或多种组合。
优选地，还包括反光镜反光镜用于将光线反射至空间光调制器。
优选地，还包括夹持组件，所述夹持组件用于夹持被测样品，包括托盘、主动轴承、从动轴承、气嘴、紫外灯，托盘上放置有被测样品，主动轴承与从动轴承设置于托盘的两侧，用于夹紧被测样品；气嘴和紫外灯则设置在托盘的旁侧，可人工控制；托盘可绕托盘中心轴旋转。
所述主动轴承周围有弹性部件，与被测样品接触的部位会变形。主动轴承固定在弹性支杆上；
所述从动轴承至少含有两个。两个从动轴承关于托盘中心轴所在的一个平面对称，且可沿该平面上托盘中心轴垂直方向移动；
所述气嘴与紫外灯可手动调节位置。气嘴的吹气频率与吹气量可根据需求，通过控制系统调节。
本发明还公开了基于上述光学检测仪器的检测方法，包括如下步骤：
S1、启动输出系统，光源发出光线，光线经过分光棱镜后通过反光镜反射入空间光调制器，在光路中生成一个或多个图像，并射向被测样品；每个周期内分为多个时间段，控制系统控制空间光调制器在不同时序上生成不同的像，同时控制系统控制接收系统同步，以此单次检测被测样品多个面的数据；
S2、带有图像的光线经过被测样品透射和/或反射后变为反馈信息，反馈信息传送至光学系统，并经过光学系统处理后被接收系统接收；
S3、控制系统比较反馈信息与输出像的区别分析计算出被测样品信息。
优选地，S3中，包括：S3.1被测样品第一表面偏心时，若被测样品第一表面面型已知但存在误差，根据第一表面面型的R值与顶点位置，可知道第一表面球心位置。顶点位置为已知量，存在一定误差，因此得到的球心位置也存在误差；
控制系统控制空间光调制器生成全息图在该位置成像，由于成像在第一表面球心上，所有光线均垂直打在第一表面，因此光线基本都等效于平面反射，返回的光会在接收系统表面附近成像，由于误差存在此时获取的反馈图像是不清晰的；
控制系统控制空间光调制器微调全息图焦距使反馈图像清晰，图像清晰后，控制系统控制主动轴承旋转，接收系统获取的图像会绕某个点旋转，根据此图像的旋转轨迹半径、通过传统偏心计算方法，计算得出被测样品第一表面的偏心量；
S3.2若第一表面面型未知，控制系统控制空间光调制器模拟动态全息图，动态的变化焦距，通过接收到的反馈图像清晰度扫描到第一表面球心位置，并在球心位置成像，旋转主动轴承带动被测样品，获得图像旋转轨迹半径可知第一面偏心，但由于R值未知，无法计算出具体偏心量；
但若已知顶点位置，便可根据定点位置与球心位置得到第一表面R值，以计算得到第一表面偏心量，具体为可将定点位置与球心位置放置在同一坐标系内，通过坐标偏移量计算；
S3.3检测被测样品第N表面偏心时，需已知第一至第N表面之间的所有面R值、相邻间的材料折射率、相邻面的距离；
用ZEMAX模拟成像在第N表面球心处所需焦距，控制系统控制空间光调制器生成全息图模拟该焦距，再进行微调使得接收到的反馈图像清晰；
控制系统控制主动轴承旋转，接收系统获取的图像会绕某个点旋转，根据此图像的旋转轨迹半径，若以反馈光为平行光的光路结构测量可通过公式
计算得出第n个面的偏心量。式中OOn为第n面偏心量，Nn为系统偏心量，Mi,j为入射时第i面球心像经过第j面成像时的横向放大率，Mi,j’为反射时第i面球心像经过第j面成像时的横向放大率，Mi,i为第i面反射时的横向放大率。若是以自准直光路结构测量可通过公式
计算得出第n个面的偏心量。式中Tn为旋转轨迹半径。
优选地，所述控制系统根据检测被测样品前后两个面对应的输出系统所成像的位置，以及被测样品厚度和前后两个面的球面半径，计算得到被测样品折射率。公式如下：
式中p为检测第二表面时空间光调制器所成像位置到第一表面的距离及第一表面物距，d为被测样品厚度，R1为被测样品第一表面半径，R2为被测样品第二表面半径。
优选地，所述控制系统根据检测被测样品前后两个面对应的输出系统所成像的位置，以及被测样品折射率和前后两个面的球面半径，计算得到被测样品厚度。公式如下：
式中p为检测第二表面时空间光调制器所成像位置到第一表面的距离及第一表面物距，d为被测样品厚度，R1为被测样品第一表面半径，R2为被测样品第二表面半径。
优选地，被测样品为非球面镜片，此时，光源发出的光经过空间光调制器相位补偿后使得补偿光经非球面反射后可在接收系统的接受面上成清晰像；相位补偿方式为：根据zernike、seidel等系数、根据非球面面型系数至少其中之一补偿。
优选地，还包括：校准夹持组件的支撑筒与主光轴同轴时，将一片标准平片固定在夹持结构上，打开光源，空间光调制器生成并调节全息图，使接收系统获得清晰图像，转动主动轴承，观察接收系统获取的图像运动轨迹，根据轨迹调节夹持组件，使得图像在接收系统接收面中心稳定不动，此时夹持组件得支撑筒与主光轴同轴。
本发明还公开了基于上述光学检测仪器的偏心调校方法，包括如下内容：将被测样品放置在涂抹有UV胶的基板上，并固定基板，然后根据接收系统获取的图像运动轨迹半径，计算得到被测样品的偏心量，控制系统发出指令给气嘴，将被测样品吹至加工偏心要求范围内；校准完成后控制系统控制紫外线光源打开曝光使UV胶曝光固化。
本发明的有益效果是：
1、本发明利用空间光调制器的特性生成和/或改变全息图以满足检测需求，只需改变全息图就可实现移动镜头的效果，且不需担心R值范围的问题，使检测设备可以实现固态化，有利于缩短更换样本重新定位的时间。
2、本发明根据非球面面型计算一个相位，并利用空间光调制器补偿就可在CCD上成像，因此利用空间光调制器就可检测非球面偏心。
3、本发明利用气吹吹动镜片，从而对偏心进行调校，且调校后直接用紫外光照射UV胶即可固化，十分方便、快捷。
附图说明
图1是实施例一的结构示意图。
图2是实施例一的夹持组件结构示意图。
图3是实施例一的夹持组件结构示意图。
图4是实施例二的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
实施例一
参见图1-图3，本实施例的光学检测仪器，包括控制系统、输出系统、接收系统，所述输出系统包括光源110和空间光调制器140，其中光源110发出的光线201经过控制系统控制的空间光调制器140后在光路中生成一个或多个图像202；输出系统所成的图像经过被测样品210透射和/或反射后变为反馈信息，反馈信息被接收系统160接收；
控制系统比较反馈信息与输出像的区别分析计算出被测样品210信息，如球心、球面R等。
本实施例的控制系统用于控制输出系统、接收系统、气嘴、紫外灯的运行，且根据内置的控制器(CPU、MCU等)、程序进行相应的计算。
优选地，所述光源为半导体激光器、光纤激光器、固体激光器、垂直腔面激光器、二氧化碳激光器、LED、卤素灯中的任一种或多种组合。
优选地，所述输出系统包括光源和空间光调制器、振镜、硅光器件、运动式光栅中的任一种或多种组合。
优选地，所述空间光调制器是数字微镜元件、透射式硅基液晶或者反射式硅基液晶其中的一种或多种组合。
优选地，还包括光学系统150，所述光学系统150用于调节反馈信息对接收系统160接收端的焦距、传输距离等。
优选地，还包括夹持组件300，所述夹持组件300用于夹持被测样品210，包括托盘301、主动轴承302、从动轴承303、气嘴304、紫外灯305，所述托盘301可绕托盘中心轴旋转。
所述主动轴承302周围有弹性部件307，与被测样品210接触的部位会变形。主动轴承302固定在弹性支杆306上；
所述从动轴承303至少含有两个。两个从动轴承303关于托盘中心轴所在的一个平面对称，且可沿该平面上托盘中心轴垂直方向移动；
所述气嘴304与紫外灯(305)可手动调节位置。气嘴304的吹气频率与吹气量可根据需求，通过控制系统140调节。
上述光学检测仪器的检测方法如下：
S1、启动输出系统，光源发出光线201，光线201经过分光棱镜120分光及半反半透后，光线通过反光镜130反射入空间光调制器140，并被空间光调制器接收后，空间光调制器140后在光路中生成一个或多个图像202，并射向被测样品210；
S2、带有图像202的光线经过被测样品210透射和/或反射后变为反馈信息，反馈信息传送至光学系统150，并经过光学系统处理(如滤光、偏振、调节焦距等)后被接收系统160接收；
S3、控制系统比较反馈信息与输出像的区别分析计算出被测样品210信息，具体如下：
S3.1被测样品210第一表面(不经过任何其他面透射)偏心时，若被测样品210第一表面面型已知但存在误差，根据第一表面面型的R值与顶点位置，可知道第一表面球心位置。顶点位置为已知量，存在一定误差，因此得到的球心位置也存在误差；
控制系统控制空间光调制器生成全息图在该位置成像，由于成像在第一表面球心上，所有光线均垂直打在第一表面，因此光线基本都等效于平面反射，返回的光会在接收系统表面附近成像，由于误差存在此时获取的反馈图像是不清晰的；
控制系统控制空间光调制器微调全息图焦距使反馈图像清晰，图像清晰后，控制系统控制托盘旋转，接收系统获取的图像会绕某个点旋转，根据此图像的旋转轨迹半径、通过传统偏心计算方法，计算得出被测器样样品第一表面的偏心量。
S3.2若第一表面面型未知，控制系统控制空间光调制器模拟动态全息图，动态的变化焦距，通过接收到的反馈图像清晰度扫描到第一表面球心位置，并在球心位置成像，旋转托盘，获得图像旋转轨迹半径可知第一面偏心，但由于R值未知，无法计算出具体偏心量；
但若已知顶点位置，便可根据定点位置与球心位置得到第一表面R值，以计算得到第一表面偏心量，具体为可将定点位置与球心位置放置在同一坐标系内，通过坐标偏移量计算。
S3.3检测被测样品第N表面(经过N-1个面透射)偏心时，需已知第一至第N表面之间的所有面R值(含第一和第N)、相邻间的材料折射率、相邻面的距离；
用ZEMAX模拟成像在第N表面球心处所需焦距，控制系统控制空间光调制器生成全息图模拟该焦距，再进行微调使得接收到的反馈图像清晰；
控制系统控制转盘旋转，接收系统获取的图像会绕某个点旋转，根据此图
像的旋转轨迹半径，若以反馈光为平行光的光路结构测量可通过公式：
计算得出第n个面的偏心量。式中OOn为第n面偏心量，Nn为系统偏心量，Mi,j为入射时第i面球心像经过第j面成像时的横向放大率，Mi,j’为反射时第i面球心像经过第j面成像时的横向放大率，Mi,i为第i面反射时的横向放大率。
若是以自准直光路结构测量可通过公式：
计算得出第n个面的偏心量。式中Tn为旋转轨迹半径。
优选地，所述控制系统可根据检测被测样品前后两个面时，空间光调制器所成像位置，以及被测样品厚度和前后两个面的球面半径，计算得到被测样品折射率。公式如下：
式中p为检测第二表面时空间光调制器所成像位置到第一表面的距离及第一表面物距，d为被测样品厚度，R1为被测样品第一表面半径，R2为被测样品第二表面半径。
优选地，所述控制系统可根据检测被测样品前后两个面时，空间光调制器所成像位置，以及被测样品折射率和前后两个面的球面半径，计算得到被测样品厚度。公式如下：
式中p为检测第二表面时空间光调制器所成像位置到第一表面的距离及第一表面物距，d为被测样品厚度，R1为被测样品第一表面半径，R2为被测样品第二表面半径。
校准夹持组件的支撑筒与主光轴同轴时，将一片标准平片固定在夹持结构上，打开光源，空间光调制器生成并调节全息图，使接收系统获得清晰图像，转动转盘，观察接收系统获取的图像运动轨迹，根据轨迹调节夹持组件，使得图像在接收系统接收面中心稳定不动，此时认为夹持组件得支撑筒与主光轴同轴。
实施例二
参见图4，本实施例与实施例一的区别在于，分光棱镜有两个，分别为第一分光棱镜121、第二分光棱镜122，所述光源110的光线201经过分光棱镜121后进入空间光调制器140，空间光调制器140接收到光线后产生图像202，带有图像发的光线进入第二分光棱镜122后向被测样品210照射，图像经过被测样品210透射和/或反射后变为反馈信息，反馈信息通过光学系统150处理后被接收系统160接收。
这种设计去除了反光镜130而且经过反馈信息可以直接输送至光学系统150，然后被接收系统160接收，能够大大简化整体结构。
实施例三
基于实施例一或实施例二中光学检测仪器的偏心调校方法，包括如下内容：将被测样品(镜片)放置在涂抹有UV胶的基板上，并固定基板，然后根据接收系统获取的图像运动轨迹半径，计算得到被测样品的偏心量，控制系统发出指令给气嘴，将被测样品吹至加工偏心要求范围内；校准完成后控制系统控制紫外线光源打开曝光使uv胶曝光固化。
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (13)

1.一种光学检测仪器，其特征在于，包括控制系统、输出系统、接收系统，所述输出系统包括光源和空间光调制器，其中光源发出的光线传输至空间光调制器，控制系统控制的空间光调制器后在光路中生成和/或调制一个或多个图像；输出系统所成的图像经过被测样品透射和/或反射后变为反馈信息，反馈信息被接收系统接收；控制系统比较反馈信息与输出像的区别分析计算出被测样品信息。
2.如权利要求1所述的光学检测仪器，其特征在于，还包括第一分光棱镜和第二分光棱镜；所述光源的光线经过第一分光棱镜后进入空间光调制器，空间光调制器接收到光线后产生图像，带有图像的光线进入第二分光棱镜后向被测样品照射，图像经过被测样品透射和/或反射后变为反馈信息，反馈信息通过光学系统处理后被接收系统接收。
3.如权利要求1或2所述的光学检测仪器，其特征在于，所述光源为半导体激光器、光纤激光器、固体激光器、垂直腔面激光器、二氧化碳激光器、LED、卤素灯中的任一种或多种组合。
4.如权利要求1或2所述的光学检测仪器，其特征在于，所述光源包含chart板和/或分划板，用与生成图像。
5.如权利要求1或2所述的光学检测仪器，其特征在于，所述输出系统包括光源和空间光调制器、振镜、硅光器件、运动式光栅中的任一种或多种组合。
6.如权利要求1或2所述的光学检测仪器，其特征在于，所述空间光调制器为数字微镜元件、采用相位调制的透射式硅基液晶或者反射式硅基液晶其中的一种或多种组合。
7.如权利要求1所述的光学检测仪器，其特征在于，还包括反光镜，反光镜用于将光线反射至空间光调制器。
8.基于权利要求1-7任一所述光学检测仪器的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、启动输出系统，光源发出光线射入空间光调制器，空间光调制器后在光路中生成和/或调制一个或多个图像，并射向被测样品；每个周期内分为多个时间段，控制系统控制空间光调制器在不同时序上生成和/或调制不同的像，同时控制系统控制接收系统同步，检测被测样品多个面的数据；
S2、带有图像的光线经过被测样品透射和/或反射后反馈信息，经过光学系统后被接收系统接收，或接收系统直接接收反馈信息；
S3、控制系统比较反馈信息与输出像的区别分析计算出被测样品信息。
9.如权利要求1或8所述的光学检测仪器及检测方法，其特征在于，被测样品做旋转运动，接收系统获取图像运动轨迹半径，根据图像运动轨迹半径以及已知被测样品表面半径、折射率、厚度参数计算的到被测样品表面偏心量。
10.如权利要求8所述光学检测仪器的检测方法，其特征在于，所述控制系统根据检测被测样品前后两个面对应的输出系统所成像位置，以及被测样品厚度和前后两个面的球面半径，计算得到被测样品折射率。
11.如权利要求8所述光学检测仪器的检测方法，其特征在于，所述控制系统根据检测被测样品前后两个面对应的输出系统所成像的位置，以及被测样品折射率和前后两个面的球面半径，计算得到被测样品厚度。
12.如权利要求8所述光学检测仪器的检测方法，其特征在于，被测样品为非球面镜片，光源发出的光经过空间光调制器相位补偿后使得补偿光经非球面反射后可在接收系统的接受面上成清晰像；相位补偿根据zernike、seidel系数、非球面面型系数至少其中之一补偿。
13.基于权利要求1-7任一所述光学检测仪器的偏心调校方法，其特征在于，包括如下内容：校准、固定基准样品，将被测样品放置在涂抹有胶的基准样品上，然后根据接收系统获取的图像运动轨迹半径，计算得到被测样品的偏心量，控制系统发出指令，将被测样品调整至加工偏心要求范围内；校准完成后使胶固化。
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