CN113639968B - 一种基于焦深延拓像散探头的透镜参数测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于焦深延拓像散探头的透镜参数测量方法，具有曲率半径、中心厚、及轮廓三种测量模式，所述包括上位机、运动控制器、三轴电动平移台、焦深延拓像散探头、夹持机构、待测元件，其中所述焦深延拓像散探头将光束聚焦至待测元件表面，探头测量的反射光斑形状与表面及探头之间位置相关，通过分析光斑形状定位表面位置；所述三轴电动平移台带动探头在xyz三个方向进行扫描获得表面面形信息，并实现元件几何参数的测量。本发明相比传统测量设备，本发明为非接触测量，不会损伤表面，且结合了三种测量模式，具有超高性价比，有望在光学加工企业广泛应用。
Description
技术领域
本发明专利涉及测试计量技术领域，具体涉及一种基于焦深延拓像散探头的透镜参数测量方法，适用于精密球面或非球面光学元件表面几何参数的测量。
背景技术
光学元件曲率半径、厚度等几何参数的精度对光学系统的性能有重要的影响。一般为了保证加工精度，需在加工光学元件的全过程中均对该类参数进行测量，实现过程质量控制，确保在元件部分满足设计需求。
由于需求广泛，目前针对不同参数已开发了多种测量方法；总体而言，测量可分为接触式和非接触式两类。接触式设备，如球径仪、简易中心厚测量仪、轮廓仪等，通过机械探头确定元件表面位置，精度较高，适用性广，但探头易磨损，扫描速率低、影响了精度并可能对元件表面造成伤害。非接触式设备，如非接触式自准直球径仪、基于光谱共焦的中心厚测量仪、非接触扫描轮廓仪等，一般使用光学探头，通过光电的方式获得元件表面信息，更加适合于高精度光学元件，是目前发展的前沿方向及主要趋势。但非接触式设备往往成本较高，而普通光学加工厂家难以针对每种参数分别配置非接触式测量设备，迫切需要一机多用，开发一种高性价比、能够非接触一体化测量曲率半径、中心厚及轮廓等参数的设备。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于焦深延拓像散探头的透镜参数测量方法，通过焦深延拓像散探头的透镜参数的测量装置对透镜进行测量，所述测量装置包括上位机、运动控制器、三轴电动平移台、焦深延拓像散探头、夹持机构和待测元件；其中所述三轴移动平台的上、下端均设有焦深延拓像散探头；所述焦深延拓像散探头将光束聚焦至待测元件表面，探头测量的反射光斑形状与表面及探头之间位置相关，通过分析光斑形状定位表面位置；所述三轴电动平移台带动探头在xyz三个方向进行扫描获得表面面形信息，并实现元件几何参数的测量；
其中测量步骤包括以下：
测量透镜曲率半径的步骤为：
(1.1)根据待测元件有效口径选择适合半径小于口径的最大圆形测环；
(1.2)根据预先标定位置，将焦深延拓像散探头自动移动至测环中心附近；
(1.3)向上移动焦深延拓像散探头，观察显示器光斑情况，使得透镜表面位于焦深延拓像散探头的测量范围之内；
(1.4)在中心附近处水平移动焦深延拓像散探头，一般只需测量半径为1mm以内的圆形路径上三点，确定元件顶点位置；
(1.5)结合线性编码器及焦深延拓像散探头测量结果，保存待测元件表面位置；
(1.6)取下待测元件，在测环上放置平晶；
(1.7)移动像散探头，确保平晶下表面位于像散探头测量范围内；
(1.8)根据式(1)计算元件曲率半径值。
R＝r2/2h+h/2±ρ (1)
式中R为所需曲率半径，r为测环半径，h为待测元件与平晶表面相差位置的矢高信息，ρ为测环安装的钢球半径，凹面时为加号，凸面时为减号；
测量中心厚的步骤为：
(2.1)使用自定心透镜架作为夹持机构，将待测元件安装在自定心透镜架上，目测保持待测元件近似水平放置；
(2.2)分别将待测元件下表面及上表面移动至上、下焦深延拓像散探头的测量范围内，记录两者的位置；
(2.3)在中心附近处水平移动焦深延拓像散探头，分别测量半径为1mm以内的圆形路径上上表面及下表面六点及中心点处面形；
(2.4)基于最小二乘法拟合确定元件球心及半径，计算中心厚。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
所述上位机为一般桌面式或手提式个人计算机，使用Windows操作系统，提供至少一个USB2.0或3.0接口，当总的USB口少于3个时，需外接USB扩展口。
所述运动控制器包括开关电源、步进电机驱动器、嵌入式处理模块、可调电流模块。上述的开关电源提供24V与5V两路电源，其中24V电压用于步进电机驱动器，5V电压用于嵌入式处理模块及可调电流模块。
上述的步进电机驱动器为闭环两相控制，提供编码器输入接口，使用方向及脉冲方式进行驱动。
本发明进一步改进在于：所述嵌入式处理模块包括STM单片机及FPGA。STM单片机用于提供步进电机驱动器驱动信号、可调电流模块控制信号与输入三轴电动平移台限位及零位信号。FPGA用于读取三轴电动平移台线性编码器位置信号。STM单片机与FPGA之间通过将FPGA设置为单片机存储器方式进行通信。
本发明进一步改进在于：可调电流模块接收STM单片机信号，改变电控电阻值，进而改变输出电流值。
本发明进一步改进在于：所述三轴电动平移台由三个高精度单轴电动平移台拼接形成，使用带有编码器的步进电机进行驱动，行程根据所述待测元件尺寸确定，一般不小于50mm。
本发明进一步改进在于：所述三轴电动平移台XYZ轴均配置线性编码器，其中水平的XY轴使用光栅尺，分辨率为1微米，垂直的Z轴使用光电线性位移计，分辨率为0.1微米。
其中三轴电动平移台XYZ轴在近端及远端均需配置霍尔或机械式限位开关，防止撞机，零位开关非必须，为可选信号。
所述的焦深延拓像散探头包括半导体红光与蓝光激光器、合束镜、分束镜、柱面镜、CMOS面阵探测器、显微物镜，其中激光器产生照明光束，对于两种波长的光束，显微物镜将光束聚焦至所述待测元件表面，两个聚焦光点之间存在一定距离，柱面镜进一步将反射光束汇聚至CMOS面阵探测器上，分析光斑形状后可得表面位置。
其中本发明进一步改进在于：上述半导体红光与蓝光激光器功率小于50mW，两者通过合束镜汇合光束，在光路上相聚约2mm，确保两种波长光束被显微物镜聚焦后的光点位置不同。
本发明进一步改进在于：上述合束镜及分束镜均为半透半反棱镜，前者将红光与蓝光光束汇合，后者将汇合后光束反射至显微物镜，并将聚焦光点在待测元件表面的反射光投射至柱面镜。
本发明进一步改进在于：显微物镜具有长工作距离及大数值孔径。工作距离一般不小于10mm，数值孔径一般不小于0.4。
其中所述柱面镜用于在光路中引入像散，使得光斑在传播过程中不断发生变化；CMOS面阵探测器用于探测光斑形状，通过USB接口与所述上位机连接。
上述焦深延拓像散镜头共有两个，安装在三轴电动平移台上，分别用于测量待测元件的上表面及下表面。
所述夹持机构具有两种结构。当测量曲率半径时使用圆形测环，在测环上安装三个高精度钨钢球用于定位待测元件。当测量中心厚及表面轮廓时使用自定心透镜架。
所述待测元件为光学透镜。当测量曲率半径时，透镜表面需为球面；测量中心厚时需为轴对称表面；测量轮廓时表面倾角需小于15°。
所述上位机上自行编写系统控制程序，包括用于计算表面位置的图像处理模块、用于与所述运动控制器进行通信的通信模块、用于人机界面的界面模块、用于面形参数计算的数据处理模块、及用于保存数据及配置参数的文件模块。
本发明测量面形的步骤与测量中心厚类似，不同之处在于面形测量时扫描位置更多，可根据用户输入自动扫描，提高效率。
本发明的有益效果是：通过使用双波长光束照明增加像散探头的测量范围，具有曲率半径、中心厚及面形测量三种测量模式，可获得光学元件的完整几何参数。相比传统测量设备，本发明为非接触测量，不会损伤表面，且结合了三种测量模式，具有超高性价比，有望在光学加工企业广泛应用。
附图说明
图1是本申请实施例的一种基于焦深延拓像散探头的透镜参数测量装置的结构示意图。
图2是本申请实施例的运动控制器2的组成示意图。
图3是本申请实施例的焦深延拓像散探头4的结构示意图。
图4是本申请实施例中夹持机构为圆形测环的结构示意图。
其中1-上位机、2-运动控制器、3-三轴电动平移台、4-焦深延拓像散探头、5-夹持机构、6-待测元件、21-开关电源、22-步进电机驱动器、23-嵌入式处理模块、24-可调电流模块、41-半导体红光激光器、42-半导体蓝光激光器、43-合束镜、44-分束镜、45-柱面镜、46-CMOS面阵探测器、47-显微物镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
请参阅图1-4，本申请实施方式提供一种基于焦深延拓像散探头的透镜参数测量方法，通过焦深延拓像散探头的透镜参数的测量装置对透镜进行测量，所述装置包括上位机1、运动控制器2、三轴电动平移台3、焦深延拓像散探头4、夹持机构5、待测元件6、开关电源21、步进电机驱动器22、嵌入式处理模块23、可调电流模块24、半导体红光激光器41、半导体蓝光激光器42、合束镜43、分束镜44、柱面镜45、CMOS面阵探测器46、显微物镜47。其中，所述焦深延拓像散探头4将光束聚焦至待测元件6表面，探头测量的反射光斑形状与表面及探头之间位置相关，通过分析光斑形状定位表面位置；所述三轴电动平移台3带动探头在xyz三个方向进行扫描获得表面面形信息，并实现元件几何参数的测量。
实施例中所述上位机1为一般桌面式或手提式个人计算机，使用Windows操作系统，提供至少一个USB2.0或3.0接口，当总的USB口少于3个时，需外接USB扩展口。
实施例中所述运动控制器2包括开关电源21、步进电机驱动器22、嵌入式处理模块23、可调电流模块24。
实施例中所述开关电源21提供24V与5V两路电源，其中24V电压用于所述步进电机驱动器22，5V电压用于所述嵌入式处理模块23及所述可调电流模块24。
实施例中所述步进电机驱动器22为闭环两相控制，提供编码器输入接口，使用方向及脉冲方式进行驱动。
实施例中所述嵌入式处理模块23包括STM单片机及FPGA。STM单片机用于提供步进电机驱动器驱动信号、可调电流模块控制信号与输入三轴电动平移台限位及零位信号。FPGA用于读取三轴电动平移台线性编码器位置信号。STM单片机与FPGA之间通过将FPGA设置为单片机存储器方式进行通信。
实施例中所述可调电流模块24接收STM单片机信号，改变电控电阻值，进而改变输出电流值。
实施例中所述三轴电动平移台3由三个高精度单轴电动平移台拼接形成，使用带有编码器的步进电机进行驱动，行程根据所述待测元件尺寸确定，一般不小于50mm。
实施例中所述三轴电动平移台3的XYZ轴均配置线性编码器，其中水平的XY轴使用光栅尺，分辨率为1微米，垂直的Z轴使用光电线性位移计，分辨率为0.1微米。
实施例中所述三轴电动平移台3的XYZ轴在近端及远端均需配置霍尔或机械式限位开关，防止撞机，零位开关非必须，为可选信号。
实施例中所述焦深延拓像散探头包括半导体红光与蓝光激光器41与42、合束镜43、分束镜44、柱面镜45、CMOS面阵探测器46、显微物镜47，其中所述激光器41与42产生照明光束，对于两种波长的光束，所述显微物镜47将光束聚焦至所述待测元件6表面，所述柱面镜45进一步将反射光束汇聚至所述CMOS面阵探测器46上，分析光斑形状后可得表面位置。
实施例中所述半导体红光与蓝光激光器41与42功率均小于50mW，两者通过所述合束镜43汇合光束，两个激光器在光路上相聚约2mm，确保两种波长光束被所述显微物镜47聚焦后的光点位置不同。
实施例中所述合束镜43及分束镜44均为半透半反棱镜，前者将红光与蓝光光束汇合，后者将汇合后光束反射至所述显微物镜47，并将聚焦光点在待测元件6表面的反射光投射至柱面镜45。
实施例中所述显微物镜47具有长工作距离及大数值孔径。工作距离一般不小于10mm，数值孔径一般不小于0.4。
实施例中所述柱面镜45用于在光路中引入像散，使得光斑形状在传播过程中不断发生变化。
实施例中所述CMOS面阵探测器46用于探测光斑形状，通过USB接口与所述上位机连接。
其中实施例中所述焦深延拓像散镜头4共有两个，安装在所述三轴电动平移台3上，分别用于测量待测元件6的上表面及下表面。
实施例中所述夹持机构5具有两种结构。当测量曲率半径时使用圆形测环，在测环上安装三个高精度钨钢球用于定位待测元件。当测量中心厚及表面轮廓时使用自定心透镜架。
实施例中所述待测元件为光学透镜6。当测量曲率半径时，透镜表面需为球面；测量中心厚时需为轴对称表面；测量轮廓时口径范围内表面与水平面倾角需小于15°。
实施例中所述上位机1上自行编写系统控制程序，包括用于计算表面位置的图像处理模块、用于与所述运动控制器进行通信的通信模块、用于人机界面的界面模块、用于面形参数计算的数据处理模块、及用于保存数据及配置参数的文件模块。
一种基于焦深延拓像散探头的透镜参数测量装置，共有三种曲率半径、中心厚及面形三种测量模式。
本发明测量曲率半径的步骤为：
(1.1)根据待测元件有效口径选择适合半径小于口径的最大圆形测环；
(1.2)根据预先标定位置，将像散探头自动移动至测环中心附近；
(1.3)向上移动像散探头，观察显示器光斑情况，使得透镜表面位于像散探头的测量范围之内；
(1.4)在中心附近处水平移动探头，一般只需测量半径为1mm以内的圆形路径上三点，确定元件顶点位置；
(1.5)结合线性编码器及像散探头测量结果，保存待测元件表面位置；
(1.6)取下待测元件，在测环上放置平晶；
(1.7)移动像散探头，确保平晶下表面位于像散探头测量范围内；
(1.8)根据式(1)计算元件曲率半径值。
R＝r2/2h+h/2±ρ (1)
式中R为所需曲率半径，r为测环半径，h为待测元件与平晶表面相差位置的矢高信息，ρ为测环安装的钢球半径，凹面时为加号，凸面时为减号。
本发明测量中心厚的步骤为：
(2.1)使用自定心透镜架作为夹持机构，将待测元件安装在透镜架上，目测保持待测元件近似水平放置；
(2.2)分别将待测元件下表面及上表面移动至下探头及上探头的测量范围内，记录两者的位置；
(2.3)在中心附近处水平移动探头，分别测量半径为1mm以内的圆形路径上上表面及下表面六点及中心点处面形；
(2.4)基于最小二乘法拟合确定元件球心及半径，计算中心厚；
本发明测量面形的步骤与测量中心厚类似，不同之处在于面形测量时扫描位置更多，可根据用户输入自动扫描，提高效率。
以上对本发明创造的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明创造的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明创造的实施范围。凡依本发明创造范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。
Claims (6)
1.一种基于焦深延拓像散探头的透镜参数测量方法，其特征在于：通过焦深延拓像散探头的透镜参数的测量装置对透镜进行测量，其中测量步骤包括以下：
测量透镜曲率半径的步骤为：
（1.1）根据待测元件有效口径选择适合半径小于口径的最大圆形测环；
（1.2）根据预先标定位置，将焦深延拓像散探头（4）自动移动至测环中心附近；
（1.3）向上移动焦深延拓像散探头（4），观察显示器光斑情况，使得透镜表面位于焦深延拓像散探头（4）的测量范围之内；
（1.4）在中心附近处水平移动焦深延拓像散探头（4），只需测量半径为1mm以内的圆形路径上三点，确定元件顶点位置；
（1.5）结合线性编码器及焦深延拓像散探头（4）测量结果，保存待测元件表面位置；
（1.6）取下待测元件，在测环上放置平晶；
（1.7）移动像散探头，确保平晶下表面位于像散探头测量范围内；
（1.8）根据式(1)计算元件曲率半径值；
R = r2/2h + h/2 ± r (1)
式中R为所需曲率半径，r为测环半径，h为待测元件与平晶表面相差位置的矢高信息，r为测环安装的钢球半径，凹面时为加号，凸面时为减号；
测量中心厚的步骤为：
（2.1）使用自定心透镜架作为夹持机构，将待测元件安装在自定心透镜架上，目测保持待测元件近似水平放置；
（2.2）分别将待测元件下表面及上表面移动至上、下焦深延拓像散探头（4）的测量范围内，记录两者的位置；
（2.3）在中心附近处水平移动焦深延拓像散探头（4），分别测量半径为1mm以内的圆形路径上表面及下表面六点及中心点处面形；
（2.4）基于最小二乘法拟合确定元件球心及半径，计算中心厚；
所述焦深延拓像散探头的透镜参数的测量装置包括上位机（1）、运动控制器（2）、三轴电动平移台（3）、焦深延拓像散探头（4）、夹持机构（5）和待测元件（6）；其中所述三轴电动平移台（3）的上、下端均设有焦深延拓像散探头（4）；所述焦深延拓像散探头（4）将光束聚焦至待测元件（6）表面，探头测量的反射光斑形状与表面及探头之间位置相关，通过分析光斑形状定位表面位置；所述三轴电动平移台（3）带动探头在XYZ三个方向进行扫描获得表面面形信息，并实现元件几何参数的测量；其中所述焦深延拓像散探头（4）内设有半导体红光激光器（41）、半导体蓝光激光器（42）、合束镜（43）、分束镜（44）、柱面镜（45）、CMOS面阵探测器（46）和显微物镜（47）；其中半导体红光激光器（41）和半导体蓝光激光器（42）产生照明光束，对于两种波长的光束，所述显微物镜（47）将光束聚焦至所述待测元件（6）的表面，所述柱面镜（45）进一步将反射光束汇聚至所述CMOS面阵探测器（46）上，分析光斑形状后可得表面位置；所述合束镜（43）及分束镜（44）均为半透半反棱镜；CMOS面阵探测器（46）通过USB接口与所述上位机（1）连接；所述运动控制器（2）包括开关电源（21）、步进电机驱动器（22）、嵌入式处理模块（23）和可调电流模块（24）；其中所述嵌入式处理模块（23）包括STM单片机及FPGA；STM单片机用于提供步进电机驱动器驱动信号、可调电流模块控制信号与输入三轴电动平移台限位及零位信号；FPGA用于读取三轴电动平移台线性编码器位置信号；STM单片机与FPGA之间通过将FPGA设置为单片机存储器方式进行通信；其中所述可调电流模块（24）接收STM单片机信号，改变电控电阻值，进而改变输出电流值。
2.根据权利要求1所述的一种基于焦深延拓像散探头的透镜参数测量方法，其特征在于：所述显微物镜（47）的工作距离不小于10mm，数值孔径不小于0.4。
3.根据权利要求1所述的一种基于焦深延拓像散探头的透镜参数测量方法，其特征在于：当测量光学元件的曲率半径时，所述夹持机构采用圆形测环设计，在圆形测环上安装三个高精度钨钢球用于定位待测元件；当测量元件中心厚及表面轮廓时，所述夹持机构采用自定心透镜架。
4.根据权利要求1所述的一种基于焦深延拓像散探头的透镜参数测量方法，其特征在于：所述上位机（1）采用桌面式或手提式个人计算机，使用Windows操作系统，提供至少一个USB2.0或3.0接口。
5.根据权利要求1所述的一种基于焦深延拓像散探头的透镜参数测量方法，其特征在于：所述开关电源（21）提供24V与5V两路电源，其中24V电压用于步进电机驱动器（22），5V电压用于嵌入式处理模块（23）及可调电流模块（24）；所述步进电机驱动器（22）为闭环两相控制，提供编码器输入接口，使用方向及脉冲方式进行驱动。
6.根据权利要求1所述的一种基于焦深延拓像散探头的透镜参数测量方法，其特征在于：所述三轴电动平移台（3）由三个高精度单轴电动平移台拼接形成，使用带有编码器的步进电机进行驱动，行程根据所述待测元件尺寸确定，不小于50mm；三轴电动平移台（3）的XYZ轴均配置线性编码器，其中水平的XY轴使用光栅尺，分辨率为1微米，垂直的Z轴使用光电线性位移计，分辨率为0.1微米；三轴电动平移台（3）的XYZ轴在近端及远端均需配置霍尔或机械式限位开关，防止撞机。
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