CN114234887A - 自由曲面镜片曲率测量装置及其应用 - Google Patents

自由曲面镜片曲率测量装置及其应用 Download PDF

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CN114234887A CN202111364469.XA CN202111364469A CN114234887A CN 114234887 A CN114234887 A CN 114234887A CN 202111364469 A CN202111364469 A CN 202111364469A CN 114234887 A CN114234887 A CN 114234887A
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01B21/00—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/20—Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring contours or curvatures, e.g. determining profile

Abstract

本发明公开了一种自由曲面镜片曲率测量装置，用于夹装待测自由面镜片或其毛坯料的夹具安装于由包括四个维度方向的移动平台上，移动平台作X向、Y向、Z向和O向动作，以确定夹具的位置，使待测自由面镜片或其毛坯料到达所需测量位置，可以有效快速的测量关键曲面的曲率，进而可以对设备和工艺水平进行评估，方便及时进行干预。本测量方法巧妙的利用了加工中镜片特性，保持测量设备和生产设备相同的基准线，通过简易的设备可以高精度的实现测量，而又避免了现存市面上昂贵设备为了解决设备的基准和稳定性而大量投入的问题。

Description

自由曲面镜片曲率测量装置及其应用
技术领域
本发明属于测量领域，具体是涉及一种用于测量自由曲面镜片曲率的装置。
背景技术
镜片的制造依赖玻璃模具形成光学面弯，相应的光学设计全部体现在玻璃模具。非球曲面和多焦点渐进镜片从校正像差，增加屈光不正患者视野方面，给消费者提供了更高质量的产品和视觉体验，但是，相应的玻璃模具的设计和加工乃至镜片毛坯和成品的测量的难度都非常高。
随着自由曲面(Freeform)加工技术的到来，自由曲面因其任意的多个表面形状实现了多种功能，可以简化光学系统结构，减少光学元件数目，适合于高度近视、远视、散光和渐进的镜片消费品的定制化，以及应用于高端光学成像系统中。Freeform配合现代光学计算软件，可以精确的计算出镜片表面曲率分布，找出最合适的表面曲率分布。然而，在使用Freeform加工过程中，镜片曲面的面弯或曲率在实际生产中因为各种原因容易出现一些偏差，导致度数不良而报废，也是很多定制化生产过程中所面临的比较头痛的问题。要解决加工工艺的精度问题，首先需要能够检验模具成型镜片的各种参数是否合格，特别是即将成型镜片(毛坯镜片)的面弯或曲率的准确测量，才能抽丝剥茧地在镜片成品之前进行防患性地筛查工艺制造过程中的缺陷，及时中断后续加工流程，以避免大量废品产生而造成的重大损失。
现在市面上的镜片测量设备，一般分为两种测量类型：接触式(机械式)和激光点阵。接触式如Isara400、MarSurf LD260、CALIGO、UA3P 3DProfilometer和Taylor HobsonPGI等。如中国专利文献CN113124774A公开了一种三维面形扫描系统，以激光传感器测量的相对距离为Z轴、以激光传感器光斑水平运动距离为X轴和以中控旋转组件的旋转角度为Y轴，进行曲面镜局部面形误差测量，这种接触式测量设备精度低，仅能适应于规则曲面的测量。激学点阵式如Dural LensMap和MarForm MFU200。如中国专利文献CN111240010A公开了一种自由曲面测量系统，通过激光束双级补偿镜，再配合图像算法得出测量结构，系统设备复杂且昂贵，动辄数十万甚至数百万，并且个别提供的数据为点阵云或者屈光度信息，并不能为Freeform加工过程缺陷提供直观的参考，而且，激光点阵系统设备只能应用于成品镜片的测量(毛坯镜片没有反射面)，若成品镜片不合格，则批量产品全部报废。
现有的曲面测量技术，着重在成品后的测量，对于使用面没办法精准的定位及测量，且测量出来的数据没有办法参考来改善在线工艺。原有测量仪均是激光、电子式的仪器，只能应用于成品的光滑待测表面，而针对成品前的毛坏料，由于毛坏料的待测表面属于粗糙面，显然，传统的激光、电子式仪器压根没有用武之地，因此，针对生产过程中的质量把控一直存在未攻克难题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种快速测量、精准度高、低成本、实时检验模具参数的自由曲面镜片曲率测量装置。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种自由曲面镜片曲率测量装置，包括用于夹装待测自由面镜片或其毛坯料的夹具，所述夹具安装于由包括四个维度方向的移动平台上，移动平台作X向、Y向、Z向和O向动作，以确定夹具的位置，使待测自由面镜片或其毛坯料到达所需测量位置。
进一步地，所述移动平台包括X向移动平台、Y向移动平台、Z向升降平台和O向旋转平台。
本发明采用的另一技术方案为：一种自由曲面镜片曲率测量装置的应用，测量镜片曲率步骤如下：先将整个测量装置放置于探头的下方，同时，将待测自由曲面镜片或毛坯料夹装于夹具；之后，调整O向旋转平台的转动角度，使镜片的子午线与XY向重叠，同时，分别调整X向移动平台和Y向移动平台的水平面位移量，使待测自由曲面镜片中心处于探头中心线位置；之后，调整O向旋转平台的垂直面(Z向)位移量，使待测自由曲面镜片接触探头；之后，开始测量，分别调整X向移动平台或Y向移动平台的水平位移量，在一条子午线上取5～8个取样点，再在另外一子午线上取5～8个取样点，记录两组取样点的三维(x,y,z)坐标值，最后根据球面半径计算公式计算得出曲率值。
实施本发明技术方案，设计四维移动平台，可以有效快速的测量关键曲面的曲率，进而可以对设备和工艺水平进行评估，方便及时进行干预。本测量方法巧妙的利用了加工中镜片特性，保持测量设备和生产设备相同的基准线，通过简易的设备可以高精度的实现测量，而又避免了现存市面上昂贵设备为了解决设备的基准和稳定性而大量投入的问题。
由于测量基准与加工基准一致，因此，通过测量基准能够检验加工基准，因为直接测量的是加工中的测量结果面，所以能够精准反映日常焦度计的测量结果，如若加工中有偏差，就可以很容易就生产工序实时进行跟踪，方便查找问题的来源。
本发明基于自由曲面在线生产技术，直接寻找自由曲面作用面，对其进行精准的测量，可以为在线生产提供整改的依据，有效提高工艺和设备维护保养水平。
附图说明
图1为自由曲面镜片曲率测量装置的结构示意图。
图2为X向移动平台和Y向移动平台的装配图。
图3是Z向升降平台和O向旋转平台的装配图。
图4是待测自由曲面镜片夹持状态图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，自由曲面镜片曲率测量装置由X向移动平台1、Y向移动平台2、Z向升降平台3、O向旋转平台4和夹具5组成。
如图2所示，X向移动平台1处于最底部，X向移动平台负责基于其之上的Y向移动平台、Z向升降平台、O向旋转平台和夹具的X向移动。X向移动平台1由底板1.1、X向推动模组1.2和X向移动板1.3构成，X向推动模组1.2安装于底板1.1与X向移动板1.3之间，X向推动模组驱动X向移动板产生直线运动。X向移动平台1之上安装Y向移动平台2，Y向移动平台负责基于其之上的Z向升降平台、O向旋转平台和夹具的Y向移动。Y向移动平台2由Y向推动模组2.2和Y向移动板2.1构成，Y向推动模组2.2安装于X向移动板1.1与Y向移动板2.1之间，Y向推动模组驱动Y向移动板产生直线运动。
如图3所示，Y向移动平台2之上安装Z向升降平台3，Z向升降平台负责基于其之上的O向旋转平台和夹具的Z向升降。Z向升降平台3由Z向升降座3.1和Z向推动模组3.2构成，Z向推动模组3.2安装于Y向移动板2.1与Z向升降座3.1之间，Z向推动模组驱动Z向升降座产生升降运动。Z向升降平台3之上安装O向旋转平台4，O向旋转平台负责基于基之上的夹具的O向旋转。O向旋转平台4由转盘4.1和O向推动模组4.2构成，O向推动模组4.2安装于Z向升降座3.1与转盘4.1之间，O向推动模组驱动转盘产生转动。O向旋转平台4的转盘4.1安装夹具5，夹具5用于夹装待测的自由曲面镜片6。
自由曲面镜片曲率测量装置使用时，先将整个测量装置放置于探头7的下方，同时，将待测自由曲面镜片6(或毛坯料)夹装于夹具5(见图4)；之后，调整O向旋转平台的转动角度，使镜片的子午线与XY向重叠，同时，分别调整X向移动平台和Y向移动平台的水平面位移量，使待测自由曲面镜片中心(即a,b,c坐标值)处于探头中心线位置；之后，调整O向旋转平台的垂直面(Z向)位移量，使待测自由曲面镜片接触探头；之后，开始测量，分别调整X向移动平台或Y向移动平台的水平位移量，在一条子午线上取5～8个取样点，再在另外一子午线上取5～8个取样点，记录两组取样点的三维(x,y,z)坐标值，最后根据球面半径计算公式，人工或软件计算得出曲率值。
球面半径计算公式是：(x-a)2+(y-b)2+(z-c)2＝R2 式(1)
展开得：x2+y2+z2-2ax-2by-2cz+a2+b2+c2＝R2 式(2)
令D＝a2+b2+c2-R2 式(3)
且令A＝2a；B＝2b；C＝2c 式(4)
式(2)转化为x2+y2+z2-Ax-By-Cz+D＝0 式(5)
使用最小二乘法进行无偏估计：
Figure BDA0003360386180000041
使得E(x，y，z)最小，则A,B,C,D是球面的无偏估计值。
可以使用线性代数方法求得：
Figure BDA0003360386180000042
令：
Figure BDA0003360386180000043
Figure BDA0003360386180000044
则：
Figure BDA0003360386180000045
Figure BDA0003360386180000046
将求得的A,B,C,D代回，
Figure BDA0003360386180000051
镜片毛坯在加工过程中因需要受力夹持从而被车削，所以普遍需要增加金属底座8。金属底座通过低温合金(熔点60℃)层与加贴保护膜的镜片毛坯连接，整体作为被装夹工件，底座及合金层底面做为加工水平基准，配合机器夹具上的销钉，初始装夹位置形成镜片轴位的基准。测量时取底座加工水平基准，保持镜片加工两个子午面法向面为镜片聚焦的有效作用面，对子午面测量时保持同加工时同一基准法向面，因此合并加工和测量基准，减少测量过程中误差因素。通过对于探头的误差理论分析，有效提高了测量的精准度，通过实验证明，测量的重复性和再现性均比较高，测量仪器的误差比较小。
传统使用激光、电子式仪器，虽然似乎显得具有高科技、高精密的优点，但仍然存在不能针对毛坯料进行测量的空白，因此，本发明专利涉及的技术路线则是回归机械式测量，不仅可以应用于成品测量，特别是也可以应用于毛坯料测量，这是对行业的一大贡献，这正是本专利申请的意义所在。
本发明的夹具，可以根据待测产品的结构进行定制，只能将待测产品固定即可，这不是本专利重点关注的。况且，夹具是所属技术人员能够实现的。这里不再详述。本发明的X、Y、Z和O向动作平台能够直接采购(组装)，比如采用润佳LD系列或汇科RS系列产品。
以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种自由曲面镜片曲率测量装置，包括用于夹装待测自由面镜片或其毛坯料的夹具，其特征在于：所述夹具安装于由包括四个维度方向的移动平台上，移动平台作X向、Y向、Z向和O向动作，以确定夹具的位置，使待测自由面镜片或其毛坯料到达所需测量位置。
2.根据权利要求1所述的自由曲面镜片曲率测量装置，其特征在于：所述移动平台包括X向移动平台、Y向移动平台、Z向升降平台和O向旋转平台。
3.一种自由曲面镜片曲率测量装置的应用，其特征在于测量镜片曲率步骤如下：先将整个测量装置放置于探头的下方，同时，将待测自由曲面镜片或毛坯料夹装于夹具；之后，调整O向旋转平台的转动角度，使镜片的子午线与XY向重叠，同时，分别调整X向移动平台和Y向移动平台的水平面位移量，使待测自由曲面镜片中心处于探头中心线位置；之后，调整O向旋转平台的垂直面(Z向)位移量，使待测自由曲面镜片接触探头；之后，开始测量，分别调整X向移动平台或Y向移动平台的水平位移量，在一条子午线上取5～8个取样点，再在另外一子午线上取5～8个取样点，记录两组取样点的三维(x,y,z)坐标值，最后根据球面半径计算公式计算得出曲率值。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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