CN114485499A - 一种球面透镜曲率半径和球心位置的自动测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球面透镜曲率半径和球心位置的自动测量装置及方法，所述的自动测量装置包括样品台、直线导轨、一台精密测距仪、用于数据采集、分析和硬件控制的计算机；所述的样品台上设有夹持机构，用于将待测的球面透镜水平固定在样品台上；所述直线导轨设置在样品台的正上方，所述的精密测距仪的测距方向朝下，正对样品台；所述直线导轨的X、Y轴与样品台的表面平行，直线导轨的Z轴与样品台的表面垂直。测量时，精密测距仪通过直线导轨移动分别采集球面透镜上四个采样点的相对距离；计算机通过相对距离自动计算出球面坐标方程，并输出球心位置和曲率半径。本发明操作步骤简单，实现球面透镜球心和曲率半径的非接触式、快速测量。

Description

一种球面透镜曲率半径和球心位置的自动测量装置及方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，尤其是涉及一种球面透镜曲率半径和球心位置的自动测量装置及方法。

背景技术

在进行球面透镜的表面质量检测时，由于球面透镜的被检表面为球面，而显微成像系统的成像面为尺寸较小的平面，因此在球面不同位置进行扫描成像时，球面在成像面上有着不同的投影比例。只有首先获得被检球面曲率中心位置(即球心)和曲率半径，才能建立被检球面和焦平面的映射关系，最终实现球面透镜表面质量的高精度检测。因此在进行球面透镜检测时，中心和曲率半径测量是不可缺少的重要过程。

现有的球面透镜曲率半径测量方法有很多，如公开号为CN106908016A的中国专利文献公开了一种基于光场相机的凹面腔镜曲率半径测量方法，首先使用平行光沿光轴方向照射凹面腔镜，生成一束汇聚于一点的光线，然后利用光场相机对经过汇聚点以后发散的光线成像，通过光场相机原始图像计算得到该发散光束的波前，从而得到该束光线汇聚点的位置，最后可由几何尺寸关系得到凹面腔镜的曲率半径。

公开号为CN105737763A的中国专利文献公开了一种基于莫尔条纹的球面镜曲率半径测量方法，使用待测球面与参考平面干涉产生的干涉条纹与基于计算机仿真的已知曲率半径的球面与平面干涉产生的干涉条纹叠加，通过频域低通滤波，将携带两幅干涉图差频信息的莫尔条纹提出，携带差频信息的莫尔条纹可视为待测球面与计算机仿真的已知曲率半径的球面干涉产生的干涉图。通过莫尔条纹和计算机仿真球面的曲率半径将待测球面的曲率半径算出。

然而，现有技术中心，较少存在在同时可以测量球面中心和曲率半径的方法。同时，现有的测量装置一般都是将光学元件竖直固定，固定时要保证光学元件与水平面完全垂直，对固定机构和操作要求过高。因此，需要设计结构简单、测量高效的装置与方法，实现球面透镜的球心和曲率半径测量。

发明内容

本发明提供了一种球面透镜曲率半径和球心位置的自动测量装置及方法，可以实现球面透镜曲率半径和球心位置的非接触式、快速测量，测量准确率高。

一种球面透镜曲率半径和球心位置的自动测量装置，包括：样品台、直线导轨、安装在直线导轨上的一台精密测距仪、与精密测距仪连接的用于数据采样分析和控制直线导轨移动的计算机；

所述的样品台上设有夹持机构，用于将待测的球面透镜水平固定在样品台上；所述直线导轨设置在样品台的正上方，所述的精密测距仪的测距方向朝下，正对样品台；所述直线导轨的X、Y轴与样品台的表面平行，直线导轨的Z轴与样品台的表面垂直。

进一步地，将待测的球面透镜水平固定在样品台上时，球面透镜的光轴垂直于水平面。

进一步地，所述精密测距仪的工作距离为70±25mm，线性精度±3μm；所述直线导轨的定位精度±5μm。

本发明还提供了一种球面透镜曲率半径和球心位置的自动测量方法，使用上述自动测量装置，包括以下步骤：

(1)对精密测距仪的初始位置进行定标；采用水平放置姿态，将球面透镜固定在样品台上；移动直线导轨的X、Y两轴，使精密测距仪的四个采样位置对应的采样点全部位于球面透镜的表面；其中，所述直线导轨的X、Y轴与球面透镜的光轴互相垂直；

(2)移动直线导轨的Z轴，使精密测距仪位于工作距离之内，移动直线导轨的X、Y两轴，获得球面透镜上四个采样点距离精密测距仪的相对距离；其中，直线导轨的Z轴与球面透镜的光轴互相平行；

(3)计算机实时接收精密测距仪四个采样点的距离d₁、d₂、d₃、d₄，以及第一个采样点对应的直线导轨XY轴坐标(X₀,Y₀)，通过数据分析，计算出球心坐标(x_c,y_c,z_c)和曲率半径r；

(4)移动直线导轨的X、Y两轴至其他采样位置，重复步骤(3)并获得多组球心坐标和曲率半径解；对多组数据取平均值，完成球面透镜球心和曲率半径的测量。

步骤(1)中，精密测距仪安装在直线导轨上，精密测距仪的四个采样位置为一矩形，矩形的边长与X、Y轴互相平行或垂直；精密测距仪的测量方向始终与Z轴平行。

对精密测距仪的初始位置进行定标的过程如下：

(1-1)采用水平放置姿态，将定标用的球面透镜固定在样品台上；移动直线导轨的X、Y两轴，使精密测距仪第一采样位置对应的采样点位于球面透镜的表面；移动直线导轨的Z轴，使精密测距仪位于工作距离之内，获得球面透镜上采样点距离精密测距仪的相对距离；

(1-2)使用直线导轨承载精密测距仪，扫描球面透镜沿X、Y方向的两条截线，实时记录直线导轨的坐标位置，以及精密测距仪第一采样点的相对距离d₁；在X方向上，d₁取得最小值时，对应的直线导轨X轴坐标记为X₁；在Y方向上，d₁取得最小值时，对应的直线导轨Y轴坐标记为Y₁；(X₁,Y₁)为精密测距仪的第一采样点坐标信息；

(1-3)重复步骤(1-1)至步骤(1-2)所述方法，获得精密测距仪第二采样点位置的坐标信息(X₂,Y₂)、精密测距仪第三采样点位置的坐标信息(X₃,Y₃)、精密测距仪第四采样点位置的坐标信息(X₄,Y₄)；

(1-4)将直线导轨移动至坐标位置((X₁+X₂)/2,(Y₁+Y₃)/2)，此时精密测距仪四个采样位置的中心点与球面透镜的轴心线重合；

(1-5)将d₁、d₂、d₃、d₄置为0，完成精密测距仪四个采样位置的初始定标。

步骤(3)中，球心坐标(x_c,y_c,z_c)和曲率半径r的计算方式如下：

以直线导轨的XYZ轴为基准坐标轴，原点0位于直线导轨XYZ轴的机械起始点；精密测距仪第一采样位置对应的球面采样点记为M，位于右上方；精密测距仪第二采样位置对应的球面采样点记为N，位于右下方；精密测距仪第三采样位置对应的球面采样点记为P，位于左下方；精密测距仪第四采样位置对应的球面采样点记为Q，位于左上方；坐标分别记为(x_M,y_M,z_M)、(x_N,y_N,z_N)、(x_P,y_P,z_P)、(x_Q,y_Q,z_Q)；球心坐标记为(x_c,y_c,z_c)，曲率半径记为r；

根据初始位置定标结果和当前直线导轨坐标(X₀,Y₀)，获得：

而z_M＝d₁、z_N＝d₂、z_P＝d₃、z_Q＝d₄，通过下式:

联立并解出x_c,y_c,z_c与r。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明对于球面透镜，仅需要通过直线导轨控制精密测距仪进行三维移动，实时在球面采样获取多组采样数据，即可快速准确地测量球面透镜曲率半径和球心位置。整个测量装置简单，操作方便，具有很高的应用价值。

附图说明

图1为本发明一种球面透镜曲率半径和球心位置的自动测量装置的示意图；

图2为本发明实施例中精密测距仪初始位置定标示意图；

图3为本发明实施例中精密测距仪初始位移定标曲线图；

图4为本发明实施例中直线导轨坐标与球面透镜的球心坐标关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，一种球面透镜曲率半径和球心位置的自动测量装置，待测的球面透镜9采用水平放置姿态固定在样品台上，精密测距仪的四个采样位置分别为：第一采样位置1、第二采样位置2、第三采样位置3、第四采样位置4。直线导轨的X、Y轴与球面透镜9的光轴互相垂直，可承载精密测距仪进行二维平移；Z轴与球面透镜9的光轴互相平行，可承载精密测距仪纵向平移。原点O位于直线导轨XYZ三轴的机械起始点。其中，精密测距仪的第一采样位置1对应于采样点5，第二采样位置2对应于采样点6，第三采样位置3对应于采样点7，第四采样位置4对应于采样点8。

精密测距仪的四个采样位置设在平面XY内，采样位置的连线构成矩形，其中第一采样位置1和第二采样位置2的连线平行于Y轴，第二采样位置2和第三采样位置3的连线平行于X轴。通过对精密测距仪四个采样点位置定标，获得其精确位置坐标。精密测距仪的测量方向均与Z轴平行，同时提供球面透镜上四个采样点距离精密测距仪的相对距离。

计算机与精密测距仪连接，逐个接收四个采样点的相对距离，并进行数据分析处理，计算球面透镜9的球心位置和曲率半径。测量过程中，可通过直线导轨的移动更换采样位置，在多个采样位置进行测量，并将结果取平均，提高测量精度。

如图2，精密测距仪四个初始位置定标方法如下：

步骤1、采用水平放置姿态，将球面透镜9固定在样品台上；

步骤2、移动直线导轨的X、Y两轴，使第一采样位置1的采样点5位于球面透镜9的表面；

步骤3、移动直线导轨的Z轴，使精密测距仪位于工作距离之内，获得球面透镜9上采样点5距离第一采样位置1的相对距离；

步骤4、使用直线导轨承载精密测距仪，扫描球面透镜9沿X、Y方向的两条截线(虚线所示)，实时记录直线导轨的坐标位置，以及第一采样位置1采样的相对距离d₁。如图3中(a)所示，以X轴为横坐标、d₁为纵坐标绘制曲线，d₁取得最小值时，对应的直线导轨X轴坐标记为X₁。如图3中(b)所示，以Y轴为横坐标，d₁为纵坐标绘制曲线，d₁取得最小值时，对应的直线导轨Y轴坐标记为Y₁。(X₁,Y₁)为第一精密测距仪1的定标位置；

步骤5、重复步骤4所述方法，获得精密测距仪的第二采样位置2的坐标(X₂,Y₂)、第三采样位置3的坐标(X₃,Y₃)、第四采样位置4的坐标(X₄,Y₄)；

步骤6、将直线导轨移动至坐标位置((X₁+X₂)/2,(Y₁+Y₃)/2)，此时精密测距仪四个采集位置的中心点与球面透镜的轴心线重合；

步骤7、将精密测距仪四个采样位置的相对距离d₁、d₂、d₃、d₄置为0，完成精密测距仪四个初始位置定标。

球面透镜9的球心和曲率半径测量方法如下：

S01、采用水平放置姿态，将待测的球面透镜9固定在样品台上；

S02、移动直线导轨的X、Y两轴，使精密测距仪的四个采样点全部位于球面透镜9的表面；

S03、移动直线导轨的Z轴，使精密测距仪四个采样位置全部位于工作距离之内，获得球面透镜9上四个采样点距离精密测距仪的相对距离；

S04、如图4所示，计算机实时接收四个采样点的相对距离d₁、d₂、d₃、d₄，以及当前直线导轨的XY轴坐标10为(X₀,Y₀)，通过数据分析，计算出球心11的坐标(x_c,y_c,z_c)和曲率半径r；具体处理方法如下：

以直线导轨的XYZ轴为基准坐标轴，原点0位于直线导轨XYZ轴的机械起始点。第一采样位置1对应的球面采样点记为M，位于右上方；第二采样位置2对应的球面采样点记为N，位于右下方；第三采样位置3对应的球面采样点记为P，位于左下方；第四采样位置4对应的球面采样点记为Q，位移左上方；坐标分别记为(x_M,y_M,z_M)、(x_N,y_N,z_N)、(x_P,y_P,z_P)、(x_Q,y_Q,z_Q)。球心坐标记为(x_c,y_c,z_c)，曲率半径记为r。

根据初始位置定标结果和当前直线导轨坐标(X₀,Y₀)，获得：

而z_M＝d₁、z_N＝d₂、z_P＝d₃、z_Q＝d₄，可以通过下式:

联立并解出x_c,y_c,z_c与r。

S05、移动直线导轨的XY两轴至其他采样位置，重复步骤4并获得多组球心坐标(x_c,y_c,z_c)和曲率半径r解；多组数据取平均，完成球面透镜9的球心和曲率半径测量。

本事实例中，所使用球面透镜是一块直径为500mm、曲率半径2500mm的平凸透镜。相对于XYZ坐标原点，实际球心坐标为(436,452,2574)；所使用的精密测距仪工作距离70±25mm，线性精度±3μm；所使用直线导轨是大行程、高精度的直线导轨，其定位精度±5μm。精密测距仪放置在直线导轨上，距离样品约70mm，其四个采样位置的连线构成正方形，边长250mm。

首先使用本发明所述的精密测距仪定标方法，对精密测距仪四个初始位置进行定标，4个采样点的定标位置为(528.21，425.79)(529.57，172.47)(274.65，172.47)(273.94，427.43)。

使用本发明所述的球面透镜球心和曲率半径的测量装置和方法进行定中。在步骤S03中，获得球面透镜上四个采样点距离精密测距仪的相对距离为d₁＝65.658、d₂＝67.735、d₃＝82.483、d₄＝73.384。

使用步骤S04所述数据分析方法，根据精密测距仪的相对距离，以及初始定标结果，可解出球心坐标(420.54,457.04,2526.71)，半径2461.28。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种球面透镜曲率半径和球心位置的自动测量装置，其特征在于，包括：样品台、直线导轨、安装在直线导轨上的一台精密测距仪、与精密测距仪连接的用于数据采样分析和控制直线导轨移动的计算机；

所述的样品台上设有夹持机构，用于将待测的球面透镜水平固定在样品台上；所述直线导轨设置在样品台的正上方，所述的精密测距仪的测距方向朝下，正对样品台；所述直线导轨的X、Y轴与样品台的表面平行，直线导轨的Z轴与样品台的表面垂直。

2.根据权利要求1所述的球面透镜曲率半径和球心位置的自动测量装置，其特征在于，将待测的球面透镜水平固定在样品台上时，球面透镜的光轴垂直于水平面。

3.根据权利要求1所述的球面透镜曲率半径和球心位置的自动测量装置，其特征在于，所述精密测距仪的工作距离为70±25mm，线性精度±3μm。

4.根据权利要求1所述的球面透镜曲率半径和球心位置的自动测量装置，其特征在于，所述直线导轨的定位精度±5μm。

5.一种球面透镜曲率半径和球心位置的自动测量方法，其特征在于，使用权利要求1～4任一所述的自动测量装置，包括以下步骤：

(1)对精密测距仪的初始位置进行定标；采用水平放置姿态，将球面透镜固定在样品台上；移动直线导轨的X、Y两轴，使精密测距仪的四个采样位置对应的采样点全部位于球面透镜的表面；其中，所述直线导轨的X、Y轴与球面透镜的光轴互相垂直；

(2)移动直线导轨的Z轴，使精密测距仪位于工作距离之内，移动直线导轨的X、Y两轴，获得球面透镜上四个采样点距离精密测距仪的相对距离；其中，直线导轨的Z轴与球面透镜的光轴互相平行；

(3)计算机实时接收精密测距仪四个采样点的距离d₁、d₂、d₃、d₄，以及第一个采样点对应的直线导轨XY轴坐标(X₀,Y₀)，通过数据分析，计算出球心坐标(x_c,y_c,z_c)和曲率半径r；

(4)移动直线导轨的X、Y两轴至其他采样位置，重复步骤(3)并获得多组球心坐标和曲率半径解；对多组数据取平均值，完成球面透镜球心和曲率半径的测量。

6.根据权利要求5所述的球面透镜曲率半径和球心位置的自动测量方法，其特征在于，步骤(1)中，精密测距仪安装在直线导轨上，精密测距仪的四个采样位置为一矩形，矩形的边长与X、Y轴互相平行或垂直；精密测距仪的测量方向始终与Z轴平行。

7.根据权利要求5所述的球面透镜曲率半径和球心位置的自动测量方法，其特征在于，步骤(1)中，对精密测距仪的初始位置进行定标的过程如下：

(1-1)采用水平放置姿态，将定标用的球面透镜固定在样品台上；移动直线导轨的X、Y两轴，使精密测距仪第一采样位置对应的采样点位于球面透镜的表面；移动直线导轨的Z轴，使精密测距仪位于工作距离之内，获得球面透镜上采样点距离精密测距仪的相对距离；

(1-2)使用直线导轨承载精密测距仪，扫描球面透镜沿X、Y方向的两条截线，实时记录直线导轨的坐标位置，以及精密测距仪第一采样点的相对距离d₁；在X方向上，d₁取得最小值时，对应的直线导轨X轴坐标记为X₁；在Y方向上，d₁取得最小值时，对应的直线导轨Y轴坐标记为Y₁；(X₁,Y₁)为精密测距仪的第一采样点坐标信息；

(1-3)重复步骤(1-1)至步骤(1-2)所述方法，获得精密测距仪第二采样点位置的坐标信息(X₂,Y₂)、精密测距仪第三采样点位置的坐标信息(X₃,Y₃)、精密测距仪第四采样点位置的坐标信息(X₄,Y₄)；

(1-4)将直线导轨移动至坐标位置((X₁+X₂)/2,(Y₁+Y₃)/2)，此时精密测距仪四个采样位置的中心点与球面透镜的轴心线重合；

(1-5)将d₁、d₂、d₃、d₄置为0，完成精密测距仪四个采样位置的初始定标。

8.根据权利要求5所述的球面透镜曲率半径和球心位置的自动测量方法，其特征在于，步骤(3)中，球心坐标(x_c,y_c,z_c)和曲率半径r的计算方式如下：

以直线导轨的XYZ轴为基准坐标轴，原点0位于直线导轨XYZ轴的机械起始点；精密测距仪第一采样位置对应的球面采样点记为M，位于右上方；精密测距仪第二采样位置对应的球面采样点记为N，位于右下方；精密测距仪第三采样位置对应的球面采样点记为P，位于左下方；精密测距仪第四采样位置对应的球面采样点记为Q，位于左上方；坐标分别记为(x_M,y_M,z_M)、(x_N,y_N,z_N)、(x_P,y_P,z_P)、(x_Q,y_Q,z_Q)；球心坐标记为(x_c,y_c,z_c)，曲率半径记为r；

根据初始位置定标结果和当前直线导轨坐标(X₀,Y₀)，获得：

而z_M＝d₁、z_N＝d₂、z_P＝d₃、z_Q＝d₄，通过下式:

联立并解出x_c,y_c,z_c与r。

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