CN1945205A - 光学玻璃粗糙度实时检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于光学抛光机的光学玻璃粗糙度实时检测装置和方法，本发明是利用激光的表面散射原理，在光学玻璃被加工的同时，不离开工作台的情况下，通过调整激光光源发出的光束与玻璃待测表面的入射角大于或等于全反射角，将散射光同反射光自然分开，分别测量这两束光的强度，并且转化为电流强度，计算这两束光激发产生的电流强度之比，以精确的计算出待测表面的表面粗糙度。本发明是一种无损检测措施，它能够实现环抛机实时地进行无损监测，检测不伤害任何工件，保证具有较高检测精度。

Description

光学玻璃粗糙度实时检测装置和方法

技术领域

本发明涉及光学玻璃，涉及光学玻璃粗糙度实时检测装置和方法，特别是一种用于光学抛光机的光学玻璃粗糙度实时检测装置和方法。

背景技术

在专利《一种检测表面粗糙度的方法及装置》(专利公开号CN1081250)中，详细介绍了一种测量表面粗糙度的方法，该方法利用数字图像处理技术对一场或者连续几场的光切亮带图像进行边缘检测，得到一个取样长度内以像素为单位的边缘轮廓坐标点及粗糙度参数，根据定标进行单位转换，可得到一个取样长度内的表面粗糙度参数。使用这种方法的装置是在光切显微镜基础上通过增加图像传感器，图像采集装置，计算与控制装置等部件制作。

该发明有一个重大的缺陷就是不能进行实时检测，尤其对于不同加工环境，其可移植性比较差。由于必须放置在工作台上进行检测，可能对高精度的零件造成损害，如果工件能边加工边进行检测，即进行实时无损检测，那么就能提高工件的检测精度也能避免对工件的伤害。

在现有技术中，实时测量工件表面粗糙度大多采用有损检测，由于其在检测过程中对工件造成某种程度的伤害，所以这种检测手段对于高精度加工制造是不适合的。

发明内容

本发明目的旨在解决上述现有技术的不足，提供一种用于光学抛光机的光学玻璃粗糙度实时检测装置和方法，它是一种无损检测措施，它能够使实时检测过程中检测不伤害任何工件，保证较高检测精度。

本发明的技术解决原理是：利用激光的表面散射，在光学玻璃被加工的同时，不离开工作台的情况下，通过调整激光光源发出的光束与玻璃待测表面的入射角大于或等于全反射角，将散射光同反射光自然分开，分别测量这两束光的强度，并且转化为电流强度，计算这两束光激发产生的电流强度之比，以精确的计算出待测表面的表面粗糙度。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于光学抛光机的光学玻璃粗糙度的实时检测装置，包括一台抛光机上面放置的待加工的光学玻璃，其特征在于包括：

一个导轨横梁平行于地面固定在一支架上，该导轨横梁上通过相配的升降螺母垂直地设有一升降螺杆，该升降螺杆能沿该导轨横梁的导轨作水平移动和通过所述的升降螺母的调节其高度，第一光强探测器连接在所述的升降螺杆的下端，该第一个光强探测器之前设有一凸透镜，所述的第一个光强探测器的探测面位于该凸透镜的焦平面上；所述的凸透镜置于待测加工光学玻璃待测加工表面的正上方；

一个激光光源安装在第一光学调整架上；由该激光光源发出一激光光束通过待加工光学玻璃到达待加工光学玻璃加工的上表面的待测量点时，与上表面法线形成的角度大于或者等于该待加工光学玻璃的全反射角，在沿着全反射光线方向放置第二光强探测器；第二光强探测器放置在第二光学调整架上；

所述的第一光强探测器通过一A/D转换器连接一计算机；第二光强探测器通过另一A/D转换器连接所述的计算机，一个监视器同所述的计算机相连。

所述的第一光学调整架和第二光学调整架为四维光学调整架。

利用所述的光学玻璃粗糙度的实时检测装置测量光学玻璃粗糙度的方法，其特征在于包括下列步骤：

①测量前，首先确定待加工玻璃种类和待加工光学玻璃加工表面最差点的位置，即待测点的位置；

②通过第一光学调整架调节激光光源发射光束的角度，使该激光光源发出的激光束射向所述的待测点，并与待测表面法线所构成的角度≥全反射角，通过第二光学调整架调节第二光强探测器的角度，使其能够恰好接收全部反射光；

③调节升降螺杆在导轨横梁上的位置，使第一个光强探测器及所述的凸透镜置于待测加工光学玻璃加工表面待测点的正上方，调节升降螺母，保证散射光通过所述的凸透镜全部会聚到第一个光强探测器内；

④选择具有标准粗糙度的光学玻璃工件，在模拟加工环境的条件下进行实时测量，打开所述的激光光源、第一光强探测器、第二光强探测器和计算机，进行测量；建立粗糙度R_q与I₁/I₂的关系曲线，在计算机内建立相应的数据库；

⑤实际测量时，将第一光强探测器和第二光强探测器所获得的光强I₁和I₂通过A/D转换器输入计算机计算并与相应的粗糙度R_q进行比较，就可获得待测光学玻璃的表面粗糙度R_q，将粗糙度数值显示在监视器上。

本发明的工作原理可以简单表述为：

根据光学定律，一束光照射到物体表面，将被分为散射光和反射光，且有如下公式：

$\frac{I_1-I_2}{I_1+I_2}=f(M,R_q,\mathrm{\λ})$

式中：I₁表示反射光强，I₂表示散射光强，f(M，R_q，λ)表示一和粗糙度R_q、λ光源波长和材料M性质有关的函数。由上述事实可知，光源波长和材料性质是已知的，两束光的光强也可以测出，所以粗糙度R_q可以求出。为方便计算特将上式变形为：

$\frac{I_1}{I_2}=\frac{1-f(M,R_q,\mathrm{\λ})}{1+f(M,R_q,\mathrm{\λ})}$

上式可改写为：

$R_q=F(\frac{I_1}{I_2},M,\mathrm{\λ})$

其中函数映射关系F可通过实验定标得知，对应于不同材料和光源波长，粗糙度R_q的具体表达式虽然不同，但都可以通过实验定标求得粗糙度R_q与I₁/I₂的关系曲线，所以可以通过求取两束光光强之比得到精确的粗糙度值，其精度和光强探测器精度相关，因此只要选取高精度的光强探测器，该装置的精度是可以得到保证的。

对于表面粗糙度实时检测，无须重复上述的结果，只要将抛光机打开，使待加工玻璃绕Z转动，同时启动磨盘磨削工件上表面，其监测点的位置和磨削点的位置，通过计算机计算出两光强转化而来的电流值之比，将结果直接转化为粗糙度值表示在监视器上。

本发明的技术效果是：

1、可以在抛光机的抛光过程中，对玻璃工件进行无损检测，通过这种检测手段达到实时控制的目的；

2、在完成必要调整和手工微调后，本装置可以自动监测；

3、可以单独检测光学器件某一点的粗糙度，也可以通过连接信号处理装置，进行动态测量，这样可以完成整个光学器件粗糙度分布的检测；。

4、检测结果精度高；

5、本发明对抛光机实时检测和实时控制有重大意义。

附图说明

图1为本发明光学玻璃粗糙度的实时检测装置最佳实施例的结构示意图。

图2为本发明测量点的位置关系俯视图。

图3为本发明装置的部分光路图。

具体实施方式

以下结合附图和实时例对本发明作进一步说明。

先请参阅图1，图1为本发明光学玻璃粗糙度的实时检测装置最佳实施例的结构示意图。由图可见，本发明用于光学抛光机的光学玻璃粗糙度的实时检测装置，包括一台抛光机3上面放置的待加工的光学玻璃工件，其特征在于包括：

一个导轨横梁10平行于地面固定在一支架11上，该导轨横梁10上通过相配的升降螺母8垂直地设有一升降螺杆9，该升降螺杆9能沿该导轨横梁10的导轨作水平移动和通过所述的升降螺母8的调节其高度，第一光强探测器6连接在所述的升降螺杆9的下端，该第一个光强探测器6之前设有一凸透镜7，所述的第一个光强探测器6的探测面位于该凸透镜7的焦平面上；所述的凸透镜7置于待测加工光学玻璃待测加工表面的正上方；

一个激光光源2安装在第一光学调整架1上；由该激光光源2发出一激光光束通过待加工光学玻璃到达待加工光学玻璃加工的上表面的待测量点时，与上表面法线形成的角度大于或者等于该待加工光学玻璃的全反射角，在沿着全反射光线方向放置第二光强探测器4；第二光强探测器4放置在第二光学调整架5上；

所述的第一光强探测器6通过一A/D转换器连接一计算机13；第二光强探测器4通过另一A/D转换器连接所述的计算机13，一个监视器12同所述的计算机13相连。所述的第一光学调整架1和第二光学调整架5为四维光学调整架。

利用本发明光学玻璃粗糙度的实时检测装置用于光学抛光机的光学玻璃粗糙度的实时检测的方法，包括下列步骤：

①测量前，首先确定待加工玻璃种类和待加工光学玻璃加工表面最差点的位置，即待测点的位置；

②通过第一光学调整架1调节激光光源2发射光束的角度，使该激光光源2发出的激光束射向所述的待测点，并与待测表面法线所构成的角度≥全反射角，通过第二光学调整架5调节第二光强探测器4的角度，使其能够恰好接收全部反射光；

③调节升降螺杆9在导轨横梁10上的位置，使第一个光强探测器6及所述的凸透镜7置于待测加工光学玻璃加工表面待测点的正上方，调节升降螺母8，保证散射光通过所述的凸透镜7全部会聚到第一个光强探测器6内；

④选择具有标准粗糙度的光学玻璃工件，在模拟加工环境的条件下进行实时测量，打开所述的激光光源2、第一光强探测器6、第二光强探测器4和计算机13，进行测量；建立粗糙度R_q与I₁/I₂的关系曲线，在计算机13内建立相应的数据库；

⑤实际测量时，将第一光强探测器6和第二光强探测器4所获得的光强I₁和I₂通过A/D转换器输入计算机13计算并与相应的粗糙度R_q进行比较，就可获得待测光学玻璃的表面粗糙度R_q，将粗糙度数值显示在监视器12上。

一旦，在计算机13内建立了相应加工环境下的粗糙度R_q与I₁/I₂的关系曲线的数据库以后，再次实时测量时，就不必重复第④步。

所述的第一光学调整架(1)为四维光学调整架，调整其X，Y，Z方向的位置以及绕X轴的角度，在一般情况下，待加工玻璃与空气的全反射角度为55～75°之间，所以只要保证激光光源2射出光线同待加工玻璃上表面之间的入射角大于80°即可。形成的光路如图3所示。由于表面粗糙度分布同工件转速和工件旋转时间相关，所以必须知道抛光机3的转速。如果待加工玻璃比较薄，则继续调整第一光学调整架1，调整其Z方向高度，减少其Z方向高度同工件高度之差，随后调整激光光源2绕X轴的角度，直到能够将激光无障碍打入最差加工点，并且保证从最差加工点反射出来的光线可以从待加工玻璃侧面射出。继续调整第二光强探测器4，使其能够接收从待加工玻璃出来的反射光。

打开计算机13，第一光强探测器6和第二光强探测器4探测到的光强直接转化为电流强度，通过A/D转换器，输入计算机13，经过计算机13运算，将结果显示在监视器12上。

对于表面粗糙度实时检测，无须重复上述的结果，只要将抛光机3打开，使待加工玻璃绕Z转动，同时启动磨盘磨削工件上表面，其监测点的位置和磨削点的位置如图2。

Claims (3)

1、一种用于光学抛光机的光学玻璃粗糙度的实时检测装置，包括一台抛光机(3)上面放置的待加工的光学玻璃，其特征在于包括：

一个导轨横梁(10)平行于地面固定在一支架(11)上，该导轨横梁(10)上通过相配的升降螺母(8)垂直地设有一升降螺杆(9)，该升降螺杆(9)能沿该导轨横梁(10)的导轨作水平移动和通过所述的升降螺母(8)的调节其高度，第一光强探测器(6)连接在所述的升降螺杆(9)的下端，该第一个光强探测器(6)之前设有一凸透镜(7)，所述的第一个光强探测器(6)的探测面位于该凸透镜(7)的焦平面上；所述的凸透镜(7)置于待测加工光学玻璃待测加工表面的正上方；

一个激光光源(2)安装在第一光学调整架(1)上；由该激光光源(2)发出一激光光束通过待加工光学玻璃到达待加工光学玻璃加工的上表面的待测量点时，与上表面法线形成的角度大于或者等于该待加工光学玻璃的全反射角，在沿着全反射光线方向放置第二光强探测器(4)；第二光强探测器(4)放置在第二光学调整架(5)上；

所述的第一光强探测器(6)通过一A/D转换器连接一计算机(13)；第二光强探测器(4)通过另一A/D转换器连接所述的计算机(13)，一个监视器(12)同所述的计算机(13)相连。

2、根据权利要求1所述的光学玻璃粗糙度的实时检测装置，其特征在于所述的第一光学调整架(1)和第二光学调整架(5)为四维光学调整架。

3、利用权利要求1所述的光学玻璃粗糙度的实时检测装置用于光学抛光机的光学玻璃粗糙度的实时测量的方法，其特征在于包括下列步骤：

①测量前，首先确定待加工玻璃种类和待加工光学玻璃加工表面最差点的位置，即待测点的位置；

②通过第一光学调整架(1)调节激光光源(2)发射光束的角度，使该激光光源(2)发出的激光束射向所述的待测点，并与待测表面法线所构成的角度≥全反射角，通过第二光学调整架(5)调节第二光强探测器(4)的角度，使其能够恰好接收全部反射光；

③调节升降螺杆(9)在导轨横梁(10)上的位置，使第一个光强探测器(6)及所述的凸透镜(7)置于待测加工光学玻璃加工表面待测点的正上方，调节升降螺母(8)，保证散射光通过所述的凸透镜(7)全部会聚到第一个光强探测器(6)内；

④选择具有标准粗糙度的光学玻璃工件，在模拟加工环境的条件下进行实时测量，打开所述的激光光源(2)、第一光强探测器(6)、第二光强探测器(4)和计算机(13)，进行测量；建立粗糙度R_q与I₁/I₂的关系曲线，在计算机(13)内建立相应的数据库；

⑤实际测量时，将第一光强探测器(6)和第二光强探测器(4)所获得的光强I₁和I₂通过A/D转换器输入计算机(13)计算并与相应的粗糙度R_q进行比较，就可获得待测光学玻璃的表面粗糙度R_q，将粗糙度数值显示在监视器(12)上。

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