CN201844824U - 一种光学零件几何参数非接触测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种光学零件几何参数非接触测量装置。现有装置存在速度慢，测量动态范围小，成本昂贵，不适用于在线快速测量。本实用新型的测量装置，包括控制和计算单元、探测器、光源、光纤、光开关驱动和测量组件，所述测量组件是在同一光轴上依次设置的光栏、准直物镜、第一光开关和第一透镜，所述探测器和光源分别与光纤相接，光纤的出口设置于光栏的开口部位，控制和计算单元分别与探测器和光开关驱动相接，光开关驱动与第一光开关相接。本实用新型具有以下优点：成本低，稳定性好，适合快速在线测量，可以实现比光谱扫描类仪器大的测量动态范围，同时仪器结构简单，容易加工。

Description

一种光学零件几何参数非接触测量装置

技术领域：

本实用新型属于一种几何量的非接触光学测量领域，具体是一种光学零件几何参数非接触测量装置。

背景技术：

目前非接触式的光学零件几何参数(厚度、中心高、移动距离)的测量方法，主要有光度型(机械扫描型)和光谱型。EP0248552A1公开了一种由斜入射的激光器，测量平板透明材料的厚度，以及CN1132348A中改进其光偏转机构，此类设备仅仅用于平板零件的厚度的检测，不能检测检测平凹、平凸、凹凸等光学零件以及距离；JP5018716(A)公开了一种基于扫描物镜的零件几何厚度的测量方法，由于机械扫描的应用，速度慢，不适用于在线快速测量。Matthias和Jochen Schulza在Photonik(2004年第6期)发表“MittendikkevonLinsen berührungslos messen”中公布了一种利用光谱扫描获得光学零件的几何厚度的方法，利用光谱扫描技术找到零件上下表面对应的两个峰值波长，通过计算获得零件的几何厚度；CN101349545A(公开号)公开了一种装置，其基本原理同于Matthias和Jochen Schulza的文章，在装置的几何结构上改进后，适合测量具有柱面结构的零件厚度以及使用多台设备集成后能够提高空间分辨率；JP2007024689(A)公开一种基于光色散测量热玻璃的几何厚度，原理等同于Matthias和Jochen Schulza的文章。该类型装置由于原理是基于光色散，因此需要昂贵的光谱仪作为探测元件；并且可用的波长范围有限，以至于所设计光学镜头的离焦量有限，限制其测量范围，一般在几十毫米之下；并且要求谱仪分辨率很高，设备成本昂贵。此外还有大家公知的利用干涉进行非接触测量的，该类方法通过判读干涉图，获得被测零件的几何参数信息，该类方法极易受到环境因素的影响，比如振动等，且光路复杂。

实用新型内容：

本实用新型要提供一种光学零件几何参数非接触测量装置，其可对厚度、移动距离和中心高进行测量，以克服现有技术存在的速度慢，测量动态范围小，成本昂贵，不适用于在线快速测量的问题。

为了克服现有技术存在的问题，本实用新型提供的技术方案是：

一种光学零件几何参数非接触测量装置，包括控制和计算单元、探测器、光源、光纤、光开关驱动和测量组件，所述测量组件是在同一光轴上依次设置的光栏、准直物镜、第一光开关和第一透镜，所述探测器和光源分别与光纤相接，光纤的出口设置于光栏的开口部位，控制和计算单元分别与探测器和光开关驱动相接，光开关驱动与第一光开关相接。

上述第一透镜和第二透镜是锥透镜或螺纹透镜。

上述光源是激光光源或者LED光源。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点和有益效果：

1、摒弃了光谱扫描和机械物镜扫描的方法，利用光开关实现电扫描，比光谱扫描类仪器成本低，稳定性好；比机械扫描类仪器速度快，适合快速在线测量。

2、由于不存在所用光波波长的限制，可以实现比光谱扫描类仪器大的测量动态范围。

3、仪器结构简单，容易加工，适用于工厂现场环境。

附图说明：

图1本实用新型测量装置结构示意图；

图2是测量平板光学零件厚度的原理图；

图3是分别瞄准前、后表面时采集到的能量峰值图；

图4是透射环状光带的示意图；

图5是测量零件位移距离的原理图；

图6是测量光学零件(透镜)的中心厚度的原理图；

附图标记如下：

1-光源，2-光纤，3-光栏，4-准直物镜，5-第一光开关，6-光开关驱动，7-第一透镜，8-控制和计算单元，9-探测器，10-零件，11-透光带。

具体实施方式：

下面将结合附图对本实用新型进行详细地说明。

光学零件几何参数的非接触测量首先是对平行光进行电扫描光开关的调制，形成环带状平行光，经锥透镜(螺纹透镜)会聚实现不同距离的会聚点，利用会聚点瞄准并识别光学零件的表面，从而实现对光学零件几何厚度、移动距离以及光学透镜中心高的测量。

参见图1，本实用新型提供的一种光学零件几何参数非接触测量装置，其光路形式是共光路形式。包括控制和计算单元8、探测器9、光源1、光纤2、光开关驱动6和测量组件，所述测量组件是在同一光轴上依次设置的光栏3、准直物镜4、第一光开关5和第一透镜7，所述探测器9和光源1分别与光纤2相接，光纤2的出口设置于光栏3的开口部位，控制和计算单元8分别与探测器9和光开关驱动6相接，光开关驱动6与第一光开关5相接。所说的第一透镜7是锥透镜，所说的光源1是具有良好单色性的LED光源。

图1中改变锥棱镜的锥角θ和有效口径，便可方便设计出不同测量动态范围的设备，具体的例子比如光学系统的有效口径500毫米，锥棱镜的锥角设计为20度，材料折射率为1.52，则系统的测量动态范围可从0.01毫米-410毫米，配合选用的光开关的物理分辨率，可以从市场上购买到，测量灵敏度/分辨率可达到2微米以下，配合相应的精度提高算法，分辨率可以进一步提高，在这种情况下完全可以满足光学加工中透镜等光学零件10的几何厚度的要求。下表给出几种典型的设计结果：

在锥透镜的锥角为5度情况下，动态范围达到1.8米，完全可以满足大多数现场光学零件几何参数的测量要求。

参见图2和图3：

上述非接触测量装置在测量光学零件的厚度时，是通过控制和计算单元8控制光开关驱动6来驱动光开关形成直径依次缩小/增大的透过带，则经过光开关得平行光形成环带状平行光，那么通过透镜后的会聚点沿光轴方向依次向后/向前移动，当会聚点分别瞄准零件10的上、下表面时，光路对称原路返回，探测器9上两次出现能量峰值，两次出现峰值一一对应于不同的环状光带的半径，那么待测光学平板零件的几何厚度按照下式计算：

$d=\frac{(R_2-R_1)\·\cos \left(\arcsin \frac{n_c\sin \mathrm{\θ}}{n_0}\right)}{\tan \left(\arcsin \left(\frac{n_0\sin (\arcsin \left(\frac{n_c\sin \mathrm{\θ}}{n_0}\right)-\mathrm{\θ})}{n_2}\right)\right)\·\cos \mathrm{\θ}\cos (\arcsin \left(\frac{n_c\sin \mathrm{\θ}}{n_0}\right)-\mathrm{\θ})}$

其中，θ是锥透镜的锥角，n_c是锥透镜所用材料在光源1波长处的折射率，n₂是待测零件的在光源波长处的折射率，R₂和R₁分别对应于两次瞄准时的环状光带的半径。

测量原理是：光源1经过光纤2耦合并经准直系统成平行光，经过光开关的调制，变成所需的不同直径的光带，通过锥透镜会聚在光轴上一点，直径由小变大则会聚点一次远离锥透镜。其中某一个会聚点瞄准零件表面时，反射光经过锥透镜、光开关和准直物镜，最后到达探测器9。在测量零件10厚度过程中，通过控制和计算单元8控制光开关驱动6来驱动第一光开关5形成直径一次缩小/增大的光带，同时记录探测器9上的能量变化，有两个会聚点分别瞄准零件10的上、下表面，因此探测器9上两次出现能量峰值，两次出现峰值一一对应于不同的环状光带的径，那么待测光学平板零件的几何厚度。

参见图4，本图是通过光开关驱动6控制第一光开关5，出射的光带的示意图，正是通过该透光带11的半径的缩小和增大，来瞄准不同距离处的表面，实现距离、移动以及中心高的测量的。

参见图5：

上述测量装置在测量光学零件的移动距离时，是通过控制和计算单元8控制光开关驱动6来驱动光开关形成直径一次缩小/增大的透过带，则经过光开关得平行光形成环带状平行光，那么通过透镜后的会聚点沿光轴方向依次向后/向前移动，对零件的一个表面在移动前后瞄准两次，记录探测器9上的能量变化，获得峰值能量对应的光带半径，那么待测光学零件的移动距离是：

$d=\frac{(R_2-R_1)\·\cos \left(\arcsin \frac{n_c\sin \mathrm{\θ}}{n_0}\right)}{\sin [(\arcsin \left(\frac{n_c\sin \mathrm{\θ}}{n_0}\right)-\mathrm{\θ}]\·\cos \mathrm{\θ}}$

其中，θ是锥透镜的锥角，n_c是锥透镜所用材料在光源波长处的折射率，R₂和R₁分别对应于两次瞄准时的环状光带的半径。

参见图6：

上述测量装置在测量光学零件的中心高时，是通过控制和计算单元8控制光开关驱动6来驱动光开关形成直径一次缩小/增大的透过带，则经过光开关得平行光形成环带状平行光，那么通过透镜后的会聚点沿光轴方向依次向后/向前移动。在某一光带半径时，经过锥透镜聚焦后，会聚点瞄准前表面，光路对称返回，并且探测器9上出现能量峰值，记下该时刻的光带的半径R₁，光带半径继续增大，会聚点远离光学系统，当光带通过前表面，刚好会聚于后表面时，光路对称返回，则再次出现能量峰值，记下该时刻的光带的半径R₂，在其它的光带半径处，光路都不能对称返回，因此探测器9探测到能量很小，即我们找到了待测光学透镜的前后表面，待测光学零件的中心高是：

其中： ${\mathrm{\θ}}_4=\arcsin \left(\frac{n_c\sin \mathrm{\θ}}{n_0}\right)-\mathrm{\θ};$

$\mathrm{\ΔD}=\frac{(R_2-R_1)\cos \left(\arcsin \left(\frac{n_c\sin \mathrm{\θ}}{n_0}\right)\right)}{\cos \mathrm{\θ}{\sin \mathrm{\θ}}_4},;$

$y=\frac{-2(\±\mathrm{\ΔD}{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_4-R)-\sqrt{{(\±\mathrm{\ΔD}{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_4-R)}^2-4({\tan }^2\mathrm{\θ}+1){\mathrm{\ΔD}}^2\·{\tan }^2{\mathrm{\θ}}_4}}{2({\tan }^2{\mathrm{\θ}}_4+1)};$

$\mathrm{\α}=\±[\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{arc}\arctan \left(\frac{R-y}{(\mathrm{\ΔD}\±y)\tan {\mathrm{\θ}}_4}\right)]+{\mathrm{\θ}}_4;$

$\mathrm{\γ}=-[\±(\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{arc}\arctan \left(\frac{R-y}{(\mathrm{\ΔD}+y)\tan {\mathrm{\θ}}_4}\right)]+\arcsin \left(\frac{n_0\sin \mathrm{\α}}{n_2}\right);$

对于测量上表面是凹面的透镜，公式中的正负号取正，若上表面是凸面，则取负。其中，ΔD、y、

θ₄都是R₂、R₁、θ、n_c和n₀的函数(θ是锥透镜的锥角，n_c和n₀分别是锥透镜所用材料和空气在光源波长处的折射率，n₂是待测零件的再光源波长处的折射率，R₂和R₁分别对应于两次瞄准时的环状光带的半径)，显然通过以上公式可以计算出透镜中心高。

上述实例，类似于测量平板零件10的厚度，区别在于厚度反演中需要用到上表面的曲率半径。

Claims (3)

1.一种光学零件几何参数非接触测量装置，其特征在于：包括控制和计算单元(8)、探测器(9)、光源(1)、光纤(2)、光开关驱动(6)和测量组件，所述测量组件是在同一光轴上依次设置的光栏(3)、准直物镜(4)、第一光开关(5)和第一透镜(7)，所述探测器(9)和光源(1)分别与光纤(2)相接，光纤(2)的出口设置于光栏(3)的开口部位，控制和计算单元(8)分别与探测器(9)和光开关驱动(6)相接，光开关驱动(6)与第一光开关(5)相接。

2.如权利要求1所述的一种实现上述的光学零件几何参数非接触测量装置，其特征在于：所述第一透镜(7)是锥透镜或螺纹透镜。

3.如权利要求1或2所述的一种实现上述的光学零件几何参数非接触测量装置，其特征在于：所述光源(1)是激光光源或者LED光源。 

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