一種光譜共焦式透鏡中心厚度測量方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種光譜共焦式透鏡中心厚度測量方法及裝置?，F(xiàn)有方法和裝置在測量時(shí)存在的較大誤差且耗時(shí)。所述測量方法是利用面陣相機(jī)和電視圖像輔助定心，然后采用光譜共焦的手段測量光學(xué)透鏡的中心厚度；保證測量對(duì)象的正確性，大大提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。本發(fā)明的裝置在光譜共焦測量透鏡厚度中擴(kuò)增了一路監(jiān)視用光路，定心光路與測量光路重合度高，減少了不必要的硬件的浪費(fèi)，有效控制了裝置的成本。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種光譜共焦式透鏡中心厚度測量方法 及裝置。 一種光譜共焦式透鏡中心厚度測量方法及裝置

【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)透鏡是由玻璃或聚合材料制成的，高質(zhì)量的光學(xué)透鏡有著嚴(yán)格的公差限制。 在光學(xué)領(lǐng)域中，中心厚度是透鏡的一個(gè)基本參數(shù)，其中透鏡中心厚度會(huì)直接影響透鏡的焦 距、曲率半徑、理論像差等參數(shù)，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響，所以必須在加工 過程中進(jìn)行有效的測量。
[0003] 針對(duì)光學(xué)透鏡中心厚度的測量，除了對(duì)光學(xué)元件表面有一定損傷的破壞性測量方 法外，光學(xué)工程領(lǐng)域的專家學(xué)者提出了幾種無損測量的方法，發(fā)表的文獻(xiàn)主要包括：2003 年《西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)》的《透鏡中心厚度測量儀的設(shè)計(jì)》，該文獻(xiàn)中采用干涉法測量透鏡中 心厚度，干涉法本身的精度雖然比較高，但是極易受到外界氣流、振動(dòng)等環(huán)境因素的影響， 難以提高精度，而且該方法的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，成本較高。2011年《儀器儀表學(xué)報(bào)》的《基于 共焦法的透鏡厚度測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)》，該文獻(xiàn)采用白光作為共焦光源，利用被測透鏡上下表面 反射回來的光譜信息計(jì)算透鏡的厚度。白光光源出射的光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后，按波長匯聚 在光軸上，形成一個(gè)由短波到長波縱向逐漸變化的彩帶，λπ?η-λπ^χ就是測量范圍。根 據(jù)共焦法原理，當(dāng)被測透鏡置于測量范圍內(nèi)時(shí)，從光源發(fā)出的探測光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦到被 測透鏡上，如果物體恰好在某波長會(huì)聚的焦點(diǎn)上，則該波長的光在透鏡表面發(fā)生反射，反射 的光通過光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚到針孔。被測透鏡反射回來的光被光譜儀接收，進(jìn)行光譜分析再將 所得數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，通過數(shù)據(jù)處理最終確定被測透鏡厚度。2012年《儀器儀表學(xué)報(bào)》的 《激光差動(dòng)共焦透鏡中心厚度測量系統(tǒng)的研制》介紹了一種利用差動(dòng)共焦技術(shù)的高軸向?qū)?析特性和軸向響應(yīng)曲線的絕對(duì)零點(diǎn)對(duì)被測透鏡的前表面頂點(diǎn)和后表面頂點(diǎn)分別進(jìn)行精密 瞄準(zhǔn)定位，然后計(jì)算透鏡中心厚度的方法。所謂光學(xué)透鏡中心厚度，是指透鏡前后表面定心 頂點(diǎn)之間的距離。所謂定心是校準(zhǔn)光軸與幾何基準(zhǔn)軸不重合的一個(gè)過程。因此要準(zhǔn)確測量 光學(xué)透鏡的中心厚度，首先需要對(duì)被測透鏡進(jìn)行有效的定心措施。以上兩種測試系統(tǒng)，方法 自身的測量精度均達(dá)到lum水平，但是因?yàn)檫@兩種方案在實(shí)施過程中都沒有相應(yīng)的定心措 施，透鏡自身的裝夾位置、姿態(tài)均會(huì)影響中心厚度的測量，因此其測量準(zhǔn)確性大打折扣。
[0004] 2013年《長春理工大學(xué)學(xué)報(bào)》的《透鏡中心厚度測量方法及裝置的研究》介紹了 一種配合二維移動(dòng)平臺(tái)機(jī)械掃描確認(rèn)透鏡中心，然后采用光譜共焦方法進(jìn)行測量的透鏡中 心厚度測量方法。該方法考慮了偏心對(duì)透鏡中心厚度測量的影響，缺點(diǎn)在于機(jī)械掃描耗時(shí) 長，效率低，定位精度受到位移平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)及導(dǎo)軌精度的制約，而且擴(kuò)充電控位移平臺(tái) 增加了測試系統(tǒng)本身的成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的是為了解決現(xiàn)有方法和裝置在測量時(shí)存在的較大誤差，提供一種光譜 共焦式透鏡中心厚度測量方法及裝置。
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種光譜共焦式透鏡中心厚度的測 量方法，包括下述步驟： (1) 根據(jù)被測透鏡的口徑，選擇安裝匹配的可調(diào)透鏡裝載臺(tái)上；將被測透鏡放置于可調(diào) 透鏡裝載臺(tái)上； (2) 打開寬帶光源，寬帶光源發(fā)出的光透過第一無色差擴(kuò)束準(zhǔn)直光學(xué)透鏡后，形成寬 帶平行光束，；寬帶平行光束經(jīng)第一分光棱鏡后進(jìn)入色散透鏡組，在空間形成一系列的聚焦 點(diǎn)并聚焦于有一定偏心的被測透鏡前后表面的不同準(zhǔn)單色光，被反射并二次經(jīng)過色散透鏡 組，出射與入射光等口徑、光軸橫向偏移的平行單色光束對(duì)；該光束對(duì)經(jīng)第一分光棱鏡、第 二分光棱鏡反射； (3) 將面陣相機(jī)中心位置標(biāo)記為01，監(jiān)視電視中心位置標(biāo)記為02,經(jīng)第一分光棱鏡、 第二分光棱鏡反射形成兩束反射光后，一部分反射光到達(dá)面陣相機(jī)；另一部分反射光由第 二無色差光學(xué)透鏡聚焦，并經(jīng)針孔濾波后，由光譜探測器接收，并交由信息處理顯示模塊處 理；先手動(dòng)調(diào)整可調(diào)透鏡裝載臺(tái)，觀察監(jiān)視電視，直至觀察到面陣相機(jī)上接收的聚焦光斑對(duì) 均與02重合，由于面陣相機(jī)中心與監(jiān)視電視的顯示中心統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)被測透鏡的定心，然后 通過信息處理顯示模塊處理另一部分反射光進(jìn)而測量出被測透鏡的中心厚度。
[0007] 上述的光譜共焦式透鏡中心厚度的測量方法所采用的裝置，包括寬帶光源，包括 第一無色差擴(kuò)束準(zhǔn)直光學(xué)透鏡、第一分光棱鏡、色散透鏡組、第二分光棱鏡、面陣相機(jī)、第二 無色差光學(xué)透鏡、針孔、光譜探測器、信息處理顯示模塊、監(jiān)視電視、被測透鏡及可調(diào)透鏡裝 載臺(tái)； 被測透鏡位于可調(diào)透鏡裝載臺(tái)上，所述寬帶光源發(fā)出的入射光經(jīng)第一無色差擴(kuò)束準(zhǔn)直 光學(xué)透鏡、第一分光棱鏡和色散透鏡組入射到位于可調(diào)透鏡裝載臺(tái)上的被測透鏡上；第一 分光棱鏡的反射光路上依次設(shè)置有第二分光棱鏡、第二無色差光學(xué)透鏡組、針孔及光譜探 測器；第二分光棱鏡的反射光路上設(shè)置有面陣相機(jī)；所述面陣相機(jī)中心與監(jiān)視電視的顯示 中心統(tǒng)一；光譜探測器與信息處理顯示模塊連接。
[0008] 所述可調(diào)透鏡裝載臺(tái)為多自由度可調(diào)裝置，具體為手動(dòng)傾斜臺(tái)，型號(hào)為WN01SM3 ; 或者手動(dòng)二維位移臺(tái)，其型號(hào)為WN201ZM13H。
[0009] 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)： 1、 本發(fā)明的裝置在光譜共焦測量透鏡厚度中擴(kuò)增了一路監(jiān)視用光路，定心光路與測量 光路重合度高，減少了不必要的硬件的浪費(fèi)，有效控制了裝置的成本；本發(fā)明的透鏡中心厚 度在測量前，首先進(jìn)行透鏡定心，消除透鏡偏心造成的測試誤差，保證測量對(duì)象的正確性， 大大提高測試結(jié)果的準(zhǔn)確性； 2、 本發(fā)明采用電視圖像輔助定心方法直觀且操作簡單，大大節(jié)約了測試時(shí)間，提高了 裝置的工作效率； 3、 本發(fā)明的定心方法是對(duì)被測透鏡的類型(平凸、平凹等）及透鏡的光軸偏離方式、偏 離大小無關(guān)，只需要保證最終透鏡前后表面的反射光斑均勻電視圖像中心統(tǒng)一即可，定心 準(zhǔn)確，具有高精度，有效保證了中心厚度測量結(jié)果的精確性； 4、 本發(fā)明裝置可以適用于不同材料、不同口徑、不同曲率半徑(包括平凸、平凹、雙凸、 雙凹、彎月、平行平板等）透鏡中心厚度的非接觸高精度測量，對(duì)被測透鏡無損傷，測量速度 快。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010] 圖1本發(fā)明的光譜共焦式透鏡中心厚度測量方法原理光路圖； 圖2被測透鏡定心前電視圖像其中一種狀態(tài)示意圖； 圖3被測透鏡定心后電視圖像示意圖。
[0011] 其中：1.寬帶光源；2.第一無色差擴(kuò)束準(zhǔn)直光學(xué)透鏡；3.第一分光棱鏡；4.色 散透鏡組；5.第二分光棱鏡；6.面陣相機(jī)；7.第二無色差光學(xué)透鏡；8.針孔；9.光譜探測 器；10.信息處理顯示模塊；11.監(jiān)視電視；12.可調(diào)透鏡裝載臺(tái)；13.被測透鏡。

【具體實(shí)施方式】
[0012] 下面結(jié)合實(shí)施例和附圖來進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0013] 本發(fā)明的基本思想是利用面陣相機(jī)和電視圖像輔助定心，然后采用光譜共焦的手 段測量光學(xué)透鏡的中心厚度。
[0014] 參見圖1，一種光譜共焦式透鏡中心厚度的測量方法，包括下述步驟： (1) 根據(jù)被測透鏡的口徑，選擇安裝匹配的可調(diào)透鏡裝載臺(tái)上；將被測透鏡13放置于 可調(diào)透鏡裝載臺(tái)上； (2) 打開寬帶光源，寬帶光源1發(fā)出的光透過第一無色差擴(kuò)束準(zhǔn)直光學(xué)透鏡2后，形成 寬帶平行光束，；寬帶平行光束經(jīng)第一分光棱鏡3后進(jìn)入色散透鏡組4,在空間形成一系列 的聚焦點(diǎn)并聚焦于有一定偏心的被測透鏡13前后表面的不同準(zhǔn)單色光，被反射并二次經(jīng) 過色散透鏡組4,出射與入射光等口徑、光軸橫向偏移的平行單色光束對(duì)；該光束對(duì)經(jīng)第一 分光棱鏡3、第二分光棱鏡5反射； (3) 將面陣相機(jī)中心位置標(biāo)記為01，監(jiān)視電視中心位置標(biāo)記為02,經(jīng)第一分光棱鏡3、 第二分光棱鏡5反射形成兩束反射光后，一部分反射光到達(dá)面陣相機(jī)6 ;另一部分反射光由 第二無色差光學(xué)透鏡7聚焦，并經(jīng)針孔8濾波后，由光譜探測器9接收，并交由信息處理顯 示模塊10處理；先手動(dòng)調(diào)整可調(diào)透鏡裝載臺(tái)12,觀察監(jiān)視電視11，直至觀察到面陣相機(jī)6 上接收的聚焦光斑對(duì)均與02重合，由于面陣相機(jī)6中心與監(jiān)視電視11的顯示中心統(tǒng)一，實(shí) 現(xiàn)被測透鏡的定心，然后通過信息處理顯示模塊處理另一部分反射光進(jìn)而測量出被測透鏡 的中心厚度。
[0015] 上述光譜共焦式透鏡中心厚度的測量方法所采用的裝置，包括寬帶光源，包括第 一無色差擴(kuò)束準(zhǔn)直光學(xué)透鏡2、第一分光棱鏡3、色散透鏡組4、第二分光棱鏡5、面陣相機(jī)6、 第二無色差光學(xué)透鏡7、針孔8、光譜探測器9、信息處理顯示模塊10、監(jiān)視電視11、被測透鏡 13及可調(diào)透鏡裝載臺(tái)12 ; 被測透鏡13位于可調(diào)透鏡裝載臺(tái)12上，所述寬帶光源1發(fā)出的入射光經(jīng)第一無色差 擴(kuò)束準(zhǔn)直光學(xué)透鏡2、第一分光棱鏡3和色散透鏡組4入射到位于可調(diào)透鏡裝載臺(tái)上的被測 透鏡上；第一分光棱鏡3的反射光路上依次設(shè)置有第二分光棱鏡5、第二無色差光學(xué)透鏡組 7、針孔8及光譜探測器9 ;第二分光棱鏡5的反射光路上設(shè)置有面陣相機(jī)6 ;面陣相機(jī)6中 心與監(jiān)視電視11的顯示中心統(tǒng)一；光譜探測器與信息處理顯示模塊連接。
[0016] 可調(diào)透鏡裝載臺(tái)12為多自由度可調(diào)裝置，具體為手動(dòng)傾斜臺(tái)，型號(hào)為WN01SM3 ;或 者手動(dòng)二維位移臺(tái)，其型號(hào)為WN201ZM13H。 實(shí)施例
[0017] 雙凸透鏡中心厚度測量實(shí)例 如圖1所示，一種光譜共焦式透鏡中心厚度測量方法，其測量步驟是： (1) 根據(jù)被測透鏡的口徑，選擇安裝匹配的可調(diào)透鏡裝載臺(tái)上；將被測透鏡13放置于 可調(diào)透鏡裝載臺(tái)上； (2) 打開光源，寬帶光源1發(fā)出的光經(jīng)過第一無色差擴(kuò)束準(zhǔn)直光學(xué)透鏡2后，形成寬帶 平行光束，不同波長的光無位相差異，平行光經(jīng)第一分光棱鏡3后進(jìn)入色散透鏡組4,不同 波長的光產(chǎn)生光譜色散，在空間形成一系列的聚焦點(diǎn)并聚焦于有一定偏心量的被測雙凸透 鏡13前后表面的不同準(zhǔn)單色光，被反射并二次經(jīng)過色散透鏡組4,出射與入射光等口徑、光 軸橫向偏移的平行單色光束對(duì)；該光束對(duì)經(jīng)第一分光棱鏡3、第二分光棱鏡5反射后； (3) 該光束對(duì)經(jīng)第一分光棱鏡3、第二分光棱鏡5反射后；一部分到達(dá)面陣相機(jī)6,由于 圖1中被測雙凸透鏡的光軸與測試光軸相比，同時(shí)存在一定量的偏離及傾斜，導(dǎo)致面陣相 機(jī)6上接受到的聚焦光斑對(duì)沒有與其中心01重合，而是分別入射到面陣相機(jī)6的第一、二 象限，此時(shí)，監(jiān)視電視11上分別在第一、二象限顯示兩個(gè)光斑，如附圖2所示；這時(shí)候，手動(dòng) 調(diào)節(jié)可調(diào)透鏡裝載臺(tái)12,觀察監(jiān)視電視11上被測透鏡前后表面反射光斑的聚焦位置改變， 因?yàn)閮H有當(dāng)被測透鏡的光軸與幾何基準(zhǔn)軸共線時(shí)，才會(huì)使得被測透鏡前后反射面的反射光 斑均與監(jiān)視電視11中心02重合，所以直至觀察到三者重合現(xiàn)象，如附圖3所示，停止調(diào)節(jié) 可調(diào)透鏡裝載臺(tái)，此時(shí)，另一部分反射光由第二無色差光學(xué)透鏡7聚焦，并經(jīng)針孔8濾波后， 由光譜探測器9接受，并交由信息處理顯示模塊10處理，測量出被測透鏡的中心厚度。
[0018] 由于測量前首先進(jìn)行了光學(xué)定心，因此大大提高了測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。
【權(quán)利要求】
1. 一種光譜共焦式透鏡中心厚度的測量方法，其特征在于：包括下述步驟： (1) 根據(jù)被測透鏡的口徑，選擇安裝匹配的可調(diào)透鏡裝載臺(tái)上；將被測透鏡（13)放置 于可調(diào)透鏡裝載臺(tái)上； (2) 打開寬帶光源，寬帶光源（1)發(fā)出的光透過第一無色差擴(kuò)束準(zhǔn)直光學(xué)透鏡（2)后， 形成寬帶平行光束；寬帶平行光束經(jīng)第一分光棱鏡（3)后進(jìn)入色散透鏡組（4)，在空間形成 一系列的聚焦點(diǎn)并聚焦于有一定偏心的被測透鏡（13)前后表面的不同準(zhǔn)單色光，被反射并 二次經(jīng)過色散透鏡組（4)，出射與入射光等口徑、光軸橫向偏移的平行單色光束對(duì)；該光束 對(duì)經(jīng)第一分光棱鏡（3)、第二分光棱鏡（5)反射； (3) 將面陣相機(jī)中心位置標(biāo)記為01，監(jiān)視電視中心位置標(biāo)記為02,經(jīng)第一分光棱鏡 (3) 、第二分光棱鏡（5)反射形成兩束反射光后，一部分反射光到達(dá)面陣相機(jī)（6);另一部分 反射光由第二無色差光學(xué)透鏡（7)聚焦，并經(jīng)針孔（8)濾波后，由光譜探測器（9)接收，并交 由信息處理顯示模塊（10)處理；先手動(dòng)調(diào)整可調(diào)透鏡裝載臺(tái)（12)，觀察監(jiān)視電視（11 )，直 至觀察到面陣相機(jī)（6)上接收的聚焦光斑對(duì)均與02重合，由于面陣相機(jī)（6)中心與監(jiān)視電 視（11)的顯示中心統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)被測透鏡的定心，然后通過信息處理顯示模塊處理另一部分 反射光進(jìn)而測量出被測透鏡的中心厚度。
2. 如權(quán)利要求1所述的光譜共焦式透鏡中心厚度的測量方法所采用的裝置，包括寬帶 光源，其特征在于：包括第一無色差擴(kuò)束準(zhǔn)直光學(xué)透鏡（2)、第一分光棱鏡（3)、色散透鏡組 (4) 、第二分光棱鏡（5)、面陣相機(jī)（6)、第二無色差光學(xué)透鏡（7)、針孔（8)、光譜探測器（9)、 信息處理顯示模塊（10)、監(jiān)視電視（11)、被測透鏡（13)及可調(diào)透鏡裝載臺(tái)（12); 被測透鏡（13)位于可調(diào)透鏡裝載臺(tái)（12)上，所述寬帶光源（1)發(fā)出的入射光經(jīng)第一無 色差光學(xué)透鏡組（2)、第一分光棱鏡（3)和色散透鏡組（4)入射到位于可調(diào)透鏡裝載臺(tái)上的 被測透鏡（13)上；第一分光棱鏡（3)的反射光路上依次設(shè)置有第二分光棱鏡（5)、第二無色 差光學(xué)透鏡組（7)、針孔（8)及光譜探測器（9);第二分光棱鏡（5)的反射光路上設(shè)置有面陣 相機(jī)（6);所述面陣相機(jī)（6)中心與監(jiān)視電視（11)的顯示中心統(tǒng)一；光譜探測器（9)與信息 處理顯示模塊（10)連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量裝置，其特征在于：所述可調(diào)透鏡裝載臺(tái)（12)為多 自由度可調(diào)裝置，具體為手動(dòng)傾斜臺(tái)，型號(hào)為WN01SM3;或者手動(dòng)二維位移臺(tái)，其型號(hào)為 WN201ZM13H。
【文檔編號(hào)】G01B11/06GK104061867SQ201410325057
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2014年7月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月9日
【發(fā)明者】王春慧, 田愛玲, 王紅軍, 朱學(xué)亮, 劉丙才 申請(qǐng)人:西安工業(yè)大學(xué)