透鏡中心厚度檢測 3

1、 透鏡中心厚度的在線非接觸測量系統(tǒng) 摘要：透鏡中心厚度檢測是透鏡生產(chǎn)中的一個重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的方法是采用接觸式測量法，這種檢測法精度低、耗時長、容易劃傷透鏡并且無法實現(xiàn)實時在線測量。本文設(shè)計了一種基于激光三角法測距原理的透鏡中心厚度檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種新型的非接觸測量系統(tǒng)，測量精度高，并且實現(xiàn)了生產(chǎn)線上的實時測量。論文首先介紹了激光三角法測距的基本原理，其次介紹了透鏡中心厚度檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，系統(tǒng)采用精密的四維調(diào)整臺和改進的激光三角探頭對透鏡中心進行精確定位，定位精度可以達到亞微米級，系統(tǒng)用兩個性能指標完全一樣的激光三角探頭進行測量，達到了較好的測量效果，測量范圍為0.520mm。最后，論文

2、通過對系統(tǒng)的誤差來源進行分析，得出了系統(tǒng)的測量精度，透鏡中心厚度檢測系統(tǒng)的測量精度5mm。關(guān)鍵詞：非接觸測量，激光三角法，透鏡中心厚度檢測Abstract:Lens center thickness detection is an important part in the production of lens, the traditional method is the contact measurement which has a low accuracy, time-consuming, easy to scratch the lens and can not achive real-t

3、ime and on-line measurement. Based on the principle of laser triangulation rangefinder we designed a lens center thickness detection system in the paper, which is a new non-contact measurement system with high accuracy and a real-time measurement on the lens production. First, the paper introduces t

4、he basic principle of the laser triangulation ranging. Second, the paper describes the structure of the lens center thickness detection system, which uses the precision four-dimensional adjustment platform and the improved laser triangulation probes to achieve precision positioning of the lens centr

5、e, therefore the positioning accuracy can be reached sub-micron. The system uses two laser triangulation probes with the entirely same technical indicators to measure and achieves a better measurement result. The measurement range reaches 0.520mm. Finally, the paper analysis the source of the error,

6、 the precision of the lens center thickness detection system reaches 5mm.Key words: Non-contact measurement, Laser triangulation, Thickness of lens center testing引言透鏡是光學系統(tǒng)中最基本的元件，現(xiàn)代光學儀器要求具有非常高的成像質(zhì)量，這就對透鏡的加工質(zhì)量提出了很高的要求，加工出來的透鏡必須嚴格限制在公差范圍內(nèi)。在透鏡的生產(chǎn)過程中，透鏡中心厚度是一個很重要的參數(shù)，它對透鏡的焦距和曲率半徑都有影響，關(guān)系著成像質(zhì)量的好壞，因此需要在生產(chǎn)線上

7、實現(xiàn)對透鏡中心厚度的自動、實時檢測，這對于提高生產(chǎn)效率，減小測量誤差，保障透鏡質(zhì)量具有重要意義。傳統(tǒng)的透鏡中心厚度檢測方法是采用接觸式測量或者是利用干涉法測量，采用接觸式測量需要將檢測頭與透鏡相接觸，這很容易對透鏡造成劃傷，而且接觸式測量很難準確找到透鏡的中心位置，因此測量的精度也比較低；而干涉法測量雖然能達到較高的測量精度，但是容易受到周圍空氣的擾動，測量的穩(wěn)定較差1。本文設(shè)計了一種基于激光三角法的透鏡中心厚度檢測系統(tǒng)，系統(tǒng)采用兩個高精度的激光三角位移傳感器和PZT驅(qū)動的精密四維調(diào)整臺，可以快速準確的對透鏡中心進行定位，而且也保證了測量具有很高的精度，該系統(tǒng)屬于非接觸式測量，與傳統(tǒng)的透鏡中心

8、厚度檢測方法相比較具有測量精度高、測量速度快、實時在線測量的優(yōu)點2，并且不會對透鏡表面造成劃傷。1.激光三角法測量原理激光三角法是一種非接觸式測量方法，利用光電探測器將物體位移量的光學信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，?jīng)過后續(xù)電路處理后，將物體的位移以數(shù)字形式輸出，基本原理如圖1所示，激光器發(fā)出的激光束經(jīng)準直聚焦光學系統(tǒng)后入射到被測物體表面上，經(jīng)該點漫反射的光通過成像光學系統(tǒng)后成像在光電探測器的光敏面上，當被測物體沿著光入射方向移動，或者表面發(fā)生變化時，入射光斑相對于原來位置產(chǎn)生變化，其相應(yīng)的像點經(jīng)過成像光學系統(tǒng)后在光電探測器光敏面上的位置也會發(fā)生變化，只要通過測量光電探測器光敏面上像點的位移d就可以計算出被

9、測物體的位移量DH。因為入射激光與反射激光形成一個三角形，因此這種測量方法被稱為激光三角法。激光三角法按入射光線與被測表面法線的關(guān)系分為直射式激光三角法和斜射式激光三角法兩種結(jié)構(gòu)。本文中選用的是直射式激光三角法，為了提高測量的精度，在本系統(tǒng)中選擇激光二極管（LD）作為激光三角位移傳感器的發(fā)射光源，線陣CCD作為光電探測器。 圖1.激光三角法測距原理圖在直射式激光三角測距結(jié)構(gòu)中，入射光束垂直于被測表面，只有一個準確的調(diào)焦位置，而其余位置的像都處于不同程度的離焦狀態(tài)，從而引起像點的彌散3，使系統(tǒng)的測量不完全，產(chǎn)生較大的誤差。為了提高系統(tǒng)的測量精度，使光點所成的像在光電探測器線陣CCD接收面上每一點

10、都能清晰成像，光路的布局需要滿足“Scheimpflug”條件4，即入射光軸、成像物鏡主平面和線陣CCD三者延長線相交于一點，如圖1中P點。其中l(wèi)0和l1分別為物距和像距，物體的實際位移量DH，像點在線陣CCD光敏面上的位移為d，入射光與成像透鏡光軸的夾角為q，線陣CCD與成像透鏡光軸的夾角為f。假設(shè)入射激光照射到被測物表面上的光斑正好落在成像物鏡的光軸上，選該點作為測量的基準點，即圖中的O點。按照幾何光學近軸成像公式以及相似三角形邊角關(guān)系，可以推導出物點位移與像點位移之間的關(guān)系為： （1）（被測面從基準點向上移動取“-”，向下移動取“+”）當物體的位移較小時，所以上式可以近似為： （2），是

11、一個常數(shù)，可以看出當物體發(fā)生微小位移時，d-DH近似成線性關(guān)系。但是在實際測量過程中，物點位移和像點位移之間的關(guān)系是由式（1）決定的。在直射式激光三角法中需要滿足的“Scheimpflug”條件為： （3）這里的b是激光三角位移傳感器中成像光學系統(tǒng)的橫向放大倍率。對于設(shè)計好的激光三角位移傳感器，其l0、l1、q、f都是已經(jīng)確定的值，因此只要知道像點的位移d，就可以計算出被測物體的位移量。由于激光三角法測量具有測量精度高，非接觸測量的優(yōu)點，該測量方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)精密測量領(lǐng)域中5。2.基于激光三角法測量透鏡中心厚度的方法2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)透鏡中心厚度測量系統(tǒng)是基于激光三角法測距原理的非接

12、觸式、實時在線測量系統(tǒng)，系統(tǒng)總體框架如圖2所示。圖2.透鏡中心厚度檢測系統(tǒng)框架圖系統(tǒng)主要是由帶有吸盤的機械手臂、PZT驅(qū)動的精密四維調(diào)整臺、高精度的激光三角位移傳感器、測量平臺及計算機組成，如圖3所示。計算機控制的機械手臂1將被測透鏡送到檢測平臺上，并通過PZT驅(qū)動的精密四維調(diào)整臺和具有自準直功能的激光三角位移傳感器來對透鏡中心定位，帶有自準直功能的激光三角位移傳感器會將透鏡中心的定位情況反饋給計算機，直到準確的找到透鏡的中心位置。在確定了被測透鏡的中心后，兩個激光三角位移傳感器開始對透鏡進行精密測量，并將測量結(jié)果輸入到計算機，計算機經(jīng)過后續(xù)處理以數(shù)字形式輸出透鏡的中心厚度，完成透鏡中心厚度的

13、檢測。如果透鏡中心厚度在允許的公差范圍內(nèi)，透鏡將會被送往下一生產(chǎn)線上；如果透鏡的中心厚度超出了公差允許的范圍，就意味著被檢測的透鏡不合格，計算機將會報警并控制機械手臂2將質(zhì)量不合格的透鏡揀出，這樣系統(tǒng)實現(xiàn)了高度的自動化和集成化，可以廣泛應(yīng)用于透鏡生產(chǎn)線上，具有很高的應(yīng)用價值。圖3透鏡中心厚度檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2.2系統(tǒng)工作過程如圖4所示，系統(tǒng)工作時，首先將兩個激光三角位移傳感器分別夾持在檢測平臺上下兩端，然后在檢測平臺上放置一個平行平板，激光三角探頭1發(fā)出的激光入射到平行平板上，調(diào)整該平板的位置，使光束垂直入射到平行平板上并且經(jīng)平行平板反射的光通過分光鏡后在CCD1中心成像，利用相同的原理再對

14、另一個激光三角探頭2進行定位，此時保持平行平板不動，調(diào)整激光三角探頭2 的位置，使探頭2發(fā)出的入射激光垂直入射到平行平板，并且反射光經(jīng)過分光鏡后在CCD2中心成像，這樣上下兩個探頭發(fā)出的兩路光分別在兩個CCD中心成像，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的自準直。在對被測件測量之前，先要對系統(tǒng)進行標定，選擇一個標準量塊來進行標定。測量前將標準量塊放入檢測平臺，量塊上下表面的散射光分別在激光三角位移傳感器的光電接收器線陣CCD上成像，將其成像位置標定為零位置，當換上被測件后由于光程改變，所以散射光斑經(jīng)成像透鏡后在線陣CCD上的像點位置也發(fā)生改變，按照激光三角測距原理可知： （4）同樣可以測得D2的長度，若標準件的厚度為

15、D，那么被測透鏡中心厚度L為： （5） 圖4.透鏡中心厚度測量系統(tǒng)圖2.3激光三角位移傳感器的設(shè)計在透鏡中心厚度檢測系統(tǒng)中使用兩個具有自準直功能的激光三角位移傳感器來對透鏡中心定位并對透鏡中心厚度進行測量，因此激光三角位移傳感器是本套系統(tǒng)中的核心部件，系統(tǒng)采用的是直射式結(jié)構(gòu)的激光三角位移傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖5.激光三角位移傳感器結(jié)構(gòu)1.LD光源 2.分光鏡 3.準直系統(tǒng)4.成像系統(tǒng) 5.線陣CCD其中光源選擇的是半導體激光二極管（LD），波長650nm，輸出功率7mW。線陣CCD采用的是TCD1708D，像元數(shù)為7450，像元大小為4.7mm4.7mm4.7mm（相鄰像元中心距為4.7

16、mm），像元總長35.015mm，光譜響應(yīng)峰值波長為550nm。準直系統(tǒng)采用的是柱透鏡與單透鏡組合的方法對入射激光束準直、聚焦，在被測物體表面形成的光斑約為25mm。成像系統(tǒng)選用的是雙遠心光學系統(tǒng)6，光路圖如圖6所示。圖7是雙遠心光學系統(tǒng)的MTF曲線。圖6.成像光學系統(tǒng)光路圖雙遠心光路是物方遠心光路的像方焦點與像方遠心光路的物方焦點相重合7。當平行光進入物方遠心光路后，出射光仍為平行光，所以雙遠心光路本質(zhì)上是無焦系統(tǒng)。雙遠心光路在非接觸測量中具有重要的應(yīng)用價值：當物距或像距發(fā)生微小移動時，各點的主光線不發(fā)生變化，從而在CCD上接收到的像長不變，從而避免了由于調(diào)焦誤差或者對準誤差引起測量誤差8，

17、提高了系統(tǒng)的測量精度。雙遠心光學系統(tǒng)與單遠心光學系統(tǒng)相比，其優(yōu)勢為視場內(nèi)各點的視場角和放大率恒定，從而提高了采集圖像的精度，更加減少了因物體或CCD沿光軸的橫向移動引起的測量誤差。故雙遠心光學系統(tǒng)具有物方遠心光路和像方遠心光路兩種光路的優(yōu)勢，可以應(yīng)用于非接觸的在線實時測量系統(tǒng)。同時，采用雙遠心光路系統(tǒng)，可以省去復雜的實時自動調(diào)焦機構(gòu)，既節(jié)約了硬件成本，同時也減少了軟件處理工作的復雜性，為后續(xù)設(shè)計減輕了負擔。 圖7.成像系統(tǒng)MTF曲線2.4透鏡中心的確定方法系統(tǒng)能夠自動地對透鏡中心進行快速準確的定位，末端裝有吸盤的機械手臂將待測透鏡抓取到檢測平臺上，系統(tǒng)采用精密的四維調(diào)整臺來定位透鏡的中心，四維

18、調(diào)整臺采用PZT驅(qū)動，該驅(qū)動反應(yīng)時間快，定位精準，運動精度可達到亞微米級。機械手臂將被測透鏡放入調(diào)整臺時，先利用沖擊氣流對被測透鏡中心進行初步定位，然后觀察入射光通過被測透鏡后在CCD上的成像位置，判斷被測透鏡是否調(diào)平，當被測透鏡中心法線與入射激光存在一定夾角或位移時，光斑不能在CCD中心成像，如圖8所示，此時向反方向調(diào)整平移臺，從而調(diào)整光斑成像的位置，經(jīng)過計算機計算，反饋給調(diào)整臺，直到光斑位于CCD中心，此時系統(tǒng)已經(jīng)精確的找到了透鏡的中心，并開始測量。這種利用光電對準的方法避免了人眼睛的主觀誤差，提高了系統(tǒng)對透鏡定心的精度，而且也提高了測量效率，減輕了測試人員的勞動強度。在確定了被測透鏡的中心位置后，計算機控制透鏡上下兩端的兩個激光三角位移傳感器分別對透鏡進行測量，并將測量結(jié)果輸入計算機，最后經(jīng)過軟件處理輸出透鏡中心厚度的測量結(jié)果。 圖8.確定透鏡定位示意圖3.系統(tǒng)誤差估算系統(tǒng)采用標準件（成都威博恩光電有限公司生產(chǎn)的標準平晶）的測量方法，其自身原理誤差不超過0.03mm，激光三角探頭工作距離引起的誤差約為1.1mm，線陣CCD引起的誤差非常小可以忽略，成像透鏡所引起的誤差大約為2.5mm，其它機械裝調(diào)所引起的誤差不超過1mm。由于系統(tǒng)采用的是兩個激光三角探頭，因此除了系統(tǒng)原理誤差外，其余誤差對測量結(jié)果造成的影響都是兩次的，因此系統(tǒng)總的誤差大約為：對