透鏡中心厚度檢測(cè) 3

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

2、通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的誤差來(lái)源進(jìn)行分析，得出了系統(tǒng)的測(cè)量精度，透鏡中心厚度檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量精度5mm。關(guān)鍵詞：非接觸測(cè)量，激光三角法，透鏡中心厚度檢測(cè)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(xué)系統(tǒng)中最基本的元件，現(xiàn)代光學(xué)儀器要求具有非常高的成像質(zhì)量，這就對(duì)透鏡的加工質(zhì)量提出了很高的要求，加工出來(lái)的透鏡必須嚴(yán)格限制在公差范圍內(nèi)。在透鏡的生產(chǎn)過(guò)程中，透鏡中心厚度是一個(gè)很重要的參數(shù)，它對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)透鏡中心厚度的自動(dòng)、實(shí)時(shí)檢測(cè)，這對(duì)于提高生產(chǎn)效率，減小測(cè)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(cè)方法是采用接觸式測(cè)量或者是利用干涉法測(cè)量，采用接觸式測(cè)量需要將檢測(cè)頭與透鏡相接觸，這很容易對(duì)透鏡造成劃傷，而且接觸式測(cè)量很難準(zhǔn)確找到透鏡的中心位置，因此測(cè)量的精度也比較低；而干涉法測(cè)量雖然能達(dá)到較高的測(cè)量精度，但是容易受到周圍空氣的擾動(dòng)，測(cè)量的穩(wěn)定較差1。本文設(shè)計(jì)了一種基于激光三角法的透鏡中心厚度檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用兩個(gè)高精度的激光三角位移傳感器和PZT驅(qū)動(dòng)的精密四維調(diào)整臺(tái)，可以快速準(zhǔn)確的對(duì)透鏡中心進(jìn)行定位，而且也保證了測(cè)量具有很高的精度，該系統(tǒng)屬于非接觸式測(cè)量，與傳統(tǒng)的透鏡中心

8、厚度檢測(cè)方法相比較具有測(cè)量精度高、測(cè)量速度快、實(shí)時(shí)在線測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)2，并且不會(huì)對(duì)透鏡表面造成劃傷。1.激光三角法測(cè)量原理激光三角法是一種非接觸式測(cè)量方法，利用光電探測(cè)器將物體位移量的光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)過(guò)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(zhǔn)直聚焦光學(xué)系統(tǒng)后入射到被測(cè)物體表面上，經(jīng)該點(diǎn)漫反射的光通過(guò)成像光學(xué)系統(tǒng)后成像在光電探測(cè)器的光敏面上，當(dāng)被測(cè)物體沿著光入射方向移動(dòng)，或者表面發(fā)生變化時(shí)，入射光斑相對(duì)于原來(lái)位置產(chǎn)生變化，其相應(yīng)的像點(diǎn)經(jīng)過(guò)成像光學(xué)系統(tǒng)后在光電探測(cè)器光敏面上的位置也會(huì)發(fā)生變化，只要通過(guò)測(cè)量光電探測(cè)器光敏面上像點(diǎn)的位移d就可以計(jì)算出被

9、測(cè)物體的位移量DH。因?yàn)槿肷浼す馀c反射激光形成一個(gè)三角形，因此這種測(cè)量方法被稱為激光三角法。激光三角法按入射光線與被測(cè)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(cè)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(cè)器。 圖1.激光三角法測(cè)距原理圖在直射式激光三角測(cè)距結(jié)構(gòu)中，入射光束垂直于被測(cè)表面，只有一個(gè)準(zhǔn)確的調(diào)焦位置，而其余位置的像都處于不同程度的離焦?fàn)顟B(tài)，從而引起像點(diǎn)的彌散3，使系統(tǒng)的測(cè)量不完全，產(chǎn)生較大的誤差。為了提高系統(tǒng)的測(cè)量精度，使光點(diǎn)所成的像在光電探測(cè)器線陣CCD接收面上每一點(diǎn)

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(zhǎng)線相交于一點(diǎn)，如圖1中P點(diǎn)。其中l(wèi)0和l1分別為物距和像距，物體的實(shí)際位移量DH，像點(diǎn)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(cè)物表面上的光斑正好落在成像物鏡的光軸上，選該點(diǎn)作為測(cè)量的基準(zhǔn)點(diǎn)，即圖中的O點(diǎn)。按照幾何光學(xué)近軸成像公式以及相似三角形邊角關(guān)系，可以推導(dǎo)出物點(diǎn)位移與像點(diǎn)位移之間的關(guān)系為： （1）（被測(cè)面從基準(zhǔn)點(diǎn)向上移動(dòng)取“-”，向下移動(dòng)取“+”）當(dāng)物體的位移較小時(shí)，所以上式可以近似為： （2），是

11、一個(gè)常數(shù)，可以看出當(dāng)物體發(fā)生微小位移時(shí)，d-DH近似成線性關(guān)系。但是在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，物點(diǎn)位移和像點(diǎn)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(xué)系統(tǒng)的橫向放大倍率。對(duì)于設(shè)計(jì)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(diǎn)的位移d，就可以計(jì)算出被測(cè)物體的位移量。由于激光三角法測(cè)量具有測(cè)量精度高，非接觸測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，該測(cè)量方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)精密測(cè)量領(lǐng)域中5。2.基于激光三角法測(cè)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(cè)量系統(tǒng)是基于激光三角法測(cè)距原理的非接

12、觸式、實(shí)時(shí)在線測(cè)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(cè)系統(tǒng)框架圖系統(tǒng)主要是由帶有吸盤的機(jī)械手臂、PZT驅(qū)動(dòng)的精密四維調(diào)整臺(tái)、高精度的激光三角位移傳感器、測(cè)量平臺(tái)及計(jì)算機(jī)組成，如圖3所示。計(jì)算機(jī)控制的機(jī)械手臂1將被測(cè)透鏡送到檢測(cè)平臺(tái)上，并通過(guò)PZT驅(qū)動(dòng)的精密四維調(diào)整臺(tái)和具有自準(zhǔn)直功能的激光三角位移傳感器來(lái)對(duì)透鏡中心定位，帶有自準(zhǔn)直功能的激光三角位移傳感器會(huì)將透鏡中心的定位情況反饋給計(jì)算機(jī)，直到準(zhǔn)確的找到透鏡的中心位置。在確定了被測(cè)透鏡的中心后，兩個(gè)激光三角位移傳感器開(kāi)始對(duì)透鏡進(jìn)行精密測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果輸入到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)經(jīng)過(guò)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(cè)。如果透鏡中心厚度在允許的公差范圍內(nèi)，透鏡將會(huì)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(cè)的透鏡不合格，計(jì)算機(jī)將會(huì)報(bào)警并控制機(jī)械手臂2將質(zhì)量不合格的透鏡揀出，這樣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高度的自動(dòng)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(jià)值。圖3透鏡中心厚度檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖2.2系統(tǒng)工作過(guò)程如圖4所示，系統(tǒng)工作時(shí)，首先將兩個(gè)激光三角位移傳感器分別夾持在檢測(cè)平臺(tái)上下兩端，然后在檢測(cè)平臺(tái)上放置一個(gè)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(guò)分光鏡后在CCD1中心成像，利用相同的原理再對(duì)

14、另一個(gè)激光三角探頭2進(jìn)行定位，此時(shí)保持平行平板不動(dòng)，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(guò)分光鏡后在CCD2中心成像，這樣上下兩個(gè)探頭發(fā)出的兩路光分別在兩個(gè)CCD中心成像，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自準(zhǔn)直。在對(duì)被測(cè)件測(cè)量之前，先要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，選擇一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)量塊來(lái)進(jìn)行標(biāo)定。測(cè)量前將標(biāo)準(zhǔn)量塊放入檢測(cè)平臺(tái)，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(biāo)定為零位置，當(dāng)換上被測(cè)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(diǎn)位置也發(fā)生改變，按照激光三角測(cè)距原理可知： （4）同樣可以測(cè)得D2的長(zhǎng)度，若標(biāo)準(zhǔn)件的厚度為

15、D，那么被測(cè)透鏡中心厚度L為： （5） 圖4.透鏡中心厚度測(cè)量系統(tǒng)圖2.3激光三角位移傳感器的設(shè)計(jì)在透鏡中心厚度檢測(cè)系統(tǒng)中使用兩個(gè)具有自準(zhǔn)直功能的激光三角位移傳感器來(lái)對(duì)透鏡中心定位并對(duì)透鏡中心厚度進(jìn)行測(cè)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(zhǔn)直系統(tǒng)4.成像系統(tǒng) 5.線陣CCD其中光源選擇的是半導(dǎo)體激光二極管（LD），波長(zhǎng)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(zhǎng)35.015mm，光譜響應(yīng)峰值波長(zhǎng)為550nm。準(zhǔn)直系統(tǒng)采用的是柱透鏡與單透鏡組合的方法對(duì)入射激光束準(zhǔn)直、聚焦，在被測(cè)物體表面形成的光斑約為25mm。成像系統(tǒng)選用的是雙遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)6，光路圖如圖6所示。圖7是雙遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)的MTF曲線。圖6.成像光學(xué)系統(tǒng)光路圖雙遠(yuǎn)心光路是物方遠(yuǎn)心光路的像方焦點(diǎn)與像方遠(yuǎn)心光路的物方焦點(diǎn)相重合7。當(dāng)平行光進(jìn)入物方遠(yuǎn)心光路后，出射光仍為平行光，所以雙遠(yuǎn)心光路本質(zhì)上是無(wú)焦系統(tǒng)。雙遠(yuǎn)心光路在非接觸測(cè)量中具有重要的應(yīng)用價(jià)值：當(dāng)物距或像距發(fā)生微小移動(dòng)時(shí)，各點(diǎn)的主光線不發(fā)生變化，從而在CCD上接收到的像長(zhǎng)不變，從而避免了由于調(diào)焦誤差或者對(duì)準(zhǔn)誤差引起測(cè)量誤差8，

17、提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度。雙遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)與單遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)相比，其優(yōu)勢(shì)為視場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn)的視場(chǎng)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(dòng)引起的測(cè)量誤差。故雙遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)具有物方遠(yuǎn)心光路和像方遠(yuǎn)心光路兩種光路的優(yōu)勢(shì)，可以應(yīng)用于非接觸的在線實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)。同時(shí)，采用雙遠(yuǎn)心光路系統(tǒng)，可以省去復(fù)雜的實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)，既節(jié)約了硬件成本，同時(shí)也減少了軟件處理工作的復(fù)雜性，為后續(xù)設(shè)計(jì)減輕了負(fù)擔(dān)。 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(dòng)地對(duì)透鏡中心進(jìn)行快速準(zhǔn)確的定位，末端裝有吸盤的機(jī)械手臂將待測(cè)透鏡抓取到檢測(cè)平臺(tái)上，系統(tǒng)采用精密的四維調(diào)整臺(tái)來(lái)定位透鏡的中心，四維

18、調(diào)整臺(tái)采用PZT驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)反應(yīng)時(shí)間快，定位精準(zhǔn)，運(yùn)動(dòng)精度可達(dá)到亞微米級(jí)。機(jī)械手臂將被測(cè)透鏡放入調(diào)整臺(tái)時(shí)，先利用沖擊氣流對(duì)被測(cè)透鏡中心進(jìn)行初步定位，然后觀察入射光通過(guò)被測(cè)透鏡后在CCD上的成像位置，判斷被測(cè)透鏡是否調(diào)平，當(dāng)被測(cè)透鏡中心法線與入射激光存在一定夾角或位移時(shí)，光斑不能在CCD中心成像，如圖8所示，此時(shí)向反方向調(diào)整平移臺(tái)，從而調(diào)整光斑成像的位置，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算，反饋給調(diào)整臺(tái)，直到光斑位于CCD中心，此時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)精確的找到了透鏡的中心，并開(kāi)始測(cè)量。這種利用光電對(duì)準(zhǔn)的方法避免了人眼睛的主觀誤差，提高了系統(tǒng)對(duì)透鏡定心的精度，而且也提高了測(cè)量效率，減輕了測(cè)試人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。在確定了被測(cè)透鏡的中心位置后，計(jì)算機(jī)控制透鏡上下兩端的兩個(gè)激光三角位移傳感器分別對(duì)透鏡進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)，最后經(jīng)過(guò)軟件處理輸出透鏡中心厚度的測(cè)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(biāo)準(zhǔn)件（成都威博恩光電有限公司生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)平晶）的測(cè)量方法，其自身原理誤差不超過(guò)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(jī)械裝調(diào)所引起的誤差不超過(guò)1mm。由于系統(tǒng)采用的是兩個(gè)激光三角探頭，因此除了系統(tǒng)原理誤差外，其余誤差對(duì)測(cè)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(duì)