透镜中心厚度检测 (3)

透镜中心厚度的在线非接触测量系统
摘要：透镜中心厚度检测是透镜生产中的一个重要环节，传统的方法是采用接触式测量法，这种检测法精度低、耗时长、容易划伤透镜并且无法实现实时在线测量。

本文设计了一种基于激光三角法测距原理的透镜中心厚度检测系统，该系统是一种新型的非接触测量系统，测量精度高，并且实现了生产线上的实时测量。

论文首先介绍了激光三角法测距的基本原理，其次介绍了透镜中心厚度检测系统的结构组成，系统采用精密的四维调整台和改进的激光三角探头对透镜中心进行精确定位，定位精度可以达到亚微米级，系统用两个性能指标完全一样的激光三角探头进行测量，达到了较好的测量效果，测量范围为0.5~20mm。

最后，论文通过对系统的误差来源进行分析，得出了系统的测量精度，透镜中心厚度检测系统的测量精度≤5 m。

关键词：非接触测量，激光三角法，透镜中心厚度检测
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-time 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 the 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 centre, 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 0.5~20mm. Finally, the paper analysis the source of the error, 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
透镜是光学系统中最基本的元件，现代光学仪器要求具有非常高的成像质量，这就对透镜的加工质量提出了很高的要求，加工出来的透镜必须严格限制在公差范围内。

在透镜的生产过程中，透镜中心厚度是一个很重要的参数，它对透镜的焦距和曲率半径都有影响，关系着成像质量的好坏，因此需要在生产线上实现对透镜中心厚度的自动、实时检测，这对于提高生产效率，减小测量误差，保障透镜质量具有重要意义。

传统的透镜中心厚度检测方法是采用接触式测量或者是利用干涉法测量，采用接触式测量需要将检测头与透镜相接触，这很容易对透镜造成划伤，而且接触式测量很难准确找到透镜的中心位置，因此测量的精度也比较低；而干涉法测量虽然能达到较高的测量精度，但是容易受到周围空气的扰动，测量的稳定较差[1]。

本文设计了一种基于激光三角法的透镜中心厚度检测系统，系统采用两个高精度的激光三角位移传感器和PZT驱动的精密四维调整台，可以快速准确的对透镜中心进行定位，而且也保证了测量具有很高的精度，该系统属于非接触式测量，与传统的透镜中心厚度检测方法相比较具有测量精度高、测量速度快、实时在线测量的优点[2]，并且不会对透镜表面造成划伤。

1.激光三角法测量原理
激光三角法是一种非接触式测量方法，利用光电探测器将物体位移量的光学信号转变为电信号，经过后续电路处理后，将物体的位移以数字形式输出，基本原理如图1所示，激光器发出的激光束经准直聚焦光学系统后入射到被测物体表面上，经该点漫反射的光通过成像光学系统后成像在光电探测器的光敏面上，当被测物体沿着光入射方向移动，或者表面发生变化时，入射光斑相对于原来位置产生变化，其相应的像点经过成像光学系统后在光电探测器光敏面上的位置也会发生变化，只要通过测量光电探测器光敏面上像点的位移
就可以计算出被
测物体的位移量H 。

因为入射激光与反射激光形成一个三角形，因此这种测量方法被称为激光三角法。

激光三角法按入射光线与被测表面法线的关系分为直射式激光三角法和斜射式激光三角法两种结构。

本文中选用的是直射式激光三角法，为了提高测量的精度，在本系统中选择激光二极管（LD ）作为激光三角位移传感器的发射光源，线阵CCD 作为光电探测器。

laser
准直聚焦透镜
成像透镜
H
被
测
物
体
θ
φ
P
Q O
l 0
l H A(x,y)
A ′(x ′,y ′)
H ′
光电探测器
δM 图1.激光三角法测距原理图
在直射式激光三角测距结构中，入射光束垂直于被测表面，只有一个准确的调焦位置，而其余位置的像都处于不同程度的离焦状态，从而引起像点的弥散[3]，使系统的测量不完全，产生较大的误差。

为了提高系统的测量精度，使光点所成的像在光电探测器线阵CCD 接收面上每一点都能清晰成像，光路的布局需要满足“Scheimpflug ”条件[4]，
即入射光轴、成像物镜主平面和线阵CCD 三者延长线相交于一点，如图1中P 点。

其中l 0和l 1分别为物距和像距，物体的实际位移量∆H ，像点在线阵CCD 光敏面上的位移为δ，入射光与成像透镜光轴的夹角为θ，线阵CCD 与成像透镜光轴的夹角为φ。

假设入射激光照射到被测物表面上的光斑正好落在成像物镜的光轴上，选该点作为测量的基准点，即图中的O 点。

按照几何光学近轴成像公式以及相似三角形边角关系，可以推导出物点位移与像点位移之间的关系为：
()
ϕθδθϕ
δ∆+=
sin sin sin 10 l l H
（1）
（被测面从基准点向上移动取“-”，向下移动取“+”）当物体的位移较小时，
()θφθδsin sin 1l <<+，所以上式可以近似为：
δ
θ
ϕ
δ∆⋅==
K l l H sin sin 10 （2）
θ
ϕ
sin sin 10l l K =
，是一个常数，可以看出当物体发生微小位移时，δ-∆H 近似成线性关系。

但是在实际测量过程中，物点位移和像点位移之间的关系是由式（1）决定的。

在直射式激光三角法中需要满足的“Scheimpflug ”条件为：
φβθtan tan = （3）
这里的β是激光三角位移传感器中成像
光学系统的横向放大倍率。

对于设计好的激光三角位移传感器，其l 0、l 1、θ、φ都是已经确定的值，因此只要知道像点的位移δ，就可以计算出被测物体的位移量。

由于激光三角法测量具有测量精度高，非接触测量的优点，该测量方法已经广泛应用于现代工业精密测量领域中[5]。

2.基于激光三角法测量透镜中心厚度的方法
2.1系统总体结构
透镜中心厚度测量系统是基于激光三角法测距原理的非接触式、实时在线测量系统，系统总体框架如图2所示。

图2.透镜中心厚度检测系统框架图
系统主要是由带有吸盘的机械手臂、PZT驱动的精密四维调整台、高精度的激光三角位移传感器、测量平台及计算机组成，如图3所示。

计算机控制的机械手臂1将被测透镜送到检测平台上，并通过PZT驱动的精密四维调整台和具有自准直功能的激光三角位移传感器来对透镜中心定位，带有自准直功能的激光三角位移传感器会将透镜中心的定位情况反馈给计算机，直到准确的找到透镜的中心位置。

在确定了被测透镜的中心后，两个激光三角位移传感器开始对透镜进行精密测量，并将测量结果输入到计算机，计算机经过后续处理以数字形式输出透镜的中心厚度，完成透镜中心厚度的检测。

如果透镜中心厚度在允许的公差范围内，透镜将会被送往下一生产线上；如果透镜的中心厚度超出了公差允许的范围，就意味着被检测的透镜不合格，计算机将会报警并控制机械手臂2将质量不合格的透镜拣出，这样系统实现了高度的自动化和集成化，可以广泛应用于透镜生产线上，具有很高的应用价值。

激光三角
图3透镜中心厚度检测系统结构示意图2.2系统工作过程
如图4所示，系统工作时，首先将两个激光三角位移传感器分别夹持在检测平台上下两端，然后在检测平台上放置一个平行平板，激光三角探头1发出的激光入射到平行平板上，调整该平板的位置，使光束垂直入射到平行平板上并且经平行平板反射的光通过分光镜后在CCD1中心成像，利用相同的原理再对另一个激光三角探头2进行定位，此时保持平行平板不动，调整激光三角探头2 的位置，使探头2发出的入射激光垂直入射到平行平板，并且反射光经过分光镜后在CCD2中心成像，这样上下两个探头发出的两路光分别在两个CCD中心成像，从而实现系统的自准直。

在对被测件测量之前，先要对系统进行标定，选择一个标准量块来进行标定。

测量前将标准量块放入检测平台，量块上下表面的散射光分别在激光三角位移传感器的光电接收器线阵CCD上成像，将其成像位置标定为零位置，当换上被测件后由于光程改变，所以散射光斑经成像透镜后在线阵CCD 上的像点位置也发生改变，按照激光三角测距原理可知：
()ϕ
θ
δ
θ
ϕ
δ
∆
+
-
=
sin
sin
sin
1
1
1
1l
l（4）
同样可以测得∆2的长度，若标准件的厚度为D，那么被测透镜中心厚度L为：
()
2
1
∆
+
∆
±
=D
L（5）
Laser1
Laser2
图4.透镜中心厚度测量系统图
2.3激光三角位移传感器的设计
在透镜中心厚度检测系统中使用两个具有自准直功能的激光三角位移传感器来对透镜中心定位并对透镜中心厚度进行测量，因此激光三角位移传感器是本套系统中的核心部件，系统采用的是直射式结构的激光三角位移传感器，其结构如图5所示。

1
2
3
4 5
图5.激光三角位移传感器结构
1.LD光源
2.分光镜
3.准直系统
4.成像系统
5.线阵CCD
其中光源选择的是半导体激光二极管（LD），波长650nm，输出功率7mW。

线阵CCD采用的是TCD1708D，像元数为7450，像元大小为4.7μm×4.7μm×4.7μm（相邻像元中心距为 4.7μm），像元总长35.015mm，光谱响应峰值波长为550nm。

准直系统采用的是柱透镜与单透镜组合的方法对入射激光束准直、聚焦，在被测物体表面形成的光斑约为25μm。

成像系统选用的是双远心光学系统[6]，光路图如图6所示。

图7是双远心光学系统的MTF曲线。

图6.成像光学系统光路图
双远心光路是物方远心光路的像方焦点与像方远心光路的物方焦点相重合[7]。

当平行光进入物方远心光路后，出射光仍为平行光，所以双远心光路本质上是无焦系统。

双远心光路在非接触测量中具有重要的应用价值：当物距或像距发生微小移动时，各点的主光线不发生变化，从而在CCD上接收到的像长不变，从而避免了由于调焦误差或者对准误差引起测量误差[8]，提高了系统的测量精度。

双远心光学系统与单远心光学系统相比，其优势为视场内各点的视场角和放大率恒定，从而提高了采集图像的精度，更加减少了因物体或CCD沿光轴的横向移动引起的测量误差。

故双远心光学系统具有物方远心光路和像方远心光路两种光路的优势，可以应用于非接触的在线实时测量系统。

同时，采用双远心光路系统，可以省去复杂的实时自动调焦机构，既节约了硬件成本，同时也减少了软件处理工作的复杂性，为后续设计减轻了负担。

图7.成像系统MTF曲线
2.4透镜中心的确定方法
系统能够自动地对透镜中心进行快速准确的定位，末端装有吸盘的机械手臂将待测透镜抓取到检测平台上，系统采用精密的四维调整台来定位透镜的中心，四维调整台采用PZT驱动，该驱动反应时间快，定位精准，运动精度可达到亚微米级。

机械手臂将被测透镜放入调整台时，先利用冲击气流对被测透镜中心进行初步定位，然后观察入射光通过被测透镜后在CCD上的成像位置，判断被测透镜是否调平，当被测透镜中心法线与入射激光存在一定夹角或位移时，光斑不能在CCD中心成像，如图8所示，此时向反方向调整平移台，从而调整光斑成像的位置，经过计算机计算，反馈给调整台，直到光斑位于CCD中心，此时系统已经精确的找到了透镜的中心，并开始测量。

这种利用光电对准的方法避免了人眼睛的主观误差，提高了系统对透镜定心的精度，而且
也提高了测量效率，减轻了测试人员的劳动强度。

在确定了被测透镜的中心位置后，计算机控制透镜上下两端的两个激光三角位移传感器分别对透镜进行测量，并将测量结果输入计算机，最后经过软件处理输出透镜中心厚度的测量结果。

CCD
倾斜时
图8.确定透镜定位示意图
3.系统误差估算
系统采用标准件（成都威博恩光电有限公司生产的标准平晶）的测量方法，其自身原理误差不超过0.03μm ，激光三角探头工作距离引起的误差约为 1.1μm ，线阵CCD 引起的误差非常小可以忽略，成像透镜所引起的误差大约为2.5μm ，其它机械装调所引起的误差不超过1μm 。

由于系统采用的是两个激光三角探头，因此除了系统原理误差外，其余误差对测量结果造成的影响都是两次的，因此系统总的误差大约为：
4.23m
δμ==对于成像质量要求较高的光学系统，其透镜中心厚度公差要求一般在5μm 之内，因此，该测量系统的测量精度足以满足生产要求。

4．结论
本文所研究的基于激光三角法的透镜中心厚度检测系统主要是由激光三角位移传感器、机械手臂、精密四维调整台、计算机等系统组成，具有测量精度高，定心准确的优点，该测量系统由于采用了非接触式测量方法，因此测量精度相对于以往的接触式测量有了很大的提高，同时避免了测量时对透镜造成表面划伤。

系统测量范围达到0.5~20mm ，测量精度≤5μm 。

该系统在透镜
生产加工线上具有很高的应用价值。

参考文献
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计. 西安工业学院学报，2003，23(3)：235~236 [2] 赵丁选. 光机电一体化设计使用手册. 北京：化
学工业出版社 2003
[3] 张以谟. 应用光学. 北京：电子工业出版社
2008
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量激光光学探头.光学精密工程，1997，5(3)：83~89
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尺寸自动检测系统的光学系统设计.光学技术，1995，(5):4~6
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高精度视觉检测中的应用.测试技术学报，1998，12(3)：149~154
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