一种非接触测量光学零件厚度的方法

＊ 收稿日期：２０１４－０１－１６；收到修改稿日期：２０１４－０３－２４ Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｆｌｉａｎｇ２００４＠１６３．ｃｏｍ 作 者 简 介 ：梁 海 锋 （１９７９— ），男 ，博 士 ，副 教 授 ，主 要 从 事 功 能 薄 膜 和 光 学 检 测 方 面 的 研 究 。
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光 学 技 术 第 ４０ 卷
其缺点是：难以实 现 自 动 化，耗 费 大 量 的 劳 动 力；由 本文提出了一 种 基 于 电 扫 描、非 光 谱 和 机 械 扫
于采用了接触式测 量，一 些 软 质 光 学 材 料 的 光 学 零 描的光学零件 厚 度 测 量 方 法。 理 论 计 算 结 果 表 明，
件表面极易被划伤。
该方法可以实现大动态范围和相对高精度的在线测
ＬＩＡＮＧ Ｈａｉｆｅｎ，ＣＡＩ Ｐｅｉｆｅｎｇ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ ７１００３２，Ｓｈａｎｘｉ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ ｃｅｎｔｒａｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ，ａｎ ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ ｍｅａｓ－ ｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ－ｏｐｔｉｃａｌ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｍｏｖｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｐｏｉｎｔｓ ａｒｅ ａｃ－ ｑｕｉｒｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ａｘｉｓ ｗｈｅｎ ａｎｎｕｌａｒ ｌｉｇｈｔ ｐｒｏｄｕｃｅｄ ｂｙ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｗｉｔｃｈ ａｒｒａｙ ｃｒｏｓｓｅｓ ｔｈｅ ａｘｉ－ ｃｏｎ．Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ ｐｌａｃｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅ ｏｆ ｔｈｅｓｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｍｏｖｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｐｏｉｎｔｓ，ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌ－ ｅｍｅｎｔｓ ｃａｎ ｂｅ ｅｖａｌｕａｔｅｄ ｂｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｌｉｇｈｔ ｅｎｅｒｇｙ ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｌｉｇｈｔ ｅｎｅｒｇｙ ｃａｎ ｐｒｅｓｅｎｔ ａ ｐｅａｋ ｗｈｅｎ ｏｎｅ ｏｆ ｌｉｇｈｔ ｐｏｉｎｔｓ ｃｏｉｎｃｉｄｅｓ ｗｉｔｈ ａ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ．Ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｔｅｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｐａｒａｌｌｅｌ ｐｌａｎｅ ｐｌａｔｅ ａｎｄ ｌｅｎｓ ｃｅｎｔｒａｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ａｒｅ ｂｕｉｌｔ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｒａｎｇｅ ａｎｄ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｉｎ ｔｈｅｏｒｙ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｒａｎｇｅ ｆｏｒ ｐａｒａｌｌｅｌ ｐｌａｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｖａｒｉｅｓ ｆｒｏｍ ５５０７ｍｍ ｔｏ ２６ｍｍ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｅ ａｎｇｌｅ ｏｆ ａｘｉｃｏｎ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｆｒｏｍ １°ｔｏ ４０°，ｉｔｓ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｉｓ １．５２ａｎｄ ｉｔｓ ｒａｄｉｕｓ ｉｓ １００ｍｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｉｎｉ－ ｍｕｍ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｃｃｕｒａｃｙ ｃａｎ ｒｅａｃｈ ｔｏ ２．５μｍ ｗｉｔｈ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｒａｎｇｅ ｏｆ ２６ｍｍ．Ｉｔ ｃａｎ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ ｍｅａｓｕｒｅ－ ｍｅｎｔ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｅｎｔｒａｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ．
同理，如果待测零件是透镜，对透镜前表面的瞄 分别如式（３）～ 式（７）所示，式（７）中的未知量α 如
准等同于平板零件，而 对 后 表 面 的 瞄 准 需 要 考 虑 前 式（８）所示。另外，如果待测透镜的上表面为凹面，
第４０卷 第６期
光学技术
Ｖｏｌ．４０ Ｎｏ．６
２ ０ １ ４年１ １月 ＯＰＴＩＣＡＬ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ Ｎｏｖ． ２０１４
文 章 编 号 ：１００２－１５８２（２０１４）０６－０５３５－０４
源自文库
一种非接触测量光学零件厚度的方法＊
梁 海 锋 ，蔡 沛 峰
对透镜类光学零件中心厚度的高精度测量。另外一 改变环带状光束直 径，则 聚 焦 光 点 在 光 轴 上 依 次 远
类非接触测量仪器 采 用 的 是 自 准 直 原 理，通 过 扫 描 离／靠近锥透镜。放入待测零件后，当某一个聚焦光
使自准直点前后移动，瞄准待测零件的前后表面，进 点与零件表面重合时，反射光经过锥透镜、光开关和
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ；ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ａｘｉｃｏｎ
０ 引 言
近 几 年 来 ，随 着 光 电 类 消 费 品 的 应 用 和 发 展 ，对 光学系统的指标要 求 越 来 越 高；由 于 在 光 学 零 件 加 工 时 ，要 求 精 确 地 控 制 各 个 光 学 元 件 的 表 面 质 量 、中
的球差，导致厚度 测 量 结 果 精 度 远 远 低 于 １０μｍ，难 以满足实际生产的要求。另外一种基于扫描物镜的
测量方法，采用机 械 扫 描，速 度 慢，不 适 用 于 在 线 快
速测量和现场的工作环境 。 ［５］
图 １ 测 量 原 理 示 意 图
（ （ ） ）（ ）［ （ ） ］ ｄ
＝
（Ｒ２ －Ｒ１）·ｃｏｓ ａｒｃｓｉｎｎ１ｎｓｉ０ｎθ
在确定锥透镜的材料和 几 何 形 状 后，就 可 以 确 定ｎ１ 和θ，Ｒ２ 和 Ｒ１ 取决扫描控制信号和光开关的实际物
如果测量透镜的上表面曲 率 半 径 为 Ｒ，其 他 参 数 如 式（１）所述，经过几 何 计 算，测 待 测 透 镜 的 中 心 厚 度
理尺寸。
如公式（２）所 示。 式 （２）中 的 未 知 量θ４、ΔＤ、ｙ、Ψ、γ
利用待 测 零 件 上、下 表 面 上 光 点 的 散 射 光 成 像 在
ＣＣＤ 上，引入标定参数，计算 获 取 相 关 的 厚 度 信 息。 １ 测试原理
受 ＣＣＤ 像面大小的限制以及标定不确定性的影响， １．１ 原理和方法
目 前 商 用 的 激 光 三 角 法 测 距 仪 的 线 性 度 一 般 在 ±０．
ｔａｎ 烅烄ａｒｃｓｉｎ熿ｎ０ｓｉｎ ａｒｃｓｉｎ
ｎ１ｓｉｎθ ｎ０
烆燀
ｎ２
－θ
燄烌 烍·ｃｏｓθ·ｃｏｓ ａｒｃｓｉｎ
燅烎
ｎ１ｓｉｎθ ｎ０
－θ
（１）
式中ｎ２ 为待测零件在光源波长处的折射率；ｎ１ 为锥 表面曲率半径的影 响，即 计 算 公 式 中 将 包 含 前 表 面
透镜材料折 射 率；θ 为 其 锥 角；ｎ０ 为 空 气 的 折 射 率。 曲率半径的信息。 图 ２ 给 出 了 测 量 透 镜 的 示 意 图，
而获得待测零件的厚度尺寸。典型的扫描方法有机 准直物镜，最后到达探测器形成信号峰值，即瞄准该
械扫描和光谱扫描。Ｍａｔｔｈｉａｓ报道了采用光谱扫描 表面。在测量零件厚度的过程中，光开关扫描，形成
获得光学零件几何 厚 度 的 方 法，提 取 与 零 件 前 后 表 直径依次缩小／增大的环带状光束，同时记录探测器
面相对应的波谱峰位，反演获得零件的几何 厚 度 ； ［２］ 上的能量变化。在 该 过 程 中，由 于 有 两 个 聚 焦 光 点
ＣＮ１０１３４９５４５Ａ 公 开 了 一 种 装 置，其 基 本 原 理 与 分别瞄准零件的上、下表面，因此在探测器上出现两
Ｍａｔｔｈｉａｓ报道 的 类 似，装 置 的 几 何 结 构 经 改 进 后， 次能量峰值（图中 右 下 插 图 所 示），两 次 出 现 的 峰 值
如图１ 所 示，光 源 经 １ 分 ２ 光 纤 耦 合 到 准 直 物
１％［１］，对于一般 的 光 学 透 镜 以 及 光 学 平 板，其 厚 度 镜形成平行光出射，经过光开关的调制，形成不同直
一般在０．５～２０ｍｍ 之 间，利 用 这 种 方 法，很 难 实 现 径的环带状光束，通过锥透镜会聚在光轴上的一点，
（西安工业大学 光电工程学院，陕西 西安 ７１００３２）
摘 要：为了实现光学零件厚度的非接触测量，设计 了 一 种 基 于 电 光 扫 描 的 非 接 触 测 量 方 法 。 采 用 电 扫 描 技 术 控 制光开关，形成半径依次减小的环状光束，经过锥透镜后在光 轴 上 形 成 连 续 移 动 的 光 点 ，当 光 点 瞄 准 待 测 光 学 零 件 表 面 时，反射能量出现峰值，即定位了待测零件的表面，进而获得 光 学 零 件 的 几 何 厚 度 。建 立 了 测 量 平 板 零 件 厚 度 和 透 镜 中 心厚度的数学模型；从理论上探讨了该方法的测量范围和测量精度。结果 表 明：设 定 锥 面 镜 口 径 为 １００ｍｍ，材 料 折 射 率 为１．５２，当锥面镜的锥角从１°变化到４０°时，测量动态范围可以 从 ５５０７ｍｍ 变 化 到 ２６ｍｍ；当 测 量 范 围 为 ２６ｍｍ 时，测 量 精 度 可 以 达 到 ２．５μｍ。 该 方 法 可 基 本 满 足 目 前 光 学 零 件 中 心 厚 度 的 测 量 需 求 。
度测量范围），限制 了 其 测 量 范 围，一 般 在 几 毫 米 到
二十毫米之 间［２］；对 光 谱 仪 分 辨 率 的 要 求 极 高。 如
采用 ２ｎｍ 的 分 辨 率，测 量 范 围 在 ２０ｍｍ 的 光 谱
仪 ［４］，其 测 量 的 线 性 度 约 为１０μｍ［２］。 如 果 应 用 于 透 镜厚度的测量，由于 测 试 光 线 透 过 透 镜 会 引 入 很 大
心厚度和中心偏等，所 以 要 求 测 量 工 具 具 有 更 高 的 测量精度，其中对光 学 零 件 中 心 厚 度 的 精 度 要 求 从 最 初 的 几 十 微 米 到 十 几 微 米，甚 至 达 到 目 前 的 １０μｍ 以下。然 而 在 目 前 的 光 学 冷 加 工 领 域，仍 然 用千分表测量光学平板的厚度和透镜的中心厚度。
适合测量具有柱面结构的零件厚度 。 ［３］ 该类型 的 装 分别 对 应 于 两 个 不 同 环 带 状 光 束 的 半 径 （Ｒ２ 和
置需要昂贵的光纤 光 谱 仪 作 为 探 测 单 元，可 用 的 波 Ｒ１），则可按照式（１）计 算 待 测 光 学 平 板 零 件 的 几 何
长范围较窄，对应的光学镜头的离焦量有限（对应厚 厚度。
目前 的 非 接 触 测 量 方 法 均 不 同 时 具 备 快 速、非 量。本文给出了厚 度 测 量 的 数 学 模 型，分 析 了 测 量
接触和高精度测量 的 特 点，不 能 满 足 实 际 生 产 的 应 精度和范围。有望在光学冷加工领域实现非接触、高
用。其中激光三角 测 距 是 典 型 的 成 像 型 测 厚 方 法， 精度、高效率测量光学平板和光学透镜的中心厚度。
关 键 词：非接触测量；光学零件；厚度测量；锥透镜 中 图 分 类 号 ：ＴＨ７０６ 文 献 标 识 码 ：Ａ DOI:10.13741/j.cnki.11-1879/o4.2014.06.011
Ｎｏｎ－ｃｏｎｔａｃｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ