CN109764817A - 非接触式透镜中心厚测量***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非接触式透镜中心厚测量***，包括：探头、上位机、样件夹持装置、Z轴电动平移台模块、电子控制模块及探头支撑结构。本发明还提供一种非接触式透镜中心厚测量方法，Z轴电动平移台模块带动待测透镜移动，每移动一定距离拍摄物点阵列的反射图像，上位机实时计算物点图像的尺寸，记录每个物点对应的共轭平面位置信息并拟合获得透镜表面中心处的面形，进一步计算两个表面顶点的距离获得透镜中心厚。具有非接触的优点，避免了测量对透镜表面质量的影响，同时克服了透镜安装倾斜的影响，提高了测量效率。

Description

非接触式透镜中心厚测量***及方法

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，尤其涉及一种非接触式透镜中心厚测量***及方法。

背景技术

光学透镜可操控光线轨迹，在各种光学***中应用广泛。透镜中心厚是影响透镜加工精度的重要参数，其加工误差可能导致透镜焦距的变化进而导致***实际光学参数与设计参数不符，降低了光学性能。高性能光学***产品对透镜中心厚公差有严格的要求，因此在加工完成后对透镜中心厚进行高精度的检测是必不可少的环节。

目前，在透镜中心厚测量方式中，接触式测量方式是使用探头与透镜表面接触并移动探头，通过探头的位置间接获得表面的面形信息，但探头容易造成表面划痕且在移动过程中探头易发生磨损，降低了测量精度。为解决上述技术问题，本领域技术人员提出非接触式测量方式，非接触式测量方式包括：图像法、共面容法、共焦法、干涉法等，是目前中心厚测量的发展方向，具有准确不损伤表面的优点。公开号为CN104154869A的专利公开了一种白光干涉透镜中心厚度测量***及方法，具有测量准确、分辨率高的优点，但其成本较高，难以广泛应用。公开号为CN102435146的专利公开了一种基于共焦法测量透镜中心厚的装置，其装置复杂，成本较高，测量繁琐。

因此，目前的光学透镜中心厚的非接触式测量方式具有装置复杂、成本较高及测量繁琐的技术问题，在普通的光学工厂中仍未普及。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种非接触式透镜中心厚测量***及方法。

为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。

本发明采用如下技术方案：

在一些可选的实施例中，提供一种非接触式透镜中心厚测量***，包括：探头及上位机；

探头，用于向待测透镜的上表面及下表面投影物点阵列，并且在所述待测透镜每移动一定距离后拍摄物点阵列的反射图像；

上位机，包括：

图像处理单元，用于计算物点阵列的反射图像中的物点尺寸；

面形计算单元，用于当物点尺寸最小时记录每个物点对应的共轭平面位置信息并拟合，以获取透镜表面中心处的面形；

检测结果输出单元，用于根据透镜表面中心处的面形计算两个表面顶点的距离，以获得透镜中心厚数值。

在一些可选的实施例中，所述探头数量为两个，分别位于所述待测透镜的上、下两侧；所述探头包括：分光镜、显微物镜、探测器及物点阵列产生装置，所述物点阵列产生装置产生的物点阵列光路依次经过所述分光镜、显微物镜后投影在所述待测透镜的表面，所述探测器拍摄物点阵列的反射图像。

在一些可选的实施例中，所述的非接触式透镜中心厚测量***，还包括：样件夹持装置及Z轴电动平移台模块，所述待测透镜被夹持在所述样件夹持装置上，所述Z轴电动平移台模块用于带动所述样件夹持装置移动，从而使得所述待测透镜在两个探头之间进行移动。

在一些可选的实施例中，所述Z轴电动平移台模块包括：位置测量单元及平移台，所述样件夹持装置设置在所述平移台上，所述位置测量单元用于测量所述平移台的位置。

在一些可选的实施例中，所述的非接触式透镜中心厚测量***，还包括：电子控制模块；所述电子控制模块包括：微处理器及电机驱动单元；所述微处理器，用于接收所述上位机的指令，通过所述电机驱动单元控制所述Z轴电动平移台模块的电机进行动作，并且实时读取所述位置测量单元测出的位置数据。

在一些可选的实施例中，所述物点阵列产生装置为液晶屏。

在一些可选的实施例中，所述物点阵列产生装置为小孔阵列或微透镜阵列；所述探头还包括：照明光源，所述照明光源产生的光源经所述小孔阵列或所述微透镜阵列产生物点阵列光路并照射在所述分光镜上。

在一些可选的实施例中，所述电子控制模块还包括：照明驱动单元；所述微处理器通过所述照明驱动单元控制所述照明光源的通断。

在一些可选的实施例中，所述上位机还包括：图像采集单元，用于获取所述探头上传的物点阵列的反射图像。

在一些可选的实施例中，本发明还提供一种非接触式透镜中心厚测量方法，包括：

探头向待测透镜的上表面及下表面投影物点阵列，并且在所述待测透镜每移动一定距离后拍摄物点阵列的反射图像；

所述探头将拍摄的待测透镜上表面的物点阵列反射图像以及下表面的物点阵列反射图像上传至上位机；

所述上位机实时计算物点阵列的反射图像中物点的尺寸；

当物点尺寸最小时，所述上位机记录每个物点所对应的共轭平面位置信息并拟合，以获得透镜表面中心处的面形；

所述上位机根据透镜表面中心处的面形计算两个表面顶点的距离，以获得透镜中心厚数值。

本发明所带来的有益效果：本发明基于光学共焦技术测量透镜表面的深度信息，以计算透镜中心厚，相比现有探针法测量具有非接触的优点，能够避免对透镜表面的损伤；本发明通过直接投影物点阵列的方式克服了传统共焦技术只投影单个光点导致效率较低的问题，无需移动物点即可拟合获得透镜表面中心处面形；本发明通过拟合透镜表面中心处面形的方式可获得透镜倾斜的角度，降低了对透镜安装精度的要求；结构简单，成本低廉，操作方式简单，同时可以保证测量的准确度。

附图说明

图1是本发明一种非接触式透镜中心厚测量***的结构示意图；

图2是本发明一种非接触式透镜中心厚测量***的模块示意图；

图3是本发明探头在其中一种实施例中的结构示意图；

图4是本发明探头在另一种实施例中的结构示意图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。

如图1和2所示，在一些说明性的实施例中，本发明提供一种非接触式透镜中心厚测量***，包括：探头1、上位机2、样件夹持装置3、Z轴电动平移台模块4、电子控制模块5及探头支撑结构6。

探头1数量为两个，分别为上表面探头11及下表面探头12，分别位于待测透镜7的上、下两侧。上表面探头11用于向待测透镜7的上表面投影物点阵列，并且在待测透镜7每移动一定距离后拍摄物点阵列的反射图像；下表面探头12用于向待测透镜7的下表面投影物点阵列，并且在待测透镜7每移动一定距离后拍摄物点阵列的反射图像。其中，待测透镜7每段移动的距离根据测量情况预先设定。

上位机2包括：图像采集单元21、图像处理单元22、面形计算单元23及检测结果输出单元24。

图像采集单元21，用于获取探头1上传的物点阵列的反射图像，上位机2通过USB或者千兆网接口采集物点阵列的反射图像。

图像处理单元22，用于计算物点阵列的反射图像中的物点尺寸。其中，物点尺寸的计算方式为目前常用的图像处理技术，首先使用一给定阈值二值化图像，然后使用连通域技术分割不同的光点，最后计算每一个光点所占的像素数目作为其物点尺寸。

面形计算单元23，用于当物点尺寸最小时记录每个物点对应的共轭平面位置信息并拟合，以获取透镜表面中心处的面形，当物点尺寸最小时表明透镜表面与探测平面共轭。

物点尺寸达到最小值的判断方式为，每当待测透镜7移动一定距离后计算每个物点的尺寸，比较待测透镜7在不同位置时的物点尺寸，即可判断出物点尺寸是否达到最小值。

上下移动待测透镜7时，若物点位于待测透镜7表面且测量出的物点尺寸最小，此时记录下物点尺寸最小时探头1的上下位置，即反应了待测透镜7表面的起伏，也即是共轭平面位置信息。

待测透镜7表面是连续变化的面形，但物点数目有限，由阵列的数量决定，为了反应连续变化的面形，需要通过有限点拟合获得具体的面形表达式。由于透镜表面为球面，因此拟合后可获得面形的半径及球心。其中，拟合使用最小二乘法，为现有技术，这里不再赘述。

探测平面是指探头1的探测器15的表面，当待测透镜7表面处于聚焦状态时，物点尺寸最小，探测器15的表面理论上与透镜表面共轭。

检测结果输出单元24，用于根据透镜表面中心处的面形计算两个表面顶点的距离，以获得透镜中心厚数值。

探头支撑结构6的数量为两个，上表面探头11与下表面探头12分别设置在两个探头支撑结构6上，探头支撑结构6对探头1进行调节，方便装配时调节上表面探头11与下表面探头12，使得两者的光轴近似重合。

待测透镜7被夹持在样件夹持装置3上，Z轴电动平移台模块4带动样件夹持装置3移动，从而使得待测透镜7在上表面探头11与下表面探头12之间进行移动。样件夹持装置3使用自定心夹具，可夹持不同半径及不同厚度透镜，Z轴电动平移台模块4带动待测透镜7移动，每移动一定距离探头1拍摄物点阵列的反射图像。

Z轴电动平移台模块4包括：带刹车的步进电机41、位置测量单元42及平移台43，样件夹持装置3设置在平移台上，位置测量单元用于测量平移台的位置。平移台带动待测透镜7上下移动，移动分辨率高于1μm。位置测量单元使用光栅尺或者千分尺，可测量平移台移动的相对距离，测量分辨率高于1μm，精度高于2μm。

电子控制模块5包括：微处理器51、电机驱动单元52及电源单元53。电机驱动单元52使用光耦隔离微处理器及电机驱动器，将微处理器51产生的TTL电平转化为24V电平输出，驱动Z轴电动平移台模块4的电机进行运作。电源单元53用于将220V交流电转换为24V及5V直流电源供给电子控制模块5内各个单元。

微处理器51用于接收上位机2的指令，通过电机驱动单元52控制Z轴电动平移台模块4的电机进行动作，带动待测透镜7在两个探头之间进行移动，微处理器51实时读取位置测量单元测出的位置数据，每当待测透镜7移动一定距离后控制Z轴电动平移台模块4的电机停止动作，此时探头1开始拍摄，拍摄完成后，微处理器51控制Z轴电动平移台模块4的电机继续动作。

如图3和4所示，探头1包括：分光镜13、显微物镜14、探测器15及物点阵列产生装置16，物点阵列产生装置16产生的物点阵列光路依次经过分光镜13、显微物镜14后投影在待测透镜7的表面，探测器15拍摄物点阵列的反射图像。探测器15选用相机，相机为工业相机或者USB通用摄像头，前者具有USB或者千兆网接口，使用定制驱动软件，后者使用通用USB驱动。

如图3所示，在一些说明性的实施例中，物点阵列产生装置16为液晶屏，液晶屏直接显示出物点阵列，物点阵列光路在投影在探头1上。

如图4所示，在一些说明性的实施例中，物点阵列产生装置16为小孔阵列或微透镜阵列，小孔阵列或微透镜阵列需与照明光源17配合。探头1还包括：照明光源17，照明光源17产生的光源经小孔阵列或微透镜阵列产生物点阵列光路并照射在分光镜13上。使用显微物镜14投影物点阵并通过分光镜13将照明光源17及探测光路重合，保证物点阵列与探测平面共轭。

电子控制模块5还包括：照明驱动单元54；微处理器51通过照明驱动单元54控制照明光源17的通断。电源单元53用于将220V交流电转换为24V及5V直流电源供给电子控制模块5内各个单元，其中24V电源供给电机，5V电源供给微处理器51、电机驱动单元52及照明驱动单元54。

其中，待测透镜7具有圆形孔径且为旋转对称曲面，不可为自由曲面。

在一些说明性的实施例中，本发明还提供一种非接触式透镜中心厚测量方法，包括：

S1：探头向待测透镜的上表面及下表面投影物点阵列，并且在待测透镜移动过程中实时拍摄物点阵列的反射图像。

S2：探头将拍摄的待测透镜上表面的物点阵列反射图像以及下表面的物点阵列反射图像上传至上位机。

S3：所述上位机实时计算物点阵列的反射图像中物点的尺寸。

其中，物点尺寸的计算方式为目前常用的图像处理技术，首先使用一给定阈值二值化图像，然后使用连通域技术分割不同的光点，最后计算每一个光点所占的像素数目作为其物点尺寸。

S4：当物点尺寸最小时，所述上位机记录每个物点所对应的共轭平面位置信息并拟合，以获得透镜表面中心处的面形。

物点尺寸达到最小值的判断方式为，每当待测透镜移动一定距离后计算每个物点的尺寸，比较待测透镜7在不同位置时的物点尺寸，即可判断出物点尺寸是否达到最小值。

上下移动待测透镜时，若物点位于待测透镜表面且测量出的物点尺寸最小，此时记录下物点尺寸最小时探头的上下位置，即反应了待测透镜表面的起伏，也即是共轭平面位置信息。

待测透镜表面是连续变化的面形，但物点数目有限，由阵列的数量决定，为了反应连续变化的面形，需要通过有限点拟合获得具体的面形表达式。由于透镜表面为球面，因此拟合后可获得面形的半径及球心。其中，拟合使用最小二乘法，为现有技术，这里不再赘述。

探测平面是指探头的探测器的表面，当待测透镜表面处于聚焦状态时，物点尺寸最小，探测器的表面理论上与透镜表面共轭。

S5：所述上位机根据透镜表面中心处的面形计算两个表面顶点的距离，以获得透镜中心厚数值。

本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个***所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

Claims (10)

1.非接触式透镜中心厚测量***，其特征在于，包括：探头及上位机；

探头，用于向待测透镜的上表面及下表面投影物点阵列，并且在所述待测透镜每移动一定距离后拍摄物点阵列的反射图像；

上位机，包括：

图像处理单元，用于计算物点阵列的反射图像中的物点尺寸；

面形计算单元，用于当物点尺寸最小时记录每个物点对应的共轭平面位置信息并拟合，以获取透镜表面中心处的面形；

检测结果输出单元，用于根据透镜表面中心处的面形计算两个表面顶点的距离，以获得透镜中心厚数值。

2.根据权利要求1所述的非接触式透镜中心厚测量***，其特征在于，所述探头数量为两个，分别位于所述待测透镜的上、下两侧；

所述探头包括：分光镜、显微物镜、探测器及物点阵列产生装置，所述物点阵列产生装置产生的物点阵列光路依次经过所述分光镜、显微物镜后投影在所述待测透镜的表面，所述探测器拍摄物点阵列的反射图像。

3.根据权利要求2所述的非接触式透镜中心厚测量***，其特征在于，还包括：样件夹持装置及Z轴电动平移台模块，所述待测透镜被夹持在所述样件夹持装置上，所述Z轴电动平移台模块用于带动所述样件夹持装置移动，从而使得所述待测透镜在两个探头之间进行移动。

4.根据权利要求3所述的非接触式透镜中心厚测量***，其特征在于，所述Z轴电动平移台模块包括：位置测量单元及平移台，所述样件夹持装置设置在所述平移台上，所述位置测量单元用于测量所述平移台的位置。

5.根据权利要求4所述的非接触式透镜中心厚测量***，其特征在于，还包括：电子控制模块；所述电子控制模块包括：微处理器及电机驱动单元；

所述微处理器，用于接收所述上位机的指令，通过所述电机驱动单元控制所述Z轴电动平移台模块的电机进行动作，并且实时读取所述位置测量单元测出的位置数据。

6.根据权利要求5所述的非接触式透镜中心厚测量***，其特征在于，所述物点阵列产生装置为液晶屏。

7.根据权利要求5所述的非接触式透镜中心厚测量***，其特征在于，所述物点阵列产生装置为小孔阵列或微透镜阵列；所述探头还包括：照明光源，所述照明光源产生的光源经所述小孔阵列或所述微透镜阵列产生物点阵列光路并照射在所述分光镜上。

8.根据权利要求7所述的非接触式透镜中心厚测量***，其特征在于，所述电子控制模块还包括：照明驱动单元；所述微处理器通过所述照明驱动单元控制所述照明光源的通断。

9.根据权利要求8所述的非接触式透镜中心厚测量***，其特征在于，所述上位机还包括：图像采集单元，用于获取所述探头上传的物点阵列的反射图像。

10.非接触式透镜中心厚测量方法，其特征在于，包括：

探头向待测透镜的上表面及下表面投影物点阵列，并且在所述待测透镜每移动一定距离后拍摄物点阵列的反射图像；

所述探头将拍摄的待测透镜上表面的物点阵列反射图像以及下表面的物点阵列反射图像上传至上位机；

所述上位机实时计算物点阵列的反射图像中物点的尺寸；

当物点尺寸最小时，所述上位机记录每个物点所对应的共轭平面位置信息并拟合，以获得透镜表面中心处的面形；

所述上位机根据透镜表面中心处的面形计算两个表面顶点的距离，以获得透镜中心厚数值。