一種光學零件幾何參數非接觸測量方法及其測量裝置的製作方法

2023-06-06 17:44:41 4

專利名稱：一種光學零件幾何參數非接觸測量方法及其測量裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於一種幾何量的非接觸光學測量領域，具體是一種光學零件幾何參數非 接觸測量方法及其測量裝置。
背景技術：
目前非接觸式的光學零件幾何參數(厚度、中心高、移動距離)的測量方法，主 要有光度型(機械掃描型)和光譜型。EP0248552A1公開了一種由斜入射的雷射器，測 量平板透明材料的厚度，以及CN1132348A中改進其光偏轉機構，此類設備僅僅用於平板 零件的厚度的檢測，不能檢測檢測平凹、平凸、凹凸等光學零件以及距離；JP5018716(A) 公開了一種基於掃描物鏡的零件幾何厚度的測量方法，由於機械掃描的應用，速度慢，不 適用於在線快速測量。Matthias和Jochen Schulza在Photonik(2004年第6期)發表 "MittendikkevonLinsen beruhrungslos messen」 中公布了一種利用光譜掃描獲得光學 零件的幾何厚度的方法，利用光譜掃描技術找到零件上下表面對應的兩個峰值波長，通 過計算獲得零件的幾何厚度；CN101349545A(公開號)公開了一種裝置，其基本原理同於 Matthias和Jochen Schulza的文章，在裝置的幾何結構上改進後，適合測量具有柱面結構 的零件厚度以及使用多臺設備集成後能夠提高空間解析度；JP2007024689(A)公開一種基 於光色散測量熱玻璃的幾何厚度，原理等同於Matthias和Jochen Schulza的文章。該類 型裝置由於原理是基於光色散，因此需要昂貴的光譜儀作為探測元件；並且可用的波長範 圍有限，以至於所設計光學鏡頭的離焦量有限，限制其測量範圍，一般在幾十毫米之下；並 且要求譜儀解析度很高，設備成本昂貴。此外還有大家公知的利用幹涉進行非接觸測量的， 該類方法通過判讀幹涉圖，獲得被測零件的幾何參數信息，該類方法極易受到環境因素的 影響，比如振動等，且光路複雜。

發明內容
本發明要提供一種非接觸測量裝置以及對厚度、移動距離和中心高進行測量的方 法，以克服現有技術存在的速度慢，測量動態範圍小，成本昂貴，不適用於在線快速測量的 問題。為了克服現有技術存在的問題，本發明提供的技術方案是一種光學零件幾何參數非接觸測量方法對平行光進行電掃描光開關的調製，形 成環帶狀平行光，經錐透鏡(螺紋透鏡)會聚實現不同距離的會聚點，利用會聚點瞄準並識 別光學零件的表面，從而實現對光學零件幾何厚度、移動距離以及光學透鏡中心高的測量。一種光學零件厚度的非接觸測量方法，通過控制和計算單元控制光開關驅動來驅 動光開關形成直徑依次縮小/增大的透過帶，則經過光開關得平行光形成環帶狀平行光， 那麼通過透鏡後的會聚點沿光軸方向依次向後/向前移動，當會聚點分別瞄準零件的上、 下表面時，光路對稱原路返回，探測器上兩次出現能量峰值，兩次出現峰值一一對應於不同 的環狀光帶的半徑，那麼待測光學平板零件的幾何厚度按照下式計算 其中，θ是錐透鏡的錐角，η。是錐透鏡所用材料在光源波長處的折射率，n2是待測 零件的在光源波長處的折射率，R2和R1分別對應於兩次瞄準時的環狀光帶的半徑。一種光學零件移動距離的非接觸測量方法，通過控制和計算單元控制光開關驅動 6來驅動光開關形成直徑一次縮小/增大的透過帶，則經過光開關得平行光形成環帶狀平 行光，那麼通過透鏡後的會聚點沿光軸方向依次向後/向前移動，對零件的一個表面在移 動前後瞄準兩次，記錄探測器上的能量變化，獲得峰值能量對應的光帶半徑，那麼待測光學 零件的移動距離是 其中，θ是錐透鏡的錐角，nc是錐透鏡所用材料在光源波長處的折射率，R2和R1 分別對應於兩次瞄準時的環狀光帶的半徑。一種光學透鏡的中心高的非接觸測量方法，通過控制和計算單元控制光開關驅動 來驅動光開關形成直徑一次縮小/增大的透過帶，則經過光開關得平行光形成環帶狀平行 光，那麼通過透鏡後的會聚點沿光軸方向依次向後/向前移動。在某一光帶半徑時，經過錐 透鏡聚焦後，會聚點瞄準前表面，光路對稱返回，並且探測器上出現能量峰值，記下該時刻 的光帶的半徑R1，光帶半徑繼續增大，會聚點遠離光學系統，當光帶通過前表面，剛好會聚 於後表面時，光路對稱返回，則再次出現能量峰值，記下該時刻的光帶的半徑R2，在其它的 光帶半徑處，光路都不能對稱返回，因此探測器探測到能量很小，即我們找到了待測光學透 鏡的前後表面，待測光學零件的中心高是
對於測量上表面是凹面的透鏡，公式中的正負號取正，若上表面是凸面，則取負。 其中，AD、y、識、θ4都是H θ、η。和 的函數(Θ是錐透鏡的錐角，η。和Iitl分別是錐 透鏡所用材料和空氣在光源波長處的折射率，η2是待測零件的再光源波長處的折射率，R2 和R1分別對應於兩次瞄準時的環狀光帶的半徑)，顯然通過以上公式可以計算出透鏡中心
尚ο一種實現上述的光學零件幾何參數的非接觸測量方法的裝置，包括控制和計算單 元、探測器、光源、光纖、光開關驅動和測量組件，所述測量組件是在同一光軸上依次設置的 光欄、準直物鏡、第一光開關和第一透鏡，所述探測器9和光源分別與光纖相接，光纖的出 口設置於光欄的開口部位，控制和計算單元分別與探測器和光開關驅動相接，光開關驅動 與第一光開關相接。一種實現上述的光學零件幾何參數的非接觸測量方法的裝置，包括控制和計算單 元、光開關驅動、測量組件和探測光路組件，所述測量組件是在同一光軸上依次設置的光 源、準直物鏡、第一光開關、第一透鏡和分光鏡，所述探測光路組件是在分光鏡的反射光路 上依次設置的第二透鏡、第二光開關、成像物鏡、光欄和探測器，其中光開關驅動分別與第 一光開關和第二光開關相接，光開關驅動還通過控制和計算單元與探測器相接。上述第一透鏡和第二透鏡是錐透鏡或螺紋透鏡。上述光源是雷射光源或者LED光源。與現有技術相比，本發明具有以下優點和有益效果1、摒棄了光譜掃描和機械物鏡掃描的方法，利用光開關實現電掃描，比光譜掃描 類儀器成本低，穩定性好；比機械掃描類儀器速度快，適合快速在線測量。2、由於不存在所用光波波長的限制，可以實現比光譜掃描類儀器大的測量動態範圍。3、儀器結構簡單，容易加工，適用於工廠現場環境。


圖1本發明提供測量方法的一個裝置的結構示意圖；圖2是測量平板光學零件厚度的原理圖；圖3是分別瞄準前、後表面時採集到的能量峰值圖；圖4是透射環狀光帶的示意圖；圖5是測量零件位移距離的原理圖；圖6是測量光學零件(透鏡)的中心厚度的原理圖；圖7是本發明提供測量方法的另一個裝置的結構示意圖。
附圖標記如下1-光源，2-光纖，3-光欄，4-準直物鏡，5-第一光開關，6_光開關驅動，7_第一透 鏡，8-控制和計算單元，9-探測器，10-零件，11-透光帶，12-分光鏡，13-第二透鏡，14-第 二光開關，15-成像物鏡。
具體實施例方式下面將結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細地說明。一種光學零件幾何參數非接觸測量方法對平行光進行電掃描光開關的調製，形 成環帶狀平行光，經錐透鏡(螺紋透鏡)會聚實現不同距離的會聚點，利用會聚點瞄準並識 別光學零件的表面，從而實現對光學零件幾何厚度、移動距離以及光學透鏡中心高的測量。參見圖1，為了實現上述方法，本發明提供的一種光學零件幾何參數的非接觸測量 裝置，其光路形式是共光路形式。包括控制和計算單元8、探測器9、光源1、光纖2、光開關 驅動6和測量組件，所述測量組件是在同一光軸上依次設置的光欄3、準直物鏡4、第一光開 關5和第一透鏡7，所述探測器9和光源1分別與光纖2相接，光纖2的出口設置於光欄3 的開口部位，控制和計算單元8分別與探測器9和光開關驅動6相接，光開關驅動6與第一 光開關5相接。所說的第一透鏡7是錐透鏡，所說的光源1是具有良好單色性的LED光源。圖1中改變錐稜鏡的錐角θ和有效口徑，便可方便設計出不同測量動態範圍的設 備，具體的例子比如光學系統的有效口徑500毫米，錐稜鏡的錐角設計為20度，材料折射率 為1. 52，則系統的測量動態範圍可從0. 01毫米-410毫米，配合選用的光開關的物理分辨 率，可以從市場上購買到，測量靈敏度/解析度可達到2微米以下，配合相應的精度提高算 法，解析度可以進一步提高，在這種情況下完全可以滿足光學加工中透鏡等光學零件10的 幾何厚度的要求。下表給出幾種典型的設計結果 在錐透鏡的錐角為5度情況下，動態範圍達到1.8米，完全可以滿足大多數現場光學零件幾何參數的測量要求。實施例1，參見圖2和圖3。一種光學零件厚度的非接觸測量方法，通過控制和計算單元8控制光開關驅動6 來驅動光開關形成直徑依次縮小/增大的透過帶11，則經過光開關得平行光形成環帶狀平 行光，那麼通過透鏡後的會聚點沿光軸方向依次向後/向前移動，當會聚點分別瞄準零件 的上、下表面時，光路對稱原路返回，探測器9上兩次出現能量峰值，兩次出現峰值一一對 應於不同的環狀光帶的半徑，那麼待測光學平板零件的幾何厚度按照下式計算 其中，θ是錐透鏡的錐角，η。是錐透鏡所用材料在光源波長處的折射率，n2是待測 零件的在光源波長處的折射率，R2和R1分別對應於兩次瞄準時的環狀光帶的半徑。測量原理是光源1經過光纖2耦合併經準直系統成平行光，經過光開關的調製， 變成所需的不同直徑的光帶，通過錐透鏡會聚在光軸上一點，直徑由小變大則會聚點一次 遠離錐透鏡。其中某一個會聚點瞄準零件表面時，反射光經過錐透鏡、光開關和準直物鏡， 最後到達探測器9。在測量零件厚度過程中，通過控制和計算單元8控制光開關驅動6來 驅動第一光開關5形成直徑一次縮小/增大的光帶，同時記錄探測器9上的能量變化，有兩 個會聚點分別瞄準零件10的上、下表面，因此探測器9上兩次出現能量峰值，兩次出現峰值 一一對應於不同的環狀光帶的徑，那麼待測光學平板零件的幾何厚度。參見圖4，本圖是通過光開關驅動6控制第一光開關5，出射的光帶的示意圖，正是 通過該透光帶11的半徑的縮小和增大，來瞄準不同距離處的表面，實現距離、移動以及中 心高的測量的。實施例2，參見圖5。一種光學零件移動距離的非接觸測量方法，通過控制和計算單元8控制光開關驅 動6來驅動光開關形成直徑一次縮小/增大的透過帶11，則經過光開關得平行光形成環帶 狀平行光，那麼通過透鏡後的會聚點沿光軸方向依次向後/向前移動，對零件的一個表面 在移動前後瞄準兩次，記錄探測器上的能量變化，獲得峰值能量對應的光帶半徑，那麼待測 光學零件10的移動距離是 d =
(R2 -R1)- cos(arcsin n° s^n ^)
n0
sin(arcsi^^ s^n ^) _ Q cos θL no 」其中，θ是錐透鏡的錐角，nc是錐透鏡所用材料在光源波長處的折射率，R2和R1 分別對應於兩次瞄準時的環狀光帶的半徑。實施例3，參見圖6。一種光學透鏡的中心高的非接觸測量方法，通過控制和計算單元8控制光開關驅
8動6來驅動光開關形成直徑一次縮小/增大的透過帶11，則經過光開關得平行光形成環帶 狀平行光，那麼通過透鏡後的會聚點沿光軸方向依次向後/向前移動。在某一光帶半徑時， 經過錐透鏡聚焦後，會聚點瞄準前表面，光路對稱返回，並且探測器9上出現能量峰值，記 下該時刻的光帶的半徑R1，光帶半徑繼續增大，會聚點遠離光學系統，當光帶通過前表面， 剛好會聚於後表面時，光路對稱返回，則再次出現能量峰值，記下該時刻的光帶的半徑R2, 在其它的光帶半徑處，光路都不能對稱返回，因此探測器探測到能量很小，即我們找到了待 測光學透鏡的前後表面，待測光學零件的中心高是
其中氏=

對於測量上表面是凹面的透鏡，公式中的正負號取正，若上表面是凸面，則取負。 其中，AD、y、P、θ4都是R2、Rl、θ、n。和n(|的函數(θ是錐透鏡的錐角，η。和Iitl分別是錐 透鏡所用材料和空氣在光源波長處的折射率，η2是待測零件的再光源波長處的折射率，R2 和R1分別對應於兩次瞄準時的環狀光帶的半徑)，顯然通過以上公式可以計算出透鏡中心
尚ο上述實例，類似於測量平板零件10的厚度，區別在於厚度反演中需要用到上表面 的曲率半徑。為了實現上述方法，本發明提供的另一種光學零件幾何參數的非接觸測量裝置， 參見圖7 其光路形式是分光路形式，包括控制和計算單元8、光開關驅動6、測量組件和探測光路組件，所述測量組件 是在同一光軸上依次設置的光源1、準直物鏡4、第一光開關5、第一透鏡7和分光鏡12，所 述探測光路組件是在分光鏡12的反射光路上依次設置的第二透鏡13、第二光開關14、成像 物鏡15、光欄3和探測器9，其中光開關驅動6分別與第一光開關5和第二光開關14相接， 光開關驅動6還通過控制和計算單元8與探測器9相接。所說的第一透鏡7和第二透鏡13是螺紋透鏡；所說的光源是1是具有良好單色性的雷射光源。其優點在於探測器9上獲得 的零件10前後表面的信號的信噪比較高。 與前面所述的裝置的工作原理不同之處在於從零件表面反射的光在分光鏡12處 反射到透鏡13、光開關14和成像物鏡15組成的探測光路，進入探測器9。
權利要求
一種光學零件幾何參數非接觸測量方法是對平行光進行電掃描光開關的調製，形成環帶狀平行光，經錐透鏡(螺紋透鏡)會聚實現不同距離的會聚點，利用會聚點瞄準並識別光學零件的表面，從而實現對光學零件幾何厚度、移動距離以及光學透鏡中心高的測量。
2.如權利要求1所述的一種光學零件厚度的非接觸測量方法，其特徵在於通過計算 和控制單元控制光開關驅動來驅動光開關形成直徑依次縮小/增大的透過帶，則經過光開 關得平行光形成環帶狀平行光，那麼通過透鏡後的會聚點沿光軸方向依次向後/向前移 動，當會聚點分別瞄準零件的上、下表面時，光路對稱原路返回，探測器上兩次出現能量峰 值，兩次出現峰值一一對應於不同的環狀光帶的半徑，那麼待測光學平板零件的幾何厚度 按照下式計算 其中，θ是錐透鏡的錐角，η。是錐透鏡所用材料在光源波長處的折射率，n2是待測零件 的在光源波長處的折射率，R2和R1分別對應於兩次瞄準時的環狀光帶的半徑。
3.如權利要求1所述的一種光學零件移動距離的非接觸測量方法，通過計算和控制單 元控制光開關驅動來驅動光開關形成直徑一次縮小/增大的透過帶，則經過光開關得平行 光形成環帶狀平行光，那麼通過透鏡後的會聚點沿光軸方向依次向後/向前移動，對零件 的一個表面在移動前後瞄準兩次，記錄探測器上的能量變化，獲得峰值能量對應的光帶半 徑，那麼待測光學零件的移動距離是 其中，θ是錐透鏡的錐角，nc是錐透鏡所用材料在光源波長處的折射率，R2和R1分別 對應於兩次瞄準時的環狀光帶的半徑。
4.如權利要求1所述的一種光學透鏡的中心高的非接觸測量方法，通過計算和控制單 元控制光開關驅動來驅動光開關形成直徑一次縮小/增大的透過帶，則經過光開關得平行 光形成環帶狀平行光，那麼通過透鏡後的會聚點沿光軸方向依次向後/向前移動；在某一 光帶半徑時，經過錐透鏡聚焦後，會聚點瞄準前表面，光路對稱返回，並且探測器上出現能 量峰值，記下該時刻的光帶的半徑R1，光帶半徑繼續增大，會聚點遠離光學系統，當光帶通 過前表面，剛好會聚於後表面時，光路對稱返回，則再次出現能量峰值，記下該時刻的光帶 的半徑R2，在其它的光帶半徑處，光路都不能對稱返回，因此探測器探測到能量很小，即我 們找到了待測光學透鏡的前後表面，待測光學零件的中心高是 其中 對於測量上表面是凹面的透鏡，公式中的正負號取正，若上表面是凸面，則取負。其中， AD、y、0、θ4都是R2、Rl、θ、n。和n(|的函數(θ是錐透鏡的錐角，η。和Iitl分別是錐透鏡 所用材料和空氣在光源波長處的折射率，η2是待測零件的再光源波長處的折射率，R2和R1 分別對應於兩次瞄準時的環狀光帶的半徑)，顯然通過以上公式可以計算出透鏡中心高。
5.如權利要求1所述的一種實現上述的光學零件幾何參數的非接觸測量方法的裝置， 其特徵在於包括控制和計算單元(8)、探測器(9)、光源(1)、光纖(2)、光開關驅動(6)和 測量組件，所述測量組件是在同一光軸上依次設置的光欄(3)、準直物鏡(4)、第一光開關 (5)和第一透鏡(7)，所述探測器(9)和光源(1)分別與光纖(2)相接，光纖(2)的出口設 置於光欄(3)的開口部位，控制和計算單元(8)分別與探測器(9)和光開關驅動(6)相接， 光開關驅動(6)與第一光開關(5)相接。
6.如權利要求1所述的一種實現上述的光學零件幾何參數的非接觸測量方法的裝置， 其特徵在於包括控制和計算單元(8)、光開關驅動(6)、測量組件和探測光路組件，所述 測量組件是在同一光軸上依次設置的光源(1)、準直物鏡(4)、第一光開關(5)、第一透鏡 (7)和分光鏡(12)，所述探測光路組件是在分光鏡(12)的反射光路上依次設置的第二透鏡 (13)、第二光開關(14)、成像物鏡(15)、光欄(3)和探測器(9)，其中光開關驅動(6)分別與 第一光開關(5)和第二光開關(14)相接，光開關驅動(6)還通過控制和計算單元(8)與探 測器(9)相接。
7.如權利要求5或6所述的一種實現上述的光學零件幾何參數的非接觸測量方法的裝 置，其特徵在於所述第一透鏡(7)和第二透鏡(13)是錐透鏡或螺紋透鏡。
8.如權利要求5或6所述的一種實現上述的光學零件幾何參數的非接觸測量方法的裝 置，其特徵在於所述光源(1)是雷射光源或者LED光源。
全文摘要
本發明屬於一種幾何量的非接觸光學測量領域，具體是一種光學零件幾何參數非接觸測量方法及其測量裝置。本發明要克服現有技術存在的速度慢，測量動態範圍小，成本昂貴，不適用於在線快速測量的問題。為了克服現有技術存在的問題，本發明提供的技術方案是一種光學零件幾何參數非接觸測量方法對平行光進行電掃描光開關的調製，形成環帶狀平行光，經錐透鏡(螺紋透鏡)會聚實現不同距離的會聚點，利用會聚點瞄準並識別光學零件的表面，從而實現對光學零件幾何厚度、移動距離以及光學透鏡中心高的測量。本發明具有以下優點成本低，穩定性好，適合快速在線測量，可以實現比光譜掃描類儀器大的測量動態範圍，同時儀器結構簡單，容易加工。
文檔編號G01B11/06GK101922919SQ20101027372
公開日2010年12月22日 申請日期2010年9月7日 優先權日2010年9月7日
發明者劉纏牢, 梁海鋒 申請人:西安工業大學