1、 透鏡中心厚度的在線非接觸測量系統 摘要：透鏡中心厚度檢測是透鏡生產中的一個重要環節，傳統的方法是采用接觸式測量法，這種檢測法精度低、耗時長、容易劃傷透鏡并且無法實現實時在線測量。本文設計了一種基于激光三角法測距原理的透鏡中心厚度檢測系統，該系統是一種新型的非接觸測量系統，測量精度高，并且實現了生產線上的實時測量。論文首先介紹了激光三角法測距的基本原理，其次介紹了透鏡中心厚度檢測系統的結構組成，系統采用精密的四維調整臺和改進的激光三角探頭對透鏡中心進行精確定位，定位精度可以達到亞微米級，系統用兩個性能指標完全一樣的激光三角探頭進行測量，達到了較好的測量效果，測量范圍為0.520mm。最后，論文

2、通過對系統的誤差來源進行分析，得出了系統的測量精度，透鏡中心厚度檢測系統的測量精度5mm。關鍵詞：非接觸測量，激光三角法，透鏡中心厚度檢測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引言透鏡是光學系統中最基本的元件，現代光學儀器要求具有非常高的成像質量，這就對透鏡的加工質量提出了很高的要求，加工出來的透鏡必須嚴格限制在公差范圍內。在透鏡的生產過程中，透鏡中心厚度是一個很重要的參數，它對透鏡的焦距和曲率半徑都有影響，關系著成像質量的好壞，因此需要在生產線上

7、實現對透鏡中心厚度的自動、實時檢測，這對于提高生產效率，減小測量誤差，保障透鏡質量具有重要意義。傳統的透鏡中心厚度檢測方法是采用接觸式測量或者是利用干涉法測量，采用接觸式測量需要將檢測頭與透鏡相接觸，這很容易對透鏡造成劃傷，而且接觸式測量很難準確找到透鏡的中心位置，因此測量的精度也比較低；而干涉法測量雖然能達到較高的測量精度，但是容易受到周圍空氣的擾動，測量的穩定較差1。本文設計了一種基于激光三角法的透鏡中心厚度檢測系統，系統采用兩個高精度的激光三角位移傳感器和PZT驅動的精密四維調整臺，可以快速準確的對透鏡中心進行定位，而且也保證了測量具有很高的精度，該系統屬于非接觸式測量，與傳統的透鏡中心

8、厚度檢測方法相比較具有測量精度高、測量速度快、實時在線測量的優點2，并且不會對透鏡表面造成劃傷。1.激光三角法測量原理激光三角法是一種非接觸式測量方法，利用光電探測器將物體位移量的光學信號轉變為電信號，經過后續電路處理后，將物體的位移以數字形式輸出，基本原理如圖1所示，激光器發出的激光束經準直聚焦光學系統后入射到被測物體表面上，經該點漫反射的光通過成像光學系統后成像在光電探測器的光敏面上，當被測物體沿著光入射方向移動，或者表面發生變化時，入射光斑相對于原來位置產生變化，其相應的像點經過成像光學系統后在光電探測器光敏面上的位置也會發生變化，只要通過測量光電探測器光敏面上像點的位移d就可以計算出被

9、測物體的位移量DH。因為入射激光與反射激光形成一個三角形，因此這種測量方法被稱為激光三角法。激光三角法按入射光線與被測表面法線的關系分為直射式激光三角法和斜射式激光三角法兩種結構。本文中選用的是直射式激光三角法，為了提高測量的精度，在本系統中選擇激光二極管（LD）作為激光三角位移傳感器的發射光源，線陣CCD作為光電探測器。 圖1.激光三角法測距原理圖在直射式激光三角測距結構中，入射光束垂直于被測表面，只有一個準確的調焦位置，而其余位置的像都處于不同程度的離焦狀態，從而引起像點的彌散3，使系統的測量不完全，產生較大的誤差。為了提高系統的測量精度，使光點所成的像在光電探測器線陣CCD接收面上每一點

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三者延長線相交于一點，如圖1中P點。其中l0和l1分別為物距和像距，物體的實際位移量DH，像點在線陣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。假設入射激光照射到被測物表面上的光斑正好落在成像物鏡的光軸上，選該點作為測量的基準點，即圖中的O點。按照幾何光學近軸成像公式以及相似三角形邊角關系，可以推導出物點位移與像點位移之間的關系為： （1）（被測面從基準點向上移動取“-”，向下移動取“+”）當物體的位移較小時，所以上式可以近似為： （2），是

11、一個常數，可以看出當物體發生微小位移時，d-DH近似成線性關系。但是在實際測量過程中，物點位移和像點位移之間的關系是由式（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系統的橫向放大倍率。對于設計好的激光三角位移傳感器，其l0、l1、q、f都是已經確定的值，因此只要知道像點的位移d，就可以計算出被測物體的位移量。由于激光三角法測量具有測量精度高，非接觸測量的優點，該測量方法已經廣泛應用于現代工業精密測量領域中5。2.基于激光三角法測量透鏡中心厚度的方法2.1系統總體結構透鏡中心厚度測量系統是基于激光三角法測距原理的非接

12、觸式、實時在線測量系統，系統總體框架如圖2所示。圖2.透鏡中心厚度檢測系統框架圖系統主要是由帶有吸盤的機械手臂、PZT驅動的精密四維調整臺、高精度的激光三角位移傳感器、測量平臺及計算機組成，如圖3所示。計算機控制的機械手臂1將被測透鏡送到檢測平臺上，并通過PZT驅動的精密四維調整臺和具有自準直功能的激光三角位移傳感器來對透鏡中心定位，帶有自準直功能的激光三角位移傳感器會將透鏡中心的定位情況反饋給計算機，直到準確的找到透鏡的中心位置。在確定了被測透鏡的中心后，兩個激光三角位移傳感器開始對透鏡進行精密測量，并將測量結果輸入到計算機，計算機經過后續處理以數字形式輸出透鏡的中心厚度，完成透鏡中心厚度的

13、檢測。如果透鏡中心厚度在允許的公差范圍內，透鏡將會被送往下一生產線上；如果透鏡的中心厚度超出了公差允許的范圍，就意味著被檢測的透鏡不合格，計算機將會報警并控制機械手臂2將質量不合格的透鏡揀出，這樣系統實現了高度的自動化和集成化，可以廣泛應用于透鏡生產線上，具有很高的應用價值。圖3透鏡中心厚度檢測系統結構示意圖2.2系統工作過程如圖4所示，系統工作時，首先將兩個激光三角位移傳感器分別夾持在檢測平臺上下兩端，然后在檢測平臺上放置一個平行平板，激光三角探頭1發出的激光入射到平行平板上，調整該平板的位置，使光束垂直入射到平行平板上并且經平行平板反射的光通過分光鏡后在CCD1中心成像，利用相同的原理再對

14、另一個激光三角探頭2進行定位，此時保持平行平板不動，調整激光三角探頭2 的位置，使探頭2發出的入射激光垂直入射到平行平板，并且反射光經過分光鏡后在CCD2中心成像，這樣上下兩個探頭發出的兩路光分別在兩個CCD中心成像，從而實現系統的自準直。在對被測件測量之前，先要對系統進行標定，選擇一個標準量塊來進行標定。測量前將標準量塊放入檢測平臺，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，將其成像位置標定為零位置，當換上被測件后由于光程改變，所以散射光斑經成像透鏡后在線陣CCD上的像點位置也發生改變，按照激光三角測距原理可知： （4）同樣可以測得D2的長度，若標準件的厚度為

15、D，那么被測透鏡中心厚度L為： （5） 圖4.透鏡中心厚度測量系統圖2.3激光三角位移傳感器的設計在透鏡中心厚度檢測系統中使用兩個具有自準直功能的激光三角位移傳感器來對透鏡中心定位并對透鏡中心厚度進行測量，因此激光三角位移傳感器是本套系統中的核心部件，系統采用的是直射式結構的激光三角位移傳感器，其結構如圖5所示。圖5.激光三角位移傳感器結構1.LD光源 2.分光鏡 3.準直系統4.成像系統 5.線陣CCD其中光源選擇的是半導體激光二極管（LD），波長650nm，輸出功率7mW。線陣CCD采用的是TCD1708D，像元數為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35.015mm，光譜響應峰值波長為550nm。準直系統采用的是柱透鏡與單透鏡組合的方法對入射激光束準直、聚焦，在被測物體表面形成的光斑約為25mm。成像系統選用的是雙遠心光學系統6，光路圖如圖6所示。圖7是雙遠心光學系統的MTF曲線。圖6.成像光學系統光路圖雙遠心光路是物方遠心光路的像方焦點與像方遠心光路的物方焦點相重合7。當平行光進入物方遠心光路后，出射光仍為平行光，所以雙遠心光路本質上是無焦系統。雙遠心光路在非接觸測量中具有重要的應用價值：當物距或像距發生微小移動時，各點的主光線不發生變化，從而在CCD上接收到的像長不變，從而避免了由于調焦誤差或者對準誤差引起測量誤差8，

17、提高了系統的測量精度。雙遠心光學系統與單遠心光學系統相比，其優勢為視場內各點的視場角和放大率恒定，從而提高了采集圖像的精度，更加減少了因物體或CCD沿光軸的橫向移動引起的測量誤差。故雙遠心光學系統具有物方遠心光路和像方遠心光路兩種光路的優勢，可以應用于非接觸的在線實時測量系統。同時，采用雙遠心光路系統，可以省去復雜的實時自動調焦機構，既節約了硬件成本，同時也減少了軟件處理工作的復雜性，為后續設計減輕了負擔。 圖7.成像系統MTF曲線2.4透鏡中心的確定方法系統能夠自動地對透鏡中心進行快速準確的定位，末端裝有吸盤的機械手臂將待測透鏡抓取到檢測平臺上，系統采用精密的四維調整臺來定位透鏡的中心，四維

18、調整臺采用PZT驅動，該驅動反應時間快，定位精準，運動精度可達到亞微米級。機械手臂將被測透鏡放入調整臺時，先利用沖擊氣流對被測透鏡中心進行初步定位，然后觀察入射光通過被測透鏡后在CCD上的成像位置，判斷被測透鏡是否調平，當被測透鏡中心法線與入射激光存在一定夾角或位移時，光斑不能在CCD中心成像，如圖8所示，此時向反方向調整平移臺，從而調整光斑成像的位置，經過計算機計算，反饋給調整臺，直到光斑位于CCD中心，此時系統已經精確的找到了透鏡的中心，并開始測量。這種利用光電對準的方法避免了人眼睛的主觀誤差，提高了系統對透鏡定心的精度，而且也提高了測量效率，減輕了測試人員的勞動強度。在確定了被測透鏡的中心位置后，計算機控制透鏡上下兩端的兩個激光三角位移傳感器分別對透鏡進行測量，并將測量結果輸入計算機，最后經過軟件處理輸出透鏡中心厚度的測量結果。 圖8.確定透鏡定位示意圖3.系統誤差估算系統采用標準件（成都威博恩光電有限公司生產的標準平晶）的測量方法，其自身原理誤差不超過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，其它機械裝調所引起的誤差不超過1mm。由于系統采用的是兩個激光三角探頭，因此除了系統原理誤差外，其余誤差對測量結果造成的影響都是兩次的，因此系統總的誤差大約為：對