透镜中心厚度的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三5 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 测物体的位移量口日。
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⑷, 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10和11分别为物距和像距，物体的实际位 移量AH,像点阵CCD光敏面上的位移 为&入射光与成像透镜光轴的夹角为线 阵CCD与成像透镜光轴的夹角为机假设入 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：AH = 4^ \ （1）妙9 5 si論+申）（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 ， 5 sin ©+e）« l1sin 9，所以上式可以近似为：AH =妙沁=K-5 ⑵Zisin0K =何唧，是一个常数，可以看出当物体 l1sin9发生微小位移时，5-AH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：tan0 =卩 tan» （3）这里的卩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10、1］、0、0都是已 经确定的值，因此只要知道像点的位移5， 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：A= 炉1血号、 ⑷1 lisin °-5isin 同样可以测得a2的长度，若标准件的厚度为 D,那么被测透镜中心厚度L为：L - ° ±（Ai +亠） ⑸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 4.7ymx4.7ymx4.7ym (相 邻像元中心距为4.7 pm)，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25pm成像系统选用 的是双远心光学系统［6］，光路图如图 6 所示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・ M M Q i* )12 13b 冋SPATIAL FREQUENCY IN CYCLES PER MMPOLYCHROMATIC DIFFRACTION MTF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0.03pm，激光三角探头工 作距离引起的误差约为l.lym，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2.5pm，其它机械装调所引 起的误差不超过1pm。
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：5 = £0.032 + 2 x (1.12 + 2.52 +12) = 4.23 pm 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5pm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W5pm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[1] 高明，黄钉劲，刘钧.透镜中心厚度测量仪的设 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[4] 王晓嘉，高隽，王磊. 激光三角法综述. 仪器仪 表学报，2004，25(4)：601〜604[5] 邹振书，李喜增，张景和，高清峰 . 非接触测 量激光光学探头.光学精密工程，1997，5(3)： 83〜89[6] 孙学珠，付维乔，刘庆，王庆有 .高精度 CCD 尺寸自动检测系统的光学系统设计.光学技术， 1995，(5):4〜6[7] 王向军，王凤华，周鑫玲.物像远心成像光路在 高精度视觉检测中的应用.测试技术学报，1998， 12(3)：149〜154[8] 赵念念，邱宗明.远心光路对准误差的分析及光 学调整方法.陕西机械学院学报 .1991，7(4)： 213〜216。