專利名稱：一種光學(xué)零件幾何參數(shù)非接觸測量方法及其測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種幾何量的非接觸光學(xué)測量領(lǐng)域，具體是一種光學(xué)零件幾何參數(shù)非 接觸測量方法及其測量裝置。
背景技術(shù)：
目前非接觸式的光學(xué)零件幾何參數(shù)(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激光器，測 量平板透明材料的厚度，以及CN1132348A中改進其光偏轉(zhuǎn)機構(gòu)，此類設(shè)備僅僅用于平板 零件的厚度的檢測，不能檢測檢測平凹、平凸、凹凸等光學(xué)零件以及距離；JP5018716(A) 公開了一種基于掃描物鏡的零件幾何厚度的測量方法，由于機械掃描的應(yīng)用，速度慢，不 適用于在線快速測量。Matthias和Jochen Schulza在Photonik(2004年第6期)發(fā)表 "MittendikkevonLinsen beruhrungslos messen” 中公布了一種利用光譜掃描獲得光學(xué) 零件的幾何厚度的方法，利用光譜掃描技術(shù)找到零件上下表面對應(yīng)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，其基本原理同于 Matthias和Jochen Schulza的文章，在裝置的幾何結(jié)構(gòu)上改進后，適合測量具有柱面結(jié)構(gòu) 的零件厚度以及使用多臺設(shè)備集成后能夠提高空間分辨率；JP2007024689(A)公開一種基 于光色散測量熱玻璃的幾何厚度，原理等同于Matthias和Jochen Schulza的文章。該類 型裝置由于原理是基于光色散，因此需要昂貴的光譜儀作為探測元件；并且可用的波長范 圍有限，以至于所設(shè)計光學(xué)鏡頭的離焦量有限，限制其測量范圍，一般在幾十毫米之下；并 且要求譜儀分辨率很高，設(shè)備成本昂貴。此外還有大家公知的利用干涉進行非接觸測量的， 該類方法通過判讀干涉圖，獲得被測零件的幾何參數(shù)信息，該類方法極易受到環(huán)境因素的 影響，比如振動等，且光路復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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(xiàn)有技術(shù)存在的速度慢，測量動態(tài)范圍小，成本昂貴，不適用于在線快速測量的 問題。為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種光學(xué)零件幾何參數(shù)非接觸測量方法對平行光進行電掃描光開關(guān)的調(diào)制，形 成環(huán)帶狀平行光，經(jīng)錐透鏡(螺紋透鏡)會聚實現(xiàn)不同距離的會聚點，利用會聚點瞄準并識 別光學(xué)零件的表面，從而實現(xiàn)對光學(xué)零件幾何厚度、移動距離以及光學(xué)透鏡中心高的測量。一種光學(xué)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(guān)驅(qū)動來驅(qū) 動光開關(guān)形成直徑依次縮小/增大的透過帶，則經(jīng)過光開關(guān)得平行光形成環(huán)帶狀平行光， 那么通過透鏡后的會聚點沿光軸方向依次向后/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(xiàn)能量峰值，兩次出現(xiàn)峰值一一對應(yīng)于不同 的環(huán)狀光帶的半徑，那么待測光學(xué)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(yīng)于兩次瞄準時的環(huán)狀光帶的半徑。一種光學(xué)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(guān)驅(qū)動 6來驅(qū)動光開關(guān)形成直徑一次縮小/增大的透過帶，則經(jīng)過光開關(guān)得平行光形成環(huán)帶狀平 行光，那么通過透鏡后的會聚點沿光軸方向依次向后/向前移動，對零件的一個表面在移 動前后瞄準兩次，記錄探測器上的能量變化，獲得峰值能量對應(yīng)的光帶半徑，那么待測光學(xué) 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(yīng)于兩次瞄準時的環(huán)狀光帶的半徑。一種光學(xué)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(guān)驅(qū)動 來驅(qū)動光開關(guān)形成直徑一次縮小/增大的透過帶，則經(jīng)過光開關(guān)得平行光形成環(huán)帶狀平行 光，那么通過透鏡后的會聚點沿光軸方向依次向后/向前移動。在某一光帶半徑時，經(jīng)過錐 透鏡聚焦后，會聚點瞄準前表面，光路對稱返回，并且探測器上出現(xiàn)能量峰值，記下該時刻 的光帶的半徑R1，光帶半徑繼續(xù)增大，會聚點遠離光學(xué)系統(tǒng)，當光帶通過前表面，剛好會聚 于后表面時，光路對稱返回，則再次出現(xiàn)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(xué)透 鏡的前后表面，待測光學(xué)零件的中心高是
對于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(shù)(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(yīng)于兩次瞄準時的環(huán)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(xiàn)上述的光學(xué)零件幾何參數(shù)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(guān)驅(qū)動和測量組件，所述測量組件是在同一光軸上依次設(shè)置的 光欄、準直物鏡、第一光開關(guān)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(shè)置于光欄的開口部位，控制和計算單元分別與探測器和光開關(guān)驅(qū)動相接，光開關(guān)驅(qū)動 與第一光開關(guān)相接。一種實現(xiàn)上述的光學(xué)零件幾何參數(shù)的非接觸測量方法的裝置，包括控制和計算單 元、光開關(guān)驅(qū)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(shè)置的光 源、準直物鏡、第一光開關(guān)、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(shè)置的第二透鏡、第二光開關(guān)、成像物鏡、光欄和探測器，其中光開關(guān)驅(qū)動分別與第 一光開關(guān)和第二光開關(guān)相接，光開關(guān)驅(qū)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。上述光源是激光光源或者LED光源。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)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(guān)實現(xiàn)電掃描，比光譜掃描 類儀器成本低，穩(wěn)定性好；比機械掃描類儀器速度快，適合快速在線測量。2、由于不存在所用光波波長的限制，可以實現(xiàn)比光譜掃描類儀器大的測量動態(tài)范圍。3、儀器結(jié)構(gòu)簡單，容易加工，適用于工廠現(xiàn)場環(huán)境。


圖1本發(fā)明提供測量方法的一個裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是測量平板光學(xué)零件厚度的原理圖；圖3是分別瞄準前、后表面時采集到的能量峰值圖；圖4是透射環(huán)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(xué)零件(透鏡)的中心厚度的原理圖；圖7是本發(fā)明提供測量方法的另一個裝置的結(jié)構(gòu)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(guān)，6_光開關(guān)驅(qū)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(guān)，15-成像物鏡。
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細地說明。一種光學(xué)零件幾何參數(shù)非接觸測量方法對平行光進行電掃描光開關(guān)的調(diào)制，形 成環(huán)帶狀平行光，經(jīng)錐透鏡(螺紋透鏡)會聚實現(xiàn)不同距離的會聚點，利用會聚點瞄準并識 別光學(xué)零件的表面，從而實現(xiàn)對光學(xué)零件幾何厚度、移動距離以及光學(xué)透鏡中心高的測量。參見圖1，為了實現(xiàn)上述方法，本發(fā)明提供的一種光學(xué)零件幾何參數(shù)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(guān) 驅(qū)動6和測量組件，所述測量組件是在同一光軸上依次設(shè)置的光欄3、準直物鏡4、第一光開 關(guān)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(shè)置于光欄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(guān)驅(qū)動6相接，光開關(guān)驅(qū)動6與第一 光開關(guān)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中改變錐棱鏡的錐角θ和有效口徑，便可方便設(shè)計出不同測量動態(tài)范圍的設(shè) 備，具體的例子比如光學(xué)系統(tǒng)的有效口徑500毫米，錐棱鏡的錐角設(shè)計為20度，材料折射率 為1. 52，則系統(tǒng)的測量動態(tài)范圍可從0. 01毫米-410毫米，配合選用的光開關(guān)的物理分辨 率，可以從市場上購買到，測量靈敏度/分辨率可達到2微米以下，配合相應(yīng)的精度提高算 法，分辨率可以進一步提高，在這種情況下完全可以滿足光學(xué)加工中透鏡等光學(xué)零件10的 幾何厚度的要求。下表給出幾種典型的設(shè)計結(jié)果 在錐透鏡的錐角為5度情況下，動態(tài)范圍達到1.8米，完全可以滿足大多數(shù)現(xiàn)場光學(xué)零件幾何參數(shù)的測量要求。實施例1，參見圖2和圖3。一種光學(xué)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(guān)驅(qū)動6 來驅(qū)動光開關(guān)形成直徑依次縮小/增大的透過帶11，則經(jīng)過光開關(guān)得平行光形成環(huán)帶狀平 行光，那么通過透鏡后的會聚點沿光軸方向依次向后/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(xiàn)能量峰值，兩次出現(xiàn)峰值一一對 應(yīng)于不同的環(huán)狀光帶的半徑，那么待測光學(xué)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(yīng)于兩次瞄準時的環(huán)狀光帶的半徑。測量原理是光源1經(jīng)過光纖2耦合并經(jīng)準直系統(tǒng)成平行光，經(jīng)過光開關(guān)的調(diào)制， 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(jīng)過錐透鏡、光開關(guān)和準直物鏡， 最后到達探測器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(guān)驅(qū)動6來 驅(qū)動第一光開關(guān)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(xiàn)能量峰值，兩次出現(xiàn)峰值 一一對應(yīng)于不同的環(huán)狀光帶的徑，那么待測光學(xué)平板零件的幾何厚度。參見圖4，本圖是通過光開關(guān)驅(qū)動6控制第一光開關(guān)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(xiàn)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(xué)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(guān)驅(qū) 動6來驅(qū)動光開關(guān)形成直徑一次縮小/增大的透過帶11，則經(jīng)過光開關(guān)得平行光形成環(huán)帶 狀平行光，那么通過透鏡后的會聚點沿光軸方向依次向后/向前移動，對零件的一個表面 在移動前后瞄準兩次，記錄探測器上的能量變化，獲得峰值能量對應(yīng)的光帶半徑，那么待測 光學(xué)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(yīng)于兩次瞄準時的環(huán)狀光帶的半徑。實施例3，參見圖6。一種光學(xué)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(guān)驅(qū)
8動6來驅(qū)動光開關(guān)形成直徑一次縮小/增大的透過帶11，則經(jīng)過光開關(guān)得平行光形成環(huán)帶 狀平行光，那么通過透鏡后的會聚點沿光軸方向依次向后/向前移動。在某一光帶半徑時， 經(jīng)過錐透鏡聚焦后，會聚點瞄準前表面，光路對稱返回，并且探測器9上出現(xiàn)能量峰值，記 下該時刻的光帶的半徑R1，光帶半徑繼續(xù)增大，會聚點遠離光學(xué)系統(tǒng)，當光帶通過前表面， 剛好會聚于后表面時，光路對稱返回，則再次出現(xiàn)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(xué)透鏡的前后表面，待測光學(xué)零件的中心高是
其中氏=

對于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(shù)(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(yīng)于兩次瞄準時的環(huán)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，類似于測量平板零件10的厚度，區(qū)別在于厚度反演中需要用到上表面 的曲率半徑。為了實現(xiàn)上述方法，本發(fā)明提供的另一種光學(xué)零件幾何參數(shù)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(guān)驅(qū)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(shè)置的光源1、準直物鏡4、第一光開關(guān)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(shè)置的第二透鏡13、第二光開關(guān)14、成像 物鏡15、光欄3和探測器9，其中光開關(guān)驅(qū)動6分別與第一光開關(guān)5和第二光開關(guān)14相接， 光開關(guān)驅(qū)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激光光源。其優(yōu)點在于探測器9上獲得 的零件10前后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于從零件表面反射的光在分光鏡12處 反射到透鏡13、光開關(guān)14和成像物鏡15組成的探測光路，進入探測器9。
權(quán)利要求
一種光學(xué)零件幾何參數(shù)非接觸測量方法是對平行光進行電掃描光開關(guān)的調(diào)制，形成環(huán)帶狀平行光，經(jīng)錐透鏡(螺紋透鏡)會聚實現(xiàn)不同距離的會聚點，利用會聚點瞄準并識別光學(xué)零件的表面，從而實現(xiàn)對光學(xué)零件幾何厚度、移動距離以及光學(xué)透鏡中心高的測量。
2.如權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)零件厚度的非接觸測量方法，其特征在于通過計算 和控制單元控制光開關(guān)驅(qū)動來驅(qū)動光開關(guān)形成直徑依次縮小/增大的透過帶，則經(jīng)過光開 關(guān)得平行光形成環(huán)帶狀平行光，那么通過透鏡后的會聚點沿光軸方向依次向后/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(xiàn)能量峰 值，兩次出現(xiàn)峰值一一對應(yīng)于不同的環(huán)狀光帶的半徑，那么待測光學(xué)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(yīng)于兩次瞄準時的環(huán)狀光帶的半徑。
3.如權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)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(guān)驅(qū)動來驅(qū)動光開關(guān)形成直徑一次縮小/增大的透過帶，則經(jīng)過光開關(guān)得平行 光形成環(huán)帶狀平行光，那么通過透鏡后的會聚點沿光軸方向依次向后/向前移動，對零件 的一個表面在移動前后瞄準兩次，記錄探測器上的能量變化，獲得峰值能量對應(yīng)的光帶半 徑，那么待測光學(xué)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(yīng)于兩次瞄準時的環(huán)狀光帶的半徑。
4.如權(quán)利要求1所述的一種光學(xué)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(guān)驅(qū)動來驅(qū)動光開關(guān)形成直徑一次縮小/增大的透過帶，則經(jīng)過光開關(guān)得平行 光形成環(huán)帶狀平行光，那么通過透鏡后的會聚點沿光軸方向依次向后/向前移動；在某一 光帶半徑時，經(jīng)過錐透鏡聚焦后，會聚點瞄準前表面，光路對稱返回，并且探測器上出現(xiàn)能 量峰值，記下該時刻的光帶的半徑R1，光帶半徑繼續(xù)增大，會聚點遠離光學(xué)系統(tǒng)，當光帶通 過前表面，剛好會聚于后表面時，光路對稱返回，則再次出現(xiàn)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(xué)透鏡的前后表面，待測光學(xué)零件的中心高是 其中 對于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(shù)(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(yīng)于兩次瞄準時的環(huán)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(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)上述的光學(xué)零件幾何參數(shù)的非接觸測量方法的裝置， 其特征在于包括控制和計算單元(8)、探測器(9)、光源(1)、光纖(2)、光開關(guān)驅(qū)動(6)和 測量組件，所述測量組件是在同一光軸上依次設(shè)置的光欄(3)、準直物鏡(4)、第一光開關(guān) (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(shè) 置于光欄(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(guān)驅(qū)動(6)相接， 光開關(guān)驅(qū)動(6)與第一光開關(guān)(5)相接。
6.如權(quán)利要求1所述的一種實現(xiàn)上述的光學(xué)零件幾何參數(shù)的非接觸測量方法的裝置， 其特征在于包括控制和計算單元(8)、光開關(guān)驅(qū)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(shè)置的光源(1)、準直物鏡(4)、第一光開關(guān)(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(shè)置的第二透鏡 (13)、第二光開關(guān)(14)、成像物鏡(15)、光欄(3)和探測器(9)，其中光開關(guān)驅(qū)動(6)分別與 第一光開關(guān)(5)和第二光開關(guān)(14)相接，光開關(guān)驅(qū)動(6)還通過控制和計算單元(8)與探 測器(9)相接。
7.如權(quán)利要求5或6所述的一種實現(xiàn)上述的光學(xué)零件幾何參數(shù)的非接觸測量方法的裝 置，其特征在于所述第一透鏡(7)和第二透鏡(13)是錐透鏡或螺紋透鏡。
8.如權(quán)利要求5或6所述的一種實現(xiàn)上述的光學(xué)零件幾何參數(shù)的非接觸測量方法的裝 置，其特征在于所述光源(1)是激光光源或者LED光源。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種幾何量的非接觸光學(xué)測量領(lǐng)域，具體是一種光學(xué)零件幾何參數(shù)非接觸測量方法及其測量裝置。本發(fā)明要克服現(xiàn)有技術(shù)存在的速度慢，測量動態(tài)范圍小，成本昂貴，不適用于在線快速測量的問題。為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案是一種光學(xué)零件幾何參數(shù)非接觸測量方法對平行光進行電掃描光開關(guān)的調(diào)制，形成環(huán)帶狀平行光，經(jīng)錐透鏡(螺紋透鏡)會聚實現(xiàn)不同距離的會聚點，利用會聚點瞄準并識別光學(xué)零件的表面，從而實現(xiàn)對光學(xué)零件幾何厚度、移動距離以及光學(xué)透鏡中心高的測量。本發(fā)明具有以下優(yōu)點成本低，穩(wěn)定性好，適合快速在線測量，可以實現(xiàn)比光譜掃描類儀器大的測量動態(tài)范圍，同時儀器結(jié)構(gòu)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(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者劉纏牢, 梁海鋒 申請人:西安工業(yè)大學(xué)