王楠　雷歡　何峰　馬敬奇　張紅梅

（1.廣東省自動化研究所 廣東省現(xiàn)代控制技術(shù)重點實驗室 廣東省現(xiàn)代控制與光機電技術(shù)公共實驗室2.廣東華中科技大學(xué)工業(yè)技術(shù)研究院）

透鏡中心厚度自動檢測系統(tǒng)*

王楠1雷歡1何峰1馬敬奇1張紅梅2

（1.廣東省自動化研究所 廣東省現(xiàn)代控制技術(shù)重點實驗室 廣東省現(xiàn)代控制與光機電技術(shù)公共實驗室2.廣東華中科技大學(xué)工業(yè)技術(shù)研究院）

針對小口徑光學(xué)透鏡中心厚度檢測問題，提出一種基于激光位移傳感器與機械手相互配合的檢測方法，設(shè)計一套快讀、非接觸、高精度的透鏡中心厚度自動檢測系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明：該檢測系統(tǒng)對光學(xué)透鏡中心厚度的測量極限誤差不超過±5um，測量時間控制在8 s內(nèi)，滿足透鏡中心厚度檢測的要求。

激光位移傳感器；機械手；透鏡中心厚度

0　引言

光學(xué)透鏡是光學(xué)系統(tǒng)中最基本的光學(xué)元件，其生產(chǎn)質(zhì)量關(guān)系到成像質(zhì)量的好壞，對光學(xué)儀器的精度有關(guān)鍵性影響。例如在宇航、醫(yī)療等光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)品中，對透鏡加工質(zhì)量有嚴(yán)格的要求［1］。透鏡中心厚度是光學(xué)透鏡的重要參數(shù)之一，它影響透鏡曲率半徑、焦距和成像質(zhì)量，因此對其進(jìn)行準(zhǔn)確的測量有重要意義。

目前，透鏡中心厚度檢測技術(shù)分為接觸式測量與非接觸測量［2］。接觸式測量需要將探測測頭與透鏡表面接觸，易劃傷或磨損透鏡，測量精度達(dá)不到要求；非接觸測量包括電容測微法、干涉法等，但均不同時具備高效率、高精度測量的特點。國內(nèi)的透鏡參數(shù)檢測技術(shù)正處于發(fā)展階段，大部分透鏡參數(shù)檢測設(shè)備依賴于進(jìn)口。美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家已先后研制出非接觸式激光檢測透鏡參數(shù)的光學(xué)測量系統(tǒng)，例如美國Chapman公司生產(chǎn)的MPT1000通用光學(xué)測量系統(tǒng)，但其成本較高，無法滿足國內(nèi)實時檢測透鏡中心厚度的需求。

本文提出一種基于激光二維掃描的透鏡中心厚度測量方法，并結(jié)合機械手設(shè)計一套非接觸式的透鏡中心厚度自動檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)透鏡中心厚度地快速、實時、高精度檢測，在提高透鏡生產(chǎn)自動化水平和檢測效率的同時，降低透鏡厚度檢測的成本。

1　系統(tǒng)方案設(shè)計

透鏡中心厚度自動檢測系統(tǒng)采用非接觸式激光檢測技術(shù)，主要由機械手及其控制系統(tǒng)、激光位移傳感器、調(diào)整臺、光柵及位移檢測系統(tǒng)、電機、采樣信號分配系統(tǒng)、測量控制系統(tǒng)和計算機處理系統(tǒng)組成。

透鏡中心厚度自動檢測系統(tǒng)框圖如圖1所示，假設(shè)傳感器送進(jìn)方向為Y方向，激光器自上而下發(fā)射激光束的方向為Z方向，與發(fā)出的線陣激光線平行的方向為X方向。其中激光位移傳感器對透鏡表面輪廓進(jìn)行掃描；傳感器安裝在燕尾導(dǎo)軌滑塊上，Y方向送進(jìn)伺服控制系統(tǒng)控制傳感器在檢測過程中的位置；光柵位移檢測系統(tǒng)記錄傳感器的實時位移信息；機械手控制系統(tǒng)控制機械手，實現(xiàn)對被測透鏡的投放、拾取等操作；采樣信號分配系統(tǒng)負(fù)責(zé)將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；測量控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)對機械手伺服控制系統(tǒng)和Y方向送進(jìn)伺服控制系統(tǒng)發(fā)送進(jìn)給、停止等指令；計算機處理系統(tǒng)將接收的數(shù)據(jù)通過軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到被測透鏡的中心厚度。

在移動過程中，傳感器每進(jìn)給一段位移，就對被測透鏡的截面進(jìn)行采樣，采集一組透鏡截面輪廓線上各點的數(shù)據(jù)，并將采樣數(shù)據(jù)傳至計算機，得到所掃描透鏡表面輪廓點X、Z方向上的坐標(biāo)。光柵位移檢測系統(tǒng)記錄傳感器的實時位移信息，得到透鏡表面輪廓線上所有掃描過的點Y方向上的坐標(biāo)。將掃描結(jié)果和位移信息同時送到計算機，通過函數(shù)法算出實際的透鏡中心厚度，并由LED數(shù)碼管顯示測量結(jié)果，機械手將檢測完的透鏡拾取出來放入已測區(qū)。檢測完畢后按復(fù)位鍵使測量系統(tǒng)復(fù)位，準(zhǔn)備下一個透鏡的測量。若透鏡中心厚度超出了公差范圍，系統(tǒng)將提示被檢測的透鏡不合格，機械手將不合格的透鏡揀出。

圖1 透鏡中心厚度自動檢測系統(tǒng)框圖

2　基于激光二維掃描法的透鏡中心厚度測量方法

2.1激光二維掃描法

為減小測量誤差，系統(tǒng)采用透鏡固定不動、激光位移傳感器移動的檢測方法，以達(dá)到對透鏡上下表面的動態(tài)掃描測量。在被測透鏡檢測前，首先對標(biāo)準(zhǔn)玻璃量塊進(jìn)行檢測，其檢測過程、檢測速度與檢測透鏡時均一致，并將檢測的標(biāo)準(zhǔn)量塊測量結(jié)果儲存到數(shù)據(jù)存儲卡中。檢測透鏡時，激光光束通過傳感器的柱面物鏡擴大為條狀，投射到透鏡表面，激光發(fā)成漫反射，反射光聚焦到傳感器的圖像采集器件上，得到的圖像（以雙凸透鏡為例）如圖2所示。將得到的光信號轉(zhuǎn)變成電信號輸入計算機，與標(biāo)準(zhǔn)量塊的測量數(shù)據(jù)比較，得到被測透鏡各個采樣截面輪廓點的X、Z方向坐標(biāo)。這種測量方法能夠有效去除定值系統(tǒng)所產(chǎn)生的誤差，直觀地表示被測參數(shù)，大幅度提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時克服了溫度等外界環(huán)境因素的干擾。

圖2 被測透鏡單面二維輪廓圖

2.2 透鏡中心厚度計算

本文以雙凸透鏡為例，基于激光位移傳感器的掃描法，可以獲得采樣截面掃描點的二維坐標(biāo)，再通過計算直線步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)速與導(dǎo)軌滑塊直線運動的速度，可得到透鏡每個采樣截面的Y向位移數(shù)據(jù)［3］，綜合采集到的數(shù)據(jù)，得出被測透鏡上下表面輪廓各個點的三維相對坐標(biāo)。通過Matlab軟件分別在透鏡的上下凸表面輪廓點中，各取4個不同點，設(shè)為四面體的4個頂點為外接球半徑，是四面體外心［4］，令

式（1）中，r1、r2為上下2個球面的球體半徑。球體半徑r1為

球體半徑r2為

透鏡中心厚度參數(shù)算法原理示意圖如圖3所示。

圖3 透鏡中心厚度參數(shù)算法原理示意圖

3　系統(tǒng)檢測實驗及數(shù)據(jù)

3.1檢測系統(tǒng)誤差分析

根據(jù)設(shè)計要求，分別選用直徑為10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm的凹透鏡、凸透鏡、彎月透鏡作為被測透鏡，采用立式光學(xué)比較儀對被測透鏡進(jìn)行測量，得出3組透鏡的標(biāo)準(zhǔn)厚度值。再通過本文設(shè)計的透鏡厚度測量裝置對被測透鏡分別進(jìn)行200次重復(fù)測量，標(biāo)準(zhǔn)厚度值和測量結(jié)果如表1～表3所示。

表1 凸透鏡測量結(jié)果

表2 凹透鏡測量結(jié)果

表3 彎月透鏡測量結(jié)果

由實驗數(shù)據(jù)可知，本系統(tǒng)測量誤差≤±5 um，滿足測量的精度要求。

3.2檢測系統(tǒng)工作效率分析

采用LJ-G030激光傳感器對透鏡表面進(jìn)行檢測，絲杠規(guī)格為φ6 mm×2 mm ，電機轉(zhuǎn)速為100 r/m，電機旋轉(zhuǎn)1周Y方向的位移量為6 mm，最大位移速度為20 mm/s，在透鏡表面上采樣30個截面，采樣時間設(shè)定為0.1 s，為防止2個激光位移傳感器在檢測時發(fā)生干擾，對上下表面分別掃描測量共需要6 s，記錄數(shù)據(jù)處理時間及上下料時間約為2 s，因此檢測所需總時間為8 s。而目前使用的傳統(tǒng)方法檢測過程較為復(fù)雜，僅上下料環(huán)節(jié)所需時間就是本文方法的數(shù)倍。因此本文方法相對于傳統(tǒng)方法，縮短了檢測時間，有效提高了檢測效率。

4　結(jié)論

針對透鏡中心厚度的檢測，設(shè)計了基于激光位移傳感器與機械手相配合的自動化透鏡中心厚度檢測系統(tǒng)，檢測過程中無需對透鏡進(jìn)行位置調(diào)整，并提高了檢測精度和檢測效率。經(jīng)實驗驗證：該系統(tǒng)的測量誤差≤±5 um，對單片透鏡檢測時間縮短至8 s，實現(xiàn)了對透鏡的非接觸式自動化、智能化的實時檢測。同時，本系統(tǒng)為其他空間輪廓的測量，提供了一種新的技術(shù)途徑［5］。

［1］ 史立波，邱麗榮，王允，等.激光差動共焦透鏡中心厚度測量系統(tǒng)的研制［J］.儀器儀表學(xué)報，2012，33（3）：683-688.

［2］ 盧毅，徐熙平，石諾，等.透鏡中心厚度測量方法及裝置的研究［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，36（3-4）：28-31.

［3］ 高飛，張葆，劉大禹.一種空間相機調(diào)焦機構(gòu)的設(shè)計研究［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版， 2008，31（4）：74-76，60.

［4］ 李永利.四面體外心坐標(biāo)公式［J］.中學(xué)數(shù)學(xué)，2004（1）：44.

［5］ Janesick James， Putnam Gloria. Developments and applications of high-performance CCD and CMOS imaging arrays［J］. Annual Review of Nuclear and Particle Science， 2003，53（1）：263-300.

Automatic Detection System of Lens Center Thickness

Wang Nan1Lei Huan1He Feng1Ma Jingqi1Zhang Hongmei2
（1. Guangdong Institute of Automation，Guangdong Key Laboratory of Modern Control Technology， Guangdong Open Laboratory of Modern Control & Optical， Mechanical and Electronic Technology 2. Guangdong HUST Industrial Technology Research Institute）

To realize thickness detection of small aperture optical center of lens， this paper puts forward a detection method based on laser displacement sensor cooperating with the robot. A lens center thickness detector， which has the following advantages：fast read speed， non-contact and high-precision， is designed. Experimental results show that the system limit error does not exceed ±5um， and measurement time can be strictly controlled within 8 s. The system meets the requirements of the thickness of lens center inspection.

Laser Displacement Sensor； Robot； Thickness of Lens Center

王楠，女，1989年生，碩士研究生，主要研究方向：儀器科學(xué)與技術(shù)。E-mail： 352137396@qq.com

廣東省重點實驗室建設(shè)項目（2011A060901026）