基于共焦法透镜中心厚度检测的光学系统设计

　　0　引　言

　　光学透镜是由玻璃或聚合材料制成的,高质量的光学透镜有着严格的公差限制[1]。透镜的中心厚度是光学系统的一个重要参数,直接影响透镜的焦距、由率半径等参数,所以必须在生产过程中进行实时监控。

　　为保证能够对光学透镜进行实时在线精准的检测,提出了一种基于共焦法的测量技术,可以测量中心厚度在8~12mm之间的光学透镜。这种方法是一种非接触在线检测,不会对检测件造成损伤。

　　1　原　理

　　整个系统的原理如图1[1]所示,由卤素灯发出的光首先被耦合进传像束光纤,光纤将光传递到一个共焦光学系统前,并以此作为光源。共焦光学系统 在消色差的同时,还具有强烈的轴向色差。从光纤出射的光经过光学系统后,出射光按波长汇聚在光轴上,形成一个由短波到长波纵向逐渐变化的彩 带,λmin~λmax就是测量范围。将被测物放在其中,当检测面位于波长为λ1的焦面处时,根据共焦原理,只有此波长的光才能按原路返回到传像束光纤 中。这样返回的光波与被测物体的厚度是一一对应的关系。最后通过光谱分析仪对返回的光束进行光谱分析,就能判断出该表面所处的具体位置。

　　2　总体结构

　　各参数的设定:

　　(1)物方孔径角:20°(考虑到一般传像束光纤的数值孔径NA可达0.17)。

　　(2)测量范围:8~12mm

　　(3)弥散斑直径:小于0.5mm

　　(4)像方孔径角:17°

　　在光学系统的设计中,选择了一个与之有类似功能的美国专利[2]作为初始结构,如图2所示。

    在此初始结构的基础上按照设计目标进行优要实现的是一个各波长光线在光轴上依次分布的结构,同时要校正球差,以使最终弥散斑最小。为此首先设定如表1所示的多重结构。

　　表1中的0.486133,0.587560和0.656270分别为三个设计波长,单位为微米。把各个波长的像距Thic设为变量进行优化。优化后的光路图如图3所示。

　　图3中的物方孔径角为20°。在软件中还可以优化得到各波长弥散斑最小时的像距,如图3中的lmax和lmin。lmax与lmin之差即为系统的测量范围。

　　设计的测量范围为9.8mm,弥散斑直径的范围为0.23~0.35mm,如图4、图5和图6所示,均可满足设计要求。

　　3　分析

　　3.1　像差分析

　　根据初级像差理论,初级球差系数s1= luni(i-i′) (i′-u)[4]。对于会聚的光学表面来说,s1>0,产生负球差;对于发散的光学表面来说, s1<0,产生正球差。各个面的初级球差系数如表2所示。