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非接觸自由曲面測(cè)量技術(shù)在隱形眼鏡模仁面形測(cè)量中的應(yīng)用

日期：2025-02-05 16:06

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摘要：傳統(tǒng)眼鏡在美學(xué)、妝容以及光學(xué)性能上影響人們的生活質(zhì)量，越來越多的人選擇佩戴隱形眼鏡。隱形眼鏡的邊緣視場(chǎng)更好，不會(huì)受潮有霧氣，也不用考慮鏡片的兼容性。由于全球市場(chǎng)的龐大需求，隱形眼鏡的產(chǎn)量也在不斷增長。模仁技術(shù)的引入可以實(shí)現(xiàn)鏡片生產(chǎn)的自動(dòng)化，尤其是對(duì)于自由曲面透鏡，有效縮短了其制造周期。隱形眼鏡模仁的核心參數(shù)及其檢測(cè)的重要性模仁的品控對(duì)于鏡片的開發(fā)和生產(chǎn)十分關(guān)鍵，因?yàn)殡[形眼鏡的材料既薄又軟，其形狀完全由模仁決定。為了滿足*小光學(xué)像差以及...

傳統(tǒng)眼鏡在美學(xué)、妝容以及光學(xué)性能上影響人們的生活質(zhì)量，越來越多的人選擇佩戴隱形眼鏡。隱形眼鏡的邊緣視場(chǎng)更好，不會(huì)受潮有霧氣，也不用考慮鏡片的兼容性。由于全球市場(chǎng)的龐大需求，隱形眼鏡的產(chǎn)量也在不斷增長。模仁技術(shù)的引入可以實(shí)現(xiàn)鏡片生產(chǎn)的自動(dòng)化，尤其是對(duì)于自由曲面透鏡，有效縮短了其制造周期。

隱形眼鏡模仁的核心參數(shù)及其檢測(cè)的重要性

模仁的品控對(duì)于鏡片的開發(fā)和生產(chǎn)十分關(guān)鍵，因?yàn)殡[形眼鏡的材料既薄又軟，其形狀完全由模仁決定。為了滿足*小光學(xué)像差以及*大視場(chǎng)的要求，隱形眼鏡表面面形的種類繁多，有球面、非球面以及自由曲面等等。

自由曲面的隱形眼鏡由于其光學(xué)特性好，功能性強(qiáng)等特點(diǎn)，在全球的需求量不斷增長。然而，對(duì)于計(jì)量人員來說，為了在工業(yè)環(huán)境中優(yōu)化整個(gè)鏡片的生產(chǎn)流程，對(duì)模仁的精密檢測(cè)越發(fā)變得有挑戰(zhàn)性。主要原因不僅是要評(píng)估自由曲面的面形誤差，還要檢測(cè)光軸相對(duì)模仁邊緣的位置偏差。這對(duì)傳統(tǒng)的計(jì)量工具來說根本不可能完成，因?yàn)槟切┰O(shè)備不僅缺乏靈活性，而且自由曲面的模仁并沒有參考軸。隨著自由曲面表面加工精度不斷提高，面形誤差要求已經(jīng)小于微米級(jí)了，模仁的加工公差也因此越發(fā)苛刻。

透鏡的面形誤差是光學(xué)像差的核心參數(shù)，決定了隱形眼鏡的整體質(zhì)量。自由曲面的面形誤差和相對(duì)模仁安裝軸的優(yōu)良位置偏差是兩個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)，它們直接關(guān)系到隱形眼鏡的面形，影響成像的質(zhì)量。

檢測(cè)技術(shù)

手機(jī)鏡頭模仁加工的苛刻需求要求相應(yīng)的檢測(cè)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)快速準(zhǔn)確的3D非接觸式測(cè)量，并且具備大陡度和靈活的測(cè)量能力。大部分的模仁制造商采用接觸式的方法實(shí)現(xiàn)模仁的質(zhì)量控制，這種測(cè)量方法在檢測(cè)軸與軸之間的相對(duì)位置關(guān)系上不夠靈活，例如模仁光軸和它的邊緣/安裝軸之間的位置偏差。傳統(tǒng)非接觸式檢測(cè)技術(shù)例如CSI (相干掃描干涉技術(shù))，由于其陡度測(cè)量的受限，并不適合手機(jī)鏡頭模仁的測(cè)量。掃描共焦顯微術(shù)雖然陡度測(cè)量能力相較CSI有所提升，但是它在垂直方向測(cè)量范圍受限，并且測(cè)量時(shí)間太長，從而導(dǎo)致了其無法應(yīng)用于隱形眼鏡模仁的檢測(cè)。

先進(jìn)的基于多波長干涉技術(shù)（MWLI）的鏡頭模仁的計(jì)量工具

-LUPHOScan平臺(tái)

LUPHOScan平臺(tái)是一個(gè)基于多波長干涉（MWLI）、具有磚利技術(shù)的干涉掃描式檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高精度的非接觸式三維面形測(cè)量，滿足諸如非球面透鏡等旋轉(zhuǎn)對(duì)稱表面的測(cè)量需求。它包含一個(gè)四軸掃描機(jī)構(gòu)和一個(gè)非接觸式干涉測(cè)量傳感器。

球面、非球面以及其它旋轉(zhuǎn)對(duì)稱工件三維面形誤差檢測(cè)的基本原理是：測(cè)量傳感器在被測(cè)工件表面按照預(yù)設(shè)路徑進(jìn)行掃描，同時(shí)被測(cè)工件自身進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。掃描過程中傳感器始終垂直于被測(cè)面，從而保證傳感器與被測(cè)點(diǎn)之間的距離保持恒定。利用多波長干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)可以靈活地測(cè)量優(yōu)良距離，即使被測(cè)工件表面存在缺口也可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，因?yàn)樵摷夹g(shù)不受光束間斷的影響。

LUPHOScan測(cè)量的優(yōu)勢(shì)

? 非接觸式

? 3D

? 高速

? 高精度

? 操作靈活

LUPHOScan測(cè)量自由曲面

測(cè)量旋轉(zhuǎn)對(duì)稱表面時(shí)，測(cè)量傳感器始終垂直于工件表面，在Z-R平面內(nèi)沿著理論設(shè)計(jì)曲線移動(dòng)（平移和傾斜），與此同時(shí)，工件在氣浮主軸旋轉(zhuǎn)臺(tái)上高速旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)工件不具備旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性時(shí)，其表面具有Y軸的切向陡度，而測(cè)量傳感器并不能在Z-Y平面內(nèi)傾斜，所以傳感器并不能總是垂直于工件表面。LUPHOScan測(cè)量軟件會(huì)根據(jù)輸入的自由曲面自動(dòng)優(yōu)化傳感器的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而保證在工件旋轉(zhuǎn)的測(cè)量過程中，盡量減少切向陡度引起的誤差。

測(cè)量傳感器的移動(dòng)范圍

測(cè)量

? 工件輔助調(diào)平調(diào)心

? 傳感器軌跡優(yōu)化，減少切向陡度引起的誤差

? 自動(dòng)補(bǔ)償工件位置引起的誤差

? 傳感器跟隨工件表面高度變化而隨動(dòng)

傳感器的信號(hào)接收范圍

? *大允許切向陡度:

- 標(biāo)準(zhǔn)傳感器：±5°(工作距離2.7 mm)

- 大數(shù)值孔徑傳感器：±~9°(工作距離1.3 mm)

? 徑向陡度:凸面90°，凹面65°

應(yīng)用范圍(不限表面類型)

復(fù)合旋轉(zhuǎn)對(duì)稱和非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱表面

? 多項(xiàng)式擬合

? 復(fù)曲面

? 雙錐面

? 柱面鏡/類柱面鏡

? 離軸非球面

? 其他

離軸拋物面復(fù)曲面

將自由曲面設(shè)計(jì)輸入至軟件

自由所有自由曲面的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)都可以通過矢高表導(dǎo)入到軟件中，而諸如復(fù)曲面、雙錐面和離軸非球面等可以像一般非球面那樣直接輸入。另外，一次測(cè)量就可以自動(dòng)獲得多個(gè)區(qū)域的表面結(jié)果。

導(dǎo)入矢高表

所有自由曲面設(shè)計(jì)都可以通過導(dǎo)入矢高表的方式導(dǎo)入到軟件中

矢高表導(dǎo)入界面

直接輸入復(fù)曲面和雙錐面

導(dǎo)入復(fù)曲面

案例研究

本案例中，將使用LUPHOScan測(cè)量一個(gè)凹的自由曲面模仁，有效徑為10mm。利用軟件中的Freeform模塊進(jìn)行測(cè)量，可以獲得自由曲面的面形誤差以及相對(duì)模仁邊緣的優(yōu)良偏差。

自由曲面測(cè)量結(jié)果

待測(cè)自由曲面模仁雖然是旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱的，但是可以使用LUPHOScan輕松測(cè)量得到相應(yīng)結(jié)果。

根據(jù)自由曲面的數(shù)學(xué)表達(dá)式生成相應(yīng)的矢高表，測(cè)量過程中，傳感器根據(jù)矢高表自動(dòng)優(yōu)化運(yùn)行軌跡，減小測(cè)量誤差。

所有的參數(shù)檢測(cè)均為一次完成，自動(dòng)測(cè)量無需操作人員的干預(yù)。自由曲面測(cè)量過程中采用Optimized tilt模式運(yùn)行可以減少測(cè)量時(shí)間，并且降低由于傳感器不垂直于工件表面引起的誤差。整個(gè)模仁的測(cè)量時(shí)間大約耗時(shí)4分鐘。