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非接觸自由曲面測量技術在隱形眼鏡模仁面形測量中的應用

日期:2022-09-09 17:53
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摘要: 傳統眼鏡在美學、妝容以及光學性能上影響人們的生活質量,越來越多的人選擇佩戴隱形眼鏡。隱形眼鏡的邊緣視場更好,不會受潮有霧氣,也不用考慮鏡片的兼容性。由于全球市場的龐大需求,隱形眼鏡的產量也在不斷增長。模仁技術的引入可以實現鏡片生產的自動化,尤其是對于自由曲面透鏡,有效縮短了其制造周期。 隱形眼鏡模仁的核心參數及其檢測的重要性 模仁的品控對于鏡片的開發和生產十分關鍵,因為隱形眼鏡的材料既薄又軟,其形狀完全由模仁決定。為了滿足*小光學像差以及...

      傳統眼鏡在美學、妝容以及光學性能上影響人們的生活質量,越來越多的人選擇佩戴隱形眼鏡。隱形眼鏡的邊緣視場更好,不會受潮有霧氣,也不用考慮鏡片的兼容性。由于全球市場的龐大需求,隱形眼鏡的產量也在不斷增長。模仁技術的引入可以實現鏡片生產的自動化,尤其是對于自由曲面透鏡,有效縮短了其制造周期。


隱形眼鏡模仁的核心參數及其檢測的重要性


      模仁的品控對于鏡片的開發和生產十分關鍵,因為隱形眼鏡的材料既薄又軟,其形狀完全由模仁決定。為了滿足*小光學像差以及*大視場的要求,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特性好,功能性強等特點,在全球的需求量不斷增長。然而,對于計量人員來說,為了在工業環境中優化整個鏡片的生產流程,對模仁的精密檢測越發變得有挑戰性。主要原因不僅是要評估自由曲面的面形誤差,還要檢測光軸相對模仁邊緣的位置偏差。這對傳統的計量工具來說根本不可能完成,因為那些設備不僅缺乏靈活性,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,面形誤差要求已經小于微米級了,模仁的加工公差也因此越發苛刻。

透鏡的面形誤差是光學像差的核心參數,決定了隱形眼鏡的整體質量。自由曲面的面形誤差和相對模仁安裝軸的優良位置偏差是兩個至關重要的參數,它們直接關系到隱形眼鏡的面形,影響成像的質量。


檢測技術

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


先進的基于多波長干涉技術(MWLI)的鏡頭模仁的計量工具 

-LUPHOScan平臺

    LUPHOScan平臺是一個基于多波長干涉(MWLI)、具有磚利技術的干涉掃描式檢測系統,該系統可以實現高精度的非接觸式三維面形測量,滿足諸如非球面透鏡等旋轉對稱表面的測量需求。它包含一個四軸掃描機構和一個非接觸式干涉測量傳感器。

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       球面、非球面以及其它旋轉對稱工件三維面形誤差檢測的基本原理是:測量傳感器在被測工件表面按照預設路徑進行掃描,同時被測工件自身進行旋轉。掃描過程中傳感器始終垂直于被測面,從而保證傳感器與被測點之間的距離保持恒定。利用多波長干涉傳感技術可以靈活地測量優良距離,即使被測工件表面存在缺口也可以實現檢測,因為該技術不受光束間斷的影響。


LUPHOScan測量的優勢

? 非接觸式

?  3D

? 高速

? 高精度

? 操作靈活

LUPHOScan測量自由曲面

      測量旋轉對稱表面時,測量傳感器始終垂直于工件表面,在Z-R平面內沿著理論設計曲線移動(平移和傾斜),與此同時,工件在氣浮主軸旋轉臺上高速旋轉。

當工件不具備旋轉對稱性時,其表面具有Y軸的切向陡度,而測量傳感器并不能在Z-Y平面內傾斜,所以傳感器并不能總是垂直于工件表面。LUPHOScan測量軟件會根據輸入的自由曲面自動優化傳感器的運動軌跡,從而保證在工件旋轉的測量過程中,盡量減少切向陡度引起的誤差。

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測量傳感器的移動范圍

測量

?   工件輔助調平調心

? 傳感器軌跡優化,減少切向陡度引起的誤差

? 自動補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


傳感器的信號接收范圍

? *大允許切向陡度:

-  標準傳感器:±5°(工作距離2.7 mm)

-  大數值孔徑傳感器:±~9°(工作距離1.3 mm)

? 徑向陡度:凸面90°,凹面65°


應用范圍(不限表面類型)

復合旋轉對稱和非旋轉對稱表面

? 多項式擬合

? 復曲面

? 雙錐面 

? 柱面鏡/類柱面鏡

?  離軸非球面

? 其他

圖片  圖片

                         離軸拋物面                                                               復曲面


將自由曲面設計輸入至軟件

      自由所有自由曲面的設計數據都可以通過矢高表導入到軟件中,而諸如復曲面、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,一次測量就可以自動獲得多個區域的表面結果。

導入矢高表

所有自由曲面設計都可以通過導入矢高表的方式導入到軟件中

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                                                                   矢高表導入界面

直接輸入復曲面和雙錐面

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                                                                       導入復曲面

案例研究

      本案例中,將使用LUPHOScan測量一個凹的自由曲面模仁,有效徑為10mm。利用軟件中的Freeform模塊進行測量,可以獲得自由曲面的面形誤差以及相對模仁邊緣的優良偏差。

自由曲面測量結果

待測自由曲面模仁雖然是旋轉非對稱的,但是可以使用LUPHOScan輕松測量得到相應結果。

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      根據自由曲面的數學表達式生成相應的矢高表,測量過程中,傳感器根據矢高表自動優化運行軌跡,減小測量誤差。

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

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                                         傳感器根據矢高表自動優化運行軌跡


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                                         利用LUPHOScan測量自由曲面的模仁

LUPHOScan的測量結果

                                                                      模仁的三維形貌

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                                                                       面形誤差

檢測技術

       表面測量的數據點云同時也導入了天津大學微納制造實驗室自己的評估軟件進行對比,結果與LUPHOScan給出的一致。

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                                           天津大學微納制造實驗室評估軟件的結果

結論

        LUPHOScan是一個高速、無損、高精度和靈活的三維非接觸式計量工具。幾分鐘內就可以自動獲得模仁的**三維形貌誤差和相對位置誤差。

LUPHOScan可以極大地幫助模仁制造商快速地提升隱形眼鏡模仁的質量,降低廢品率。


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