镜片偏心及检测技术 - 图文

光学透镜之偏心检测技术

近年来因为可携带式电子产品对于光学模組之需求逐年提升，光学透镜制造技术大幅进步，目前市场针对直徑 5 mm 以下之光学元件生产方式以塑胶射出于玻璃模造此两种制造技术为重心。此两种技术中，因塑胶光学鏡片具有低材料成本于高生产速度，为現今小尺寸光学元件生产主流。而相较于塑胶光学鏡片，模造光学玻璃具高折射率于较佳机械性质，亦逐渐被市场重視。

模造玻璃于塑胶射出之光学元件容易于制造过程中因模仁对正误差或材料冷卻時不均匀收縮，而使鏡片第一曲面光轴于第二曲面光轴产生倾斜 (tilt) 于偏心 (decenter) 误差，其中倾斜误差将会使影像增加畸变 (distortion) 于慧差 (coma) 之影响，而偏心误差将会使影像增加球面像差 (spherical aberrations) 影响，此两种误差降低鏡片之成像品质外亦会同時降低光学鏡片之机械性质。

对于球面于非球面光学鏡片之检测方式可概略区分为接觸式于非接觸式检测，其中接觸式检测方法以 Taylor Hobson 公司生产之 Talysurf PGI 2540 于 Panasonic 公司生产 UA3P 为检测市场主流，检测原理为使用单點探针对待测試片進行輪廓掃描。而非接觸式检测机台以 Trioptics 公司生产之 OptiCentric? 为偏心于倾斜检测标准，其检测原理为为用准直光通中空試片载台，同時以精密平台转动待测试片並检测其焦点动态偏差。

有鉴于聚焦式偏心检测技术无法检测扩散型鏡片，本中心于台灣大學机械系利用自動化光学检测搭配影像处理技巧，研发出极化光学检测方法。相较于現有技术能夠提供快速的检测光学鏡片偏心于倾斜，並为用于高产能之塑胶射出于玻璃模造线上检测。

图二和图三分別为极化量测系统架设原理及极化量测系统架设原理剖面图。图二表示一光学鏡片放置于相互垂直之极化片中，考虑一入射平面波，並依平面波描述成于入射波电场关係，其中ês、êp、Es 于 Ep 分別为此平面波水平极化方向于垂直极化方向之单位向量于振幅大小， k1 为入射波之波前法向量，r 为座標之參考向量。當入射平面波經过曲面折射後波前法向量为改变 k2，同時依据边界连续性，折射波之极化振幅将会隨不同的入射角度于折射角度而有所改变，而此一特性可以由菲涅尔方程式 (Fresnel equations) 表示。

图一、标准、倾斜于偏心鏡片对成像品质的模拟图

图二、极化量测系统架设原理

图三、极化量测系统架设原理剖面图

當线性偏极化平行入射光經待测鏡面折射後，其极化状态将会依据第一曲面曲率、第二曲面曲率和两曲面光轴之相对位置而产生变化。依据此特性，为用极化检测片于影像擷取系统能夠擷取待测鏡片之表面资讯，並针对偏心鏡片于倾斜鏡片以光学软件 CodeV 進行不同參數待测鏡片之模拟，如图四所示。

根据上述模拟于分析結果自行开发检测仪器如图五所示，其中入射光源为线性极化准直光，使用快速鏡片夾持座夾持待测鏡片，並于取像鏡頭前裝置于入射光相互垂直之极化滤鏡。使用此一检测架构量测 HOYA? 特制鏡片 (曲率 268.927 mm 于 54.638 mm，折射率1.498，表面无镀膜，偏心 2 mm) 之結果如图六所示。量测結果为能量中心于轮廓中心水平偏差 2.2379 mm，依据图二之理论預测偏差量为 2.2194 mm，两者之误差量为 4.4%。

图四、模拟鏡片折射率对偏心和倾斜鏡片能量分布关係

图五、非轴对称误差自動化光学检测架構图 图六、 HOYA 特製鏡片偏心于倾斜量测結果

以此概念设計检测仪器搭配为用自動化光学检测方法，对 HOYA? 鏡片進行偏差量测，可获得高精度和高重現性量测結果，未来将此检测概念于方法为用于模造玻璃和塑胶射出透

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镜之制造几何误差检测。

单镜片偏心测量

LAS激光反射式定心装配工作台可以针对单个光学元件的偏心进行检测，观察加工偏心程度，为压圈式被动装配提供重要的参考。所谓单镜片偏心测量其目的就是要寻找光轴（上表面球心和下表面球心连心线）和机械轴的偏差。

（图1）

那么就从这一角度出发单镜片偏心测量可使用两种方法： 1） 先找机械轴，再求光轴：

使用杠杆表对镜片侧面进行测量及调整，使镜片的外圆(OD)，即机械轴与旋转轴重合。此时利用光学模块观察镜片上下表面的偏心，求出偏心情况。 2） 先找光轴，再求机械轴：

先对黄铜材料的主动式定心夹具进行机械校正，再利用用光学模块观察及调整镜片上表面的偏心，使其光轴（上表面，下表面的球心）与旋转轴重合，再利用杠杆表对镜片的侧面进行测量，求出偏心情况。 1 校准夹具

OATI公司会根据客户要求提供尺寸不同的高精度黄铜材料的夹具（如图1）。该夹具为主动式定心（环式支撑）接口。将夹具放置ABS上后，可以将机械杠杆表通过夹具底部的A-B参考面，将该夹具的机械轴与旋转轴重合。另外，当样品放置在夹具上方并被真空吸附后，样品的下表面可以自主定心。

2 检测

1） 先找机械轴，再求光轴：

将夹具放置在ABS转台上，将被测镜片放置在夹具上，利用机械打表测量镜片边缘，并且通过ABS的调整（X-Y 及 倾斜方向）将镜片的机械轴与旋转轴重合。此时直接测量镜片上下表面的球心，可直接测得该镜片偏心量。

2） 先找光轴，再求机械轴：

将夹具放置在ABS转台上，利用机械打表通过夹具底部将夹具的机械轴与旋转轴重合。将镜片放置在夹具上，此时，镜片下表面自主定心。再通过观察上表面反射光，调整镜片使其光轴与旋转轴（夹具机械轴）重合。最后利用机械打表测量镜片外圆（OD）测量其机械外圆的偏心量。

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