Development of a system based on confocal chromatic sensors for geometric measurements on glass lenses

Abstract

The increasing demand for high-precision optical components, such as aspheric lenses, requires advanced metrology solutions capable of ensuring geometric quality without compromising manufacturing efficiency. Conventional measurement methods, particularly tactile systems, face significant limitations in this context. While accurate, they are inherently slow, pose a risk of damaging delicate or coated optical surfaces, and present considerable challenges for automation and inline integration into modern production environments. This work presents the development and validation of an automated, non-contact optical metrology system designed to overcome these limitations. The proposed solution is based on a dual-sensor architecture, employing two opposing chromatic confocal sensors for the simultaneous measurement of the top and bottom surfaces of a glass lens. This setup is integrated with a high-precision X-Y motion stage for systematic surface scanning and a machine vision system for automated sample alignment. The entire process is orchestrated by a custom software interface developed in Python, which manages hardware control, data acquisition, and processing. The implemented methodology covers the entire workflow, from system calibration and scan path generation to data analysis via a surface fitting algorithm, which compares the measured point cloud against the ideal mathematical lens model to calculate the form error. The developed prototype successfully demonstrated the capability to perform a complete, non-invasive geometric characterization of optical components. The dual-sensor approach was validated, enabling the simultaneous acquisition of both surface topographies and the calculation of critical parameters, such as the central thickness, in a single measurement cycle. The results indicate that the developed system represents a viable and advantageous alternative for the quality control of optical components, with strong potential for future deployment in industrial manufacturing settings.

A crescente demanda por componentes ópticos de alta precisão, como lentes asféricas, exige soluções de metrologia avançadas, capazes de garantir a qualidade geométrica sem comprometer a eficiência da fabricação. Os métodos de medição convencionais, em particular os sistemas táteis, enfrentam limitações significativas nesse contexto. Embora precisos, são inerentemente lentos, apresentam risco de danificar superfícies ópticas delicadas ou com revestimento, e possuem desafios consideráveis para automação e integração em linhas de produção modernas. Este trabalho apresenta o desenvolvimento e a validação de um sistema de metrologia óptico, automatizado e sem contato, projetado para superar essas limitações. A solução proposta baseia-se em uma arquitetura de sensor duplo, empregando dois sensores confocais cromáticos opostos para a medição simultânea das superfícies superior e inferior de uma lente de vidro. Este arranjo é integrado a um estágio de movimento X-Y de alta precisão para a varredura sistemática da superfície e a um sistema de visão computacional para o alinhamento automatizado da amostra. Todo o processo é orquestrado por uma interface de software customizada, desenvolvida em Python, que gerencia o controle do hardware, a aquisição de dados e o processamento. A metodologia implementada abrange desde a calibração do sistema e a geração de trajetórias de varredura até a análise dos dados por meio de um algoritmo de ajuste de superfície, que compara a nuvem de pontos medida com o modelo matemático ideal da lente para calcular o erro de forma. O protótipo desenvolvido demonstrou com sucesso a capacidade de realizar uma caracterização geométrica completa e não invasiva de componentes ópticos. A abordagem de sensor duplo foi validada, permitindo a aquisição simultânea das topografias de ambas as superfícies e o cálculo de parâmetros críticos, como a espessura central, em um único ciclo de medição. Os resultados indicam que o sistema desenvolvido representa uma alternativa viável e vantajosa para o controle de qualidade de componentes ópticos, com forte potencial para futura implantação em ambientes de fabricação industrial.