用凸透鏡產(chǎn)生平行光的方法與裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種用凸透鏡產(chǎn)生平行光的方法與裝置，包括位于平行光管和光學接收系統(tǒng)之間的凸透鏡，凸透鏡的中心軸、平行光管出射的平行光光軸和光學接收系統(tǒng)接收的平行光光軸三者共線，光學接收系統(tǒng)包括x軸、y軸、z軸移動機構(gòu)、CCD攝像機鏡頭和光學控制系統(tǒng)，移動機構(gòu)可使CCD攝像機鏡頭分別沿x、y、z軸方向上移動，直到所接收的光斑最小時使CCD攝像機鏡頭接收面的中心位置與光斑的中心位置相重合，重合處即凸透鏡的焦點位置，將點光源固定在凸透鏡的焦點位置處，透過凸透鏡折射即產(chǎn)生一束平行光；采用三維光學調(diào)整裝置，利用計算機檢測系統(tǒng)在線控制，自動尋找平行光透過凸透鏡會聚的焦點空間位置，焦點定位精度高。
【專利說明】用凸透鏡產(chǎn)生平行光的方法與裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光學調(diào)整裝置以及光源發(fā)生裝置，尤其是一種用三維調(diào)節(jié)機構(gòu)調(diào)整光學接收裝置以獲取凸透鏡焦點的空間位置，并以此來產(chǎn)生平行光源的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，平行光在光學檢測儀器上的應用非常廣泛，比如用于測量透鏡的焦距、透射率、鏡片的光學質(zhì)量等參數(shù)，這些場合大多是依靠平行光管或者準直鏡之類的光學發(fā)生裝置來產(chǎn)生平行光。而根據(jù)光學基本原理可知，在凸透鏡的焦點位置處，利用點光源就可以透過透鏡產(chǎn)生一束平行光，因此如何自動確定透鏡的焦點(該焦點是空間中確定的某一點三維位置)是一個技術(shù)難點。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)的檢測裝置一般只能確定焦平面位置或者焦點的大致位置。大部分透鏡焦距檢測裝置往往依賴人工觀察和手工調(diào)整，根據(jù)玻羅板成像數(shù)據(jù)從而計算出焦距，但是這種檢測裝置操作麻煩，效率低下，而且很大程度上依賴操作人員的經(jīng)驗，產(chǎn)生的誤差較大。如中國專利號為200920227939.6、名稱為“一種自動化焦距檢測儀”涉及的檢測儀，包括平行光管、透鏡夾持器、直線運動單元以及一套檢測控制處理系統(tǒng)，將透鏡夾持器安裝在直線運動單元上，平行光管、透鏡夾持器和檢測系統(tǒng)裝置都沿著同一水平軸線安裝在支撐平臺上。檢測時將待檢測的透鏡裝在透鏡夾持器上，平行光管的圖像通過透鏡后在CXD鏡頭上成像，通過采集的CCD圖像信息，計算機自動判斷焦面，然后驅(qū)動電機控制直線運動單元前后移動，使平行光管的圖像清晰地顯示在C⑶鏡頭上，即可自動計算出透鏡的焦距。這種焦距檢測儀存在以下缺點:(1)利用空間的維數(shù)少，測定的焦距也只是在線上確定一點的位置，僅在一維的直線上進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)局限性大；(2)僅能初步確定出焦距的位置，卻不能找到焦點在空間內(nèi)的準確位置，為平行光的產(chǎn)生帶來的是不確定性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足而提出一種用凸透鏡產(chǎn)生平行光的裝置和方法，利用計算機檢測系統(tǒng)在空間內(nèi)自動尋找到焦點的三維位置，增加焦點檢測精度，降低操作復雜度，提高效率。
[0005]本發(fā)明所述用凸透鏡產(chǎn)生平行光的裝置采用的技術(shù)方案是:包括位于平行光管和光學接收系統(tǒng)之間的凸透鏡，凸透鏡的中心軸、平行光管出射的平行光光軸和光學接收系統(tǒng)接收的平行光光軸三者共線，光學接收系統(tǒng)包括X軸移動機構(gòu)、y軸移動機構(gòu)、Z軸移動機構(gòu)、CCD攝像機鏡頭和光學控制系統(tǒng)，所述移動機構(gòu)可使CCD攝像機鏡頭分別沿x、y、z軸方向上移動；CCD攝像機鏡頭連接光學控制系統(tǒng)，光學控制系統(tǒng)連接計算機控制系統(tǒng)。
[0006]本發(fā)明所述用凸透鏡產(chǎn)生平行光的裝置的方法采用的技術(shù)方案是:
O由平行光管產(chǎn)生一束標準平行光線射到凸透鏡，經(jīng)凸透鏡折射匯聚到CXD攝像機鏡頭上，CCD攝像機鏡頭采集光斑的圖像信息并通過光學控制系統(tǒng)傳遞給計算機控制系統(tǒng)，計算機控制系統(tǒng)控制X軸移動機構(gòu)動作，沿光軸方向調(diào)整CCD攝像機鏡頭接收面與凸透鏡之間的距離，
2)計算機控制系統(tǒng)判斷CCD攝像機鏡頭所采集的光斑，如果光斑最小，控制y軸、z軸移動機構(gòu)動作，調(diào)整C⑶攝像機接收面的中心位置與光斑的中心位置相重合，如果光斑不是最小，繼續(xù)沿光軸方向調(diào)整CCD攝像機鏡頭接收面與凸透鏡之間的距離，直到所接收的光斑最小時，對最小光斑的圖像信息進行計算，得出CCD攝像機鏡頭接收面的中心到光斑的中心的直線距離和得出y軸、z軸方向的投影距離，根據(jù)所述投影距離分別在y軸、z軸方向上調(diào)整CXD攝像機鏡頭，使CXD攝像機鏡頭接收面的中心位置與光斑的中心位置相重合，重合處即凸透鏡的焦點位置；
3)將點光源固定在凸透鏡的焦點位置處，透過凸透鏡折射即產(chǎn)生一束平行光。
[0007]本發(fā)明與已有方法和技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點:
1、本發(fā)明采用三維光學調(diào)整裝置，利用計算機檢測系統(tǒng)在線控制，自動尋找平行光透過凸透鏡會聚的焦點空間位置，自動獲取凸透鏡的焦平面和尋求到焦點的空間位置，在檢測的焦點空間位置上放置點光源，利用幾何光學原理產(chǎn)生平行光，透鏡焦點測量的精度高，減少人工操作，提高工作效率。裝置體積小，布局合理，操作方便，可方便集成到檢測儀器中或者用于儀器產(chǎn)生平行光，適應儀器裝置發(fā)展智能化、自動化、小型化的要求。
[0008]2、本發(fā)明使用替換法，用大體積的準直鏡尋找焦距的三維方法來實現(xiàn)小體積的凸透鏡產(chǎn)生平行光，不再依靠人工操作，而是利用計算機控制系統(tǒng)使操作更加簡便，保證焦點位置判斷的一致性，提高測量的準確性。
3、本發(fā)明中的光學接收系統(tǒng)，CCD陣列捕獲焦點信息，調(diào)整焦點聚集到鏡頭圖像坐標中心，以CXD像素為間距，焦點定位精度高。
[0009]4、本發(fā)明中的X軸、y軸、z軸電機驅(qū)動裝置內(nèi)裝有步進電機，以~的精度做直線運動，提高焦距調(diào)節(jié)的精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明所述用凸透鏡產(chǎn)生平行光的裝置的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是圖1中光學接收系統(tǒng)5的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是圖1中CXD攝像機鏡頭25獲取的CXD光斑形狀及位置坐標圖；
圖4是用本發(fā)明所述裝置測量出凸透鏡4的焦點位置的方法流程圖；
圖5是用凸透鏡產(chǎn)生平行光所采用的點光源的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]附圖中各部件的序號和名稱:1.平行光管控制器；2.平行光管；3.透鏡支架；
4.凸透鏡；5.光學接收系統(tǒng)；6.z軸滑塊；7.光學控制系統(tǒng)；8.X軸電機驅(qū)動裝置；9.x軸步進電機固定支架；10.X軸螺紋絲桿；11.X軸滑塊；12.X軸滑動導向桿；13.透鏡安裝底座；14.裝置底座；15.平行光管固定支架；16.z軸滑動導向桿；17.z軸螺紋絲桿；18.z軸電機驅(qū)動裝置；19.y軸電機驅(qū)動裝置；20.y軸步進電機固定支架；21.y軸滑塊；22.y軸滑動導向桿；23.y軸螺紋絲桿；24.y軸固定支架；25.CCD攝像機鏡頭、26.燈箱；27.毛玻璃；28.白熾燈。
【具體實施方式】
[0012]參見圖1及圖2，本發(fā)明所述用凸透鏡產(chǎn)生平行光的裝置包括平行光管2、凸透鏡4和光學接收系統(tǒng)5，平行光管2由平行光管控制器I控制，平行光管2水平設置，平行光管2固定在平行光管固定支架15的頂端，平行光管固定支架15的底端垂直固定在底座14上，底座14也水平設置。凸透鏡4位于平行光管2和光學接收系統(tǒng)5之間，并且凸透鏡4的中心軸、平行光管2出射的平行光光軸和光學接收系統(tǒng)5接收的平行光光軸三者共線且平行于底座14。凸透鏡4固定嵌在透鏡支架3上，透鏡支架3的底部通過透鏡安裝底座13固定在底座14上，透鏡安裝底座13垂直于底座14。
[0013]光學接收系統(tǒng)5是三維移動光學接收系統(tǒng),包括X軸移動機構(gòu)、y軸移動機構(gòu)、z軸移動機構(gòu)、CXD攝像機鏡頭25以及光學控制系統(tǒng)7，通過移動機構(gòu)將CXD攝像機鏡頭25沿著x、y、z軸方向上移動。x、y、z軸三個不同方向上的移動機構(gòu)均由滑動導向桿、螺紋絲桿、滑塊及電機驅(qū)動裝置組成。其中:光學接收系統(tǒng)5最底部是X軸移動機構(gòu)，X軸移動機構(gòu)包括沿光軸方向依次布置的X軸滑動導向桿12、x軸滑塊ll、x軸螺紋絲桿10、x軸電機驅(qū)動裝置8和X軸步進電機固定支架9 ；x軸滑動導向桿12、X軸滑塊11和X軸螺紋絲桿10均平行于光軸，采用兩根水平布置的X軸滑動導向桿12，X軸滑動導向桿12 —端固定連接透鏡安裝底座13，另一端間隙穿過X軸滑塊11上的孔。X軸螺紋絲桿10 —端穿過X軸滑塊11的螺孔與X軸螺紋絲桿10活動連接，X軸螺紋絲桿10另一端連接X軸電機驅(qū)動裝置8。X軸電機驅(qū)動裝置8固定在X軸步進電機固定支架9上，X軸電機驅(qū)動裝置8內(nèi)裝有X軸步進電機，步進電機的輸出軸同軸連接X軸螺紋絲桿10,由X軸步進電機帶動X軸螺紋絲桿10正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)時，與X軸螺紋絲桿10相配合的X軸滑塊11沿著X軸滑動導向桿12自由往復滑動。I軸移動機構(gòu)位于X軸移動機構(gòu)的上部，y軸移動機構(gòu)包括沿I軸方向依次布置的I軸步進電機固定支架20、y軸電機驅(qū)動裝置19、y軸滑塊21、y軸滑動導向桿22、y軸螺紋絲桿23和y軸固定支架24。采用兩根水平布置的y軸滑動導向桿22，y軸滑動導向桿22 一端固定在y軸固定支架24上，另一端沿y軸方向依次設有y軸滑塊21、y軸螺紋絲桿23、y軸電機驅(qū)動裝置19。y軸滑動導向桿22另一端穿過y軸滑塊21上的孔，y軸螺紋絲桿23 —端連接y軸滑塊21，另一端連接y軸電機驅(qū)動裝置19，y軸電機驅(qū)動裝置19內(nèi)裝有Y軸步進電機，y軸步進電機的輸出軸同軸連接I軸螺紋絲桿23, y軸滑塊21在y軸步進電機的正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)驅(qū)動下沿著兩根y軸滑動導向桿22自由往復滑動。y軸電機驅(qū)動裝置19固定在y軸步進電機固定支架20上。y軸步進電機固定支架20和y軸固定支架24均固定在X軸移動機構(gòu)的X軸滑塊Ihz軸移動機構(gòu)位于I軸移動機構(gòu)的上部,包括z軸滑塊6、z軸滑動導向桿16、z軸螺紋絲桿17和z軸電機驅(qū)動裝置18。采用兩根垂直布置的z軸滑動導向桿16，z軸滑動導向桿16底端固定在y軸滑塊21上，z軸滑動導向桿16頂端穿過并活動連接z軸滑塊6，z軸滑塊6上固定支撐CXD攝像機鏡頭25。z軸電機驅(qū)動裝置18固定在y軸滑塊21上，z軸電機驅(qū)動裝置18內(nèi)裝有z軸步進電機，z軸步進電機的輸出軸同軸連接z軸螺紋絲桿17底端，z軸螺紋絲桿17以螺紋連接z軸滑塊6。當z軸步進電機正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)時，通過螺紋絲桿17帶動z軸滑塊6沿z軸滑動導向桿16的方向也即垂直于底座14的z軸方向自由往復滑動。
[0014]X軸電機驅(qū)動裝置8、y軸電機驅(qū)動裝置19和z軸電機驅(qū)動裝置18分別連接計算機控制系統(tǒng)，由計算機控制系統(tǒng)控制相應的步進電機的旋轉(zhuǎn)輸出，使相應的滑塊以Zfln的精度做直線運動，提聞焦距調(diào)節(jié)的精度。
[0015]光學接收系統(tǒng)5的CXD攝像機鏡頭25選用高分辨率的攝像機，用于采集空間內(nèi)平行光的成像光斑圖像。CCD攝像機鏡頭25連接光學控制系統(tǒng)7，光學控制系統(tǒng)7連接計算機控制系統(tǒng)。光學接收系統(tǒng)5將圖像信息通過光學控制系統(tǒng)7及時傳遞給計算機控制系統(tǒng)，通過軟件進行分析處理圖像。根據(jù)圖像處理的效果，產(chǎn)生控制信號，計算機控制系統(tǒng)可分別驅(qū)動x、y、z軸步進電機，直到獲取滿足要求的光斑圖像(即最小光斑)，以及確定焦點的精確空間位置。
[0016]在產(chǎn)生平行光之前，首先要測量出凸透鏡4的焦點位置。參見圖4，打開平行光管控制器I并作調(diào)整，驅(qū)動平行光管2產(chǎn)生一束標準平行光線，出射光直射到凸透鏡4，經(jīng)凸透鏡4折射后，匯聚到光學接收系統(tǒng)5的CCD攝像機鏡頭25上。測量凸透鏡4的焦點時，一般都已知凸透鏡4的理想焦距值，可估算出凸透鏡4的焦距。計算機控制系統(tǒng)控制X軸電機驅(qū)動裝置8中的X軸步進電機動作，將CXD攝像機鏡頭25盡量滑動到接近理想焦距的位置，這樣可節(jié)省驅(qū)動掃描時間。CCD攝像機鏡頭25采集光斑的圖像信息，并通過光學控制系統(tǒng)7傳遞給計算機控制系統(tǒng)，判斷此時的光斑是否最小，即像素點是否最少，如果該位置的光斑為最小，則說明CXD攝像機鏡頭25所在位置就是凸透鏡4焦點所在的豎直平面位置，因此，不需要再調(diào)整CXD攝像機鏡頭25在X軸方向的位置即X坐標，僅由計算機控制系統(tǒng)控制I軸步進電機和z軸步進電機動作，使y軸移動機構(gòu)和z軸移動機構(gòu)分別以的精度進行動作，調(diào)整CCD攝像機25接收面的中心位置與光斑的中心位置相重合，光斑的中心調(diào)整到CXD攝像機25的坐標軸的中心，記錄下CXD攝像機25的三維坐標，即凸透鏡4的焦點所在處。反之，如果CXD攝像機鏡頭25所在位置采集的光斑不是最小值，說明此時CXD攝像機鏡頭25接收面沒有與凸透鏡4的焦平面重合，需要繼續(xù)沿著光軸方向調(diào)整CXD攝像機鏡頭25接收面與凸透鏡4之間的距離，直到所接收的光斑最小時，說明接收面與凸透鏡4的焦平面重合。首先由計算機控制系統(tǒng)控制X軸步進電機以Zbb的精度進行動作，找到CCD攝像機鏡頭25所在位置采集的光斑最小的X坐標，然后計算機控制系統(tǒng)對采集到光斑的圖像信息進行計算，得出CXD攝像機鏡頭25接收面的中心位置O到光斑的中心位置的直線距離，分解得出y軸、z軸方向的投影距離，使CCD攝像機鏡頭25根據(jù)計算的距離分別在y軸、z軸方向上控制y軸步進電機和z軸步進電機以的精度進行動作，分別調(diào)整CCD攝像機鏡頭25接收面的y軸方向和z軸方向的位置，使得CXD攝像機鏡頭25接收面的中心位置O與光斑的中心位置相重合，參見圖3所示，即確定出相重合處即凸透鏡4的焦點所在處，焦點位置也是CCD攝像機鏡頭25接收面所在的中心位置0，也確定出凸透鏡4的焦點的三維坐標。
[0017]參見圖5，在測量出凸透鏡4的焦點位置后，將一個點光源固定在該凸透鏡4的焦點位置處，透過凸透鏡4折射即可產(chǎn)生一束平行光。點光源可采用將白熾燈28或者其它光源安裝在一個燈箱26內(nèi)，在燈箱26的一面開有一個小孔，同時在小孔處用毛玻璃27蓋住即可完成點光源。
【權(quán)利要求】
1.一種用凸透鏡產(chǎn)生平行光的裝置，其特征是:包括位于平行光管(2)和光學接收系統(tǒng)(5)之間的凸透鏡(4)，凸透鏡(4)的中心軸、平行光管(2)出射的平行光光軸和光學接收系統(tǒng)(5)接收的平行光光軸三者共線，光學接收系統(tǒng)(5)包括X軸移動機構(gòu)、y軸移動機構(gòu)、z軸移動機構(gòu)、CCD攝像機鏡頭(25)和光學控制系統(tǒng)(7)，所述移動機構(gòu)可使CCD攝像機鏡頭(25)分別沿X、y、z軸方向上移動；(XD攝像機鏡頭(25)連接光學控制系統(tǒng)(7)，光學控制系統(tǒng)(7)連接計算機控制系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述用凸透鏡產(chǎn)生平行光的裝置，其特征是:光學接收系統(tǒng)(5)最底部是X軸移動機構(gòu)，包括沿光軸方向依次布置的X軸滑動導向桿(12)、X軸滑塊(11)、X軸螺紋絲桿(10)、x軸電機驅(qū)動裝置(8)和X軸步進電機固定支架(9);x軸電機驅(qū)動裝置(8)內(nèi)有X軸步進電機，X軸步進電機的輸出軸同軸連接X軸螺紋絲桿(10), X軸步進電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)驅(qū)動X軸螺紋絲桿(10)帶動X軸滑塊(11)沿X軸滑動導向桿(12)往復滑動； y軸移動機構(gòu)位于X軸移動機構(gòu)的上部，包括沿I軸方向依次布置的I軸步進電機固定支架(20 )、y軸電機驅(qū)動裝置(19 )、y軸滑塊(21)、y軸滑動導向桿(22 )、y軸螺紋絲桿(23 )和y軸固定支架(24), y軸滑動導向桿(22)—端固定連接y軸固定支架(24),另一端穿過y軸滑塊(21)上的孔，y軸螺紋絲桿(23) —端連接y軸滑塊(21)，另一端連接y軸電機驅(qū)動裝置(19)，y軸電機驅(qū)動裝置(19)固定連接y軸步進電機固定支架(20)，y軸步進電機固定支架(20 )和y軸固定支架(24 )均固定連接所述X軸滑塊(11)，y軸電機驅(qū)動裝置(19 )內(nèi)裝有I軸步進電機，Y軸步進電機的輸出軸同軸連接I軸螺紋絲桿(23), y軸步進電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)驅(qū)動I軸螺紋絲桿(23)帶動y軸滑塊(21)沿y軸滑動導向桿(22)往復滑動； z軸移動機構(gòu)位于I軸移動機構(gòu)的上部,包括z軸滑塊(6)、z軸滑動導向桿(16)、z軸螺紋絲桿(17)和z軸電機驅(qū)動裝置(18)，z軸滑動導向桿(16)底端固定連接所述y軸滑塊(21)、頂端穿過并活動連接z軸滑塊(6)，z軸滑塊(6)上端固定支撐所述CXD攝像機鏡頭(25)；z軸電機驅(qū)動裝置(18 )內(nèi)裝有z軸步進電機，z軸步進電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)驅(qū)動螺紋絲桿(17)帶動z軸滑塊(6)沿z軸滑動導向桿(16)往復滑動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述用凸透鏡產(chǎn)生平行光的裝置，其特征是:平行光管(2)固定連接平行光管固定支架(15)的頂端，平行光管固定支架(15)的底端垂直固定在水平設置的底座(14 )上，凸透鏡(4 )固定嵌在透鏡支架(3 )上，透鏡支架(3 )的底部通過透鏡安裝底座(13)固定在底座(14)上，透鏡安裝底座(13)垂直于底座(14)。
4.一種如權(quán)利要求1所述用凸透鏡產(chǎn)生平行光的裝置的方法，其特征是采用如下步驟: O由平行光管(2)產(chǎn)生一束標準平行光線射到凸透鏡(4)，經(jīng)凸透鏡(4)折射匯聚到CXD攝像機鏡頭(25)上，CXD攝像機鏡頭(25)采集光斑的圖像信息并通過光學控制系統(tǒng)(7)傳遞給計算機控制系統(tǒng)，計算機控制系統(tǒng)控制X軸移動機構(gòu)動作，沿光軸方向調(diào)整CCD攝像機鏡頭(25 )接收面與凸透鏡(4 )之間的距離， 2)計算機控制系統(tǒng)判斷CCD攝像機鏡頭25所采集的光斑，如果光斑最小，控制y軸、z軸移動機構(gòu)動作，調(diào)整C⑶攝像機(25)接收面的中心位置與光斑的中心位置相重合，如果光斑不是最小，繼續(xù)沿光軸方向調(diào)整CXD攝像機鏡頭(25)接收面與凸透鏡(4)之間的距離，直到所接收的光斑最小時，對最小光斑的圖像信息進行計算，得出CCD攝像機鏡頭(25)接收面的中心到光斑的中心的直線距離和得出I軸、z軸方向的投影距離，根據(jù)所述投影距離分別在y軸、z軸方向上調(diào)整CXD攝像機鏡頭(25)，使CXD攝像機鏡頭(25)接收面的中心位置與光斑的中心位置相重合，重合處即凸透鏡(4)的焦點位置；3)將點光源固定在凸透鏡(4)的焦點位置處，透過凸透鏡(4)折射即產(chǎn)生一束平行光 。
【文檔編號】G02B27/00GK103439088SQ201310360007
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月19日
【發(fā)明者】張榮標, 孫曉軍, 李文勝, 王婉婉, 錢弼違 申請人:江蘇大學