本實(shí)用新型涉及光學(xué)定心領(lǐng)域，具體涉及一種基于表面反射像的微米級(jí)光電定心裝置。主要用于沒有中心孔的圓形光學(xué)元件表面為球面或者二次曲面光學(xué)零件的定心工作。

背景技術(shù)：

光學(xué)元件的生產(chǎn)加工都要經(jīng)過粗磨、精磨、拋光、定心和磨邊這樣一個(gè)過程，所謂光學(xué)元件的定心就是通過一定的方法使圓形光學(xué)元件的光學(xué)表面頂點(diǎn)處的法線與基準(zhǔn)軸重合的過程，這里的基準(zhǔn)軸就是用來標(biāo)注、檢驗(yàn)和校正中心誤差的一條確定的直線，可以是機(jī)床的回轉(zhuǎn)軸或者系統(tǒng)的光軸。傳統(tǒng)的光學(xué)元件定心方法按照原理主要可分為機(jī)械法、光學(xué)法和光電結(jié)合法。

機(jī)械定心法的原理為：利用一對同軸性很高的、且斷面垂直軸線的定心夾頭，借助施加在夾頭上的彈簧力將待測件加緊。其中一個(gè)夾頭只能轉(zhuǎn)動(dòng)，另外一個(gè)既能轉(zhuǎn)動(dòng)又能沿著軸線移動(dòng)；定心過程中，如果待測件處于非定心狀態(tài)，由于邊厚的不同導(dǎo)致待測見受力不均衡，夾頭給待測件的定心力會(huì)使得待測件在垂直于軸線上移動(dòng)；當(dāng)待測件不再移動(dòng)時(shí)，說明透鏡光軸與夾頭軸線達(dá)到一定的重和精度，從而實(shí)現(xiàn)定心。機(jī)械法定心的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單、加工效率高、適合大批量加工和具有中等精度，不足之處在于精度不高，且精度受定心角的影響。

光學(xué)定心法主要包括表面反射像定心法、球心自準(zhǔn)直像定心法和透射像定心法。

表面反射像定心法原理為：待測件粘接到定心接頭上，定心接頭可以繞機(jī)床回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在待測鏡另一側(cè)放置光源，并在燈的同一側(cè)觀察反射像的位置。定心過程中定心接頭繞著回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，如果所觀察到的光源的像不動(dòng)或者調(diào)跳動(dòng)在允差范圍內(nèi)時(shí)則完成了定心。表面反射像定心法的優(yōu)點(diǎn)在于：設(shè)備簡單、觀察直接、適用于單件和小批量生產(chǎn)；不足之處在于：需要操作人員通過目視來判斷定心精度，導(dǎo)致精度不高，而且適用范圍不寬。

球心自準(zhǔn)直反射像定心法的原理為：待測件粘接在定心頭上，定心頭可以繞機(jī)床回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，待測鏡另一側(cè)依次放置會(huì)聚鏡頭、準(zhǔn)直鏡頭和分劃板。定心過程中分劃板的像被待測件反射后會(huì)依然成像于分劃板上，當(dāng)定心接頭繞著回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，分劃板的像如果不動(dòng)或者調(diào)動(dòng)在允差范圍內(nèi)時(shí)，則完成了定心。球心自準(zhǔn)直反射向定心法的優(yōu)點(diǎn)在于：采用光學(xué)放大系統(tǒng)和分劃板使得整個(gè)系統(tǒng)的定心精度高；不足之處在于：一般只用于直徑小、曲率半徑小的透鏡，由于視場小使得找像困難，設(shè)備較為復(fù)雜且對于定心儀的移動(dòng)導(dǎo)軌要求高。

透射法定心法的原理為：光源產(chǎn)生的光經(jīng)過匯聚在十字分劃板后準(zhǔn)直進(jìn)入待測件，經(jīng)過待測件的光被成像物鏡會(huì)聚到另外一個(gè)分劃板，之后再由成像目鏡將像成像到觀察者眼中。該方法主要用于透鏡定心，在定心時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)待測透鏡，如果在分劃板上十字分劃不動(dòng)或者跳動(dòng)在允差范圍內(nèi)，經(jīng)完成了定心。透射式定心法的適用范圍僅限于透射鏡頭，而且存在一個(gè)最大的不足：當(dāng)透鏡像方焦點(diǎn)對基準(zhǔn)軸的偏離量為零，就算光軸與基準(zhǔn)軸仍然有交角時(shí)，透鏡實(shí)際存在的偏心差無法顯示出來。

光電結(jié)合法主要包括光學(xué)電視定心法和激光定心法。

光學(xué)電視定心法是在球心自準(zhǔn)直定心法基礎(chǔ)上發(fā)展出來的。改進(jìn)之處在于增加了傾斜45°放置的分束板，經(jīng)過待測件反射的分劃板的像經(jīng)過分束板之后直接成像于攝像機(jī)，通過顯示屏給出分劃板的像并顯示出定心誤差。其優(yōu)點(diǎn)在于：精度高、檢測直觀、效率高；不足之處在于：一般采用普通光源，光源譜段較寬，為了獲得較好的成像質(zhì)量，對光學(xué)系統(tǒng)的要求變高，使得系統(tǒng)較為復(fù)雜，成本也較高。

激光定心法主要由三部分組成：可調(diào)焦的激光器、二維位置傳感器、電子處理和顯示部分。其測量原理為：從激光器發(fā)出的光經(jīng)過可調(diào)焦的光學(xué)系統(tǒng)通過定心透鏡，待測透鏡用一個(gè)中心可透光的夾具夾持，在透鏡后用帶可調(diào)千分尺的光電晶體接收像，并將光點(diǎn)顯示在顯示器上。激光定心法的優(yōu)點(diǎn)在于：操作簡單、速度快、定心精度高；不足之處在于：應(yīng)用范圍有限，僅能用于透鏡，而且對于透射式定心法所面臨的問題也不能有效解決。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提出一種基于表面反射像的微米級(jí)光電定心裝置，不但可以滿足高精度光學(xué)定心的要求，而且還可以為未來定心裝置的發(fā)展提供一種思路。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、操作容易、應(yīng)用范圍廣、定心精度高的特點(diǎn)，主要用于表面為球面或者二次曲面光學(xué)零件的定心工作。

本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是提供一種基于表面反射像的微米級(jí)光電定心方法，包括以下步驟：

1)將一束激光經(jīng)分束棱鏡分為反射光束和透射光束；

2)其中反射光束經(jīng)準(zhǔn)直后再被反射，原路返回后成像；透射光束準(zhǔn)直后會(huì)聚于待測物鏡表面的曲率中心，被待測鏡表面反射后沿原光路返回經(jīng)分束棱鏡反射后成像；

3)用亞像素技術(shù)獲取像面光斑的質(zhì)心，根據(jù)質(zhì)心點(diǎn)的坐標(biāo)就可得出待測元件表面的偏心量。

本實(shí)用新型還提供了一種基于表面反射像的微米級(jí)光電定心裝置，其特別之處在于：包括激光器、分束棱鏡、設(shè)置在分束棱鏡透射光路的待測單元、設(shè)置在分束棱鏡反射光路上的參考單元、CCD/CMOS相機(jī)；上述分束棱鏡由兩塊直角棱鏡膠合而成，膠合面鍍有半透半反膜；

上述待測單元包括依次設(shè)置的準(zhǔn)直鏡、會(huì)聚物鏡和待測鏡；

上述參考光單元包括依次設(shè)置的參考光單元準(zhǔn)直鏡和參考光單元反射鏡；

上述CCD/CMOS相機(jī)用于測試單元和參考單元的成像。

為了適用于不同的曲率范圍，上述會(huì)聚物鏡為多組。

上述分束棱鏡、準(zhǔn)直鏡和會(huì)聚物鏡的材料為光學(xué)玻璃材料K9，極大的簡化了光學(xué)系統(tǒng)。

本實(shí)用新型的工作原理如下：

由激光器1發(fā)出的光經(jīng)過分束棱鏡2透射后分為兩束，其中一束被反射進(jìn)入?yún)⒖脊鈫卧獪?zhǔn)直鏡6被準(zhǔn)直為平行光，入射到參考光單元反射鏡7后被反射，原路返回進(jìn)入分束棱鏡2，透過分束棱鏡2后成像于CCD/CMOS相機(jī)8；另外一束光透射進(jìn)入準(zhǔn)直鏡3準(zhǔn)直為平行光，傳輸?shù)綍?huì)聚物鏡4后平行光聚焦于待測鏡5表面的曲率中心，傳播到待測鏡5時(shí)被待測鏡5表面反射沿原光路返回，經(jīng)過分束棱鏡2后成像于CCD/CMOS相機(jī)8，相機(jī)將獲得的像采集之后利用亞像素技術(shù)獲取像面光斑的質(zhì)心，根據(jù)質(zhì)心點(diǎn)的坐標(biāo)就可得出原件表面的偏心量。

本實(shí)用新型的有益效果是：

(1)本裝置結(jié)構(gòu)非常簡單，使用非常方便，易于集成，不僅可方便的用于光學(xué)元件的定心任務(wù)，也可安裝到機(jī)床上用于磨邊定心；

(2)本裝置中由參考光單元準(zhǔn)直鏡和參考光單元反射鏡組成的參考光單元為定心裝置參考點(diǎn)，在不依賴旋轉(zhuǎn)機(jī)床的條件下依然可以快速的給出待測鏡偏心情況；

(3)本裝置的定心范圍非常廣，通過更換特定的會(huì)聚物鏡可以檢測任何曲率的表面；

(4)本裝置因?yàn)椴捎眉す馄?波長為632.8nm)作為光源，光源譜段很窄，色差影響較小，系統(tǒng)所用透鏡以及分束透鏡均采用同一種常用光學(xué)玻璃材料K9，極大的簡化了光學(xué)系統(tǒng)；

(5)高速讀出電路結(jié)合圖像處理中的亞像元算法可以實(shí)時(shí)高精度的獲取表面的偏心情況。

附圖說明

圖1(a)為本實(shí)用新型整體結(jié)構(gòu)示意圖一；

圖1(b)為本實(shí)用新型整體結(jié)構(gòu)示意圖二；

圖2(a)為本實(shí)用新型參考光單元設(shè)計(jì)圖；

圖2(b)為本實(shí)用新型在待測鏡理想情況光學(xué)系統(tǒng)圖；

圖3(a)為本實(shí)用新型在待測鏡在X方向偏心2mm情況光學(xué)系統(tǒng)圖；

圖3(b)為本實(shí)用新型在待測鏡在Y方向偏心2mm情況光學(xué)系統(tǒng)圖；

圖3(c)為本實(shí)用新型在待測鏡在X方向傾斜2mm情況光學(xué)系統(tǒng)圖；

圖3(d)為本實(shí)用新型在待測鏡在Y方向傾斜-2mm情況光學(xué)系統(tǒng)圖；

圖4為本實(shí)用新型整體光學(xué)系統(tǒng)圖。

圖5為本實(shí)用新型在理想情況、X方向傾斜2mm、Y方向傾斜-2mm、X/Y偏心2mm時(shí)像面彌散斑綜合示意圖；

圖中附圖標(biāo)記為：1-激光器，2-分束棱鏡，3-準(zhǔn)直鏡，4-會(huì)聚物鏡，5-待測鏡，6-參考單元準(zhǔn)直鏡，7-參考單元反射鏡，8-CCD/CMOS相機(jī)。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步的描述。

如圖1a所示，為本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)的一種結(jié)構(gòu)示意圖，沿軸線依次放置有激光器1、分束棱鏡2、準(zhǔn)直鏡3、會(huì)聚物鏡4和待測鏡5，在分束棱鏡的透射光路上依次放置有參考單元準(zhǔn)直鏡6與參考單元反射鏡7，CCD/CMOS相機(jī)8軸線、參考光路準(zhǔn)直鏡6與參考光路反射鏡7的光軸均于分束棱鏡的中心軸重合，該中心軸與上述軸線垂直，待測鏡反射的光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚的像面與經(jīng)過參考光路反射鏡反射的光線匯聚的像面重合；CCD/CMOS相機(jī)8所處位置為待測鏡反射的光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚的像面附近；本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)的會(huì)聚物鏡可以分為多組，以便適用于不同曲率的被測件，如圖1b所示，為本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)的適用于另外一種不同曲率的被測件的示意圖。

本實(shí)施例中光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)如下：激光器采用波長為632.8nm的He-Ne激光器；分束棱鏡由兩塊K9直角棱鏡膠合而成，膠合面鍍有半透半反膜；準(zhǔn)直鏡與會(huì)聚物鏡相同，均采用K9玻璃，焦距為100mm，后截距為100mm，實(shí)際使用時(shí)可以用來測量曲率小于100mm的表面偏心度。如果有需要測量曲率半徑更大的凸表面，則可以設(shè)計(jì)出焦距更大且后截距更長的會(huì)聚物鏡，之后更換現(xiàn)有的會(huì)聚物鏡即可。