柱面鏡光學(xué)定軸系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)定軸領(lǐng)域，具體涉及一種柱面鏡光學(xué)定軸加工的系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 柱面鏡是非球面的一個(gè)特例，具有特殊的光學(xué)成像特性。高精度的柱面鏡和柱面 系統(tǒng)在線聚焦系統(tǒng)、電影攝像鏡頭、激光打印機(jī)等方面的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，這些應(yīng)用需要相 應(yīng)高精度的裝調(diào)手段來(lái)保證光學(xué)系統(tǒng)的光軸一致性。
[0003] 柱面鏡的成像特性：因?yàn)橹嫱哥R不是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，所以柱面鏡沒(méi)有球心點(diǎn)，只有 球心線。平面波經(jīng)過(guò)柱面透鏡也不會(huì)形成焦點(diǎn)，而會(huì)形成一條交線。理論上柱面鏡不存在 所謂光軸，但在實(shí)際應(yīng)用中是多個(gè)柱面鏡組合使用，要求各柱面鏡的平面相互平行，其交線 相互正交，各正交點(diǎn)必須在一條直線上且與柱面鏡的平面垂直，所有實(shí)際柱面鏡的裝調(diào)過(guò) 程中會(huì)用到柱面鏡的虛擬光軸。
[0004] 如果柱面光學(xué)系統(tǒng)不能滿足如上裝調(diào)要求，則會(huì)導(dǎo)致柱面系統(tǒng)光學(xué)質(zhì)量下降甚至 不能使用。所以柱面鏡光軸的確定是柱面光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)中亟待解決的重要技術(shù)難點(diǎn)。
[0005] 現(xiàn)有的柱面鏡定軸方法是，利用光學(xué)定心儀尋找控制該柱面鏡平面的自準(zhǔn)直反射 像跳動(dòng)量，再利用千分表控制柱面鏡母線在水平和垂直方向的變化量，保證柱面鏡的定軸 精度。這種方法的缺點(diǎn)是：
[0006] 1、此方法采用千分表接觸式測(cè)量，操作過(guò)程容易劃傷柱面鏡鍍膜面；
[0007] 2、多次調(diào)整柱面鏡姿態(tài)時(shí)，接觸式測(cè)量的復(fù)位精度無(wú)法保證，造成累積誤差；
[0008] 3、以柱面鏡外形公差確定其光軸位置，光軸精度無(wú)法保證，即用機(jī)械精度無(wú)法保 證光學(xué)精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為了解決現(xiàn)有的確定柱面鏡光軸基準(zhǔn)的方法易導(dǎo)致光學(xué)元件劃傷及光軸基準(zhǔn)精 度低的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種柱面鏡光學(xué)定軸系統(tǒng)及方法。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：
[0011] 柱面鏡光學(xué)定軸系統(tǒng)，其特殊之處在于：包括姿態(tài)調(diào)整工裝、鏡框、光學(xué)定心儀、 CCD相機(jī)以及PC機(jī)；
[0012] 所述姿態(tài)調(diào)整工裝設(shè)置在車床回轉(zhuǎn)軸上，所述鏡框固定在姿態(tài)調(diào)整工裝的一端， 所述光學(xué)定心儀位于鏡框的出射窗口的正前方，且與CCD相機(jī)的一端連接；所述CCD相機(jī)的 另一端與PC機(jī)連接；鏡框內(nèi)固定有柱面鏡，柱面鏡的柱面朝向光學(xué)定心儀，與柱面的相對(duì) 面為B面。
[0013] 柱面鏡光學(xué)定軸方法，包括以下步驟：
[0014] 1】尋找柱面鏡的平面自準(zhǔn)直像點(diǎn)：
[0015] 1. 1】將光學(xué)定心儀調(diào)焦到柱面鏡B面的球心像位置，成在光學(xué)定心儀上的像點(diǎn)即 為柱面鏡的平面自準(zhǔn)直反射像點(diǎn)；
[0016] 根據(jù)柱面鏡的類型通過(guò)以下幾種方式確定B面的球心像位置：
[0017] 平凸柱面鏡的B面球心像的位置L :
[0018] 平凹柱面鏡的B面球心像的位置L :
[0019] Rb為B面的曲率半徑，R a為柱面的曲率半徑，N為柱面鏡的材料折射率，d為柱面 鏡的中心厚度；
[0020] 1. 2】將找到的平面自準(zhǔn)直反射像點(diǎn)通過(guò)C⑶相機(jī)顯示在PC機(jī)上；調(diào)整姿態(tài)控制 工裝，并觀察PC機(jī)上的平面自準(zhǔn)直反射像點(diǎn)，直至平面自準(zhǔn)直反射像點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡由劃大 圓逐漸變?yōu)閯澬A；
[0021] 2】尋找柱面鏡的柱面自準(zhǔn)直像：
[0022] 2. 1】將光學(xué)定心儀調(diào)焦到柱面鏡的柱面曲率中線位置，成在光學(xué)定心儀上的像點(diǎn) 即為柱面鏡的一次柱面自準(zhǔn)直像（直線），通過(guò)CCD相機(jī)在PC機(jī)找到柱面鏡一次柱面自準(zhǔn) 直像，并讀取此時(shí)柱面鏡一次柱面自準(zhǔn)直像在光學(xué)定心儀上的位置Ll ;
[0023] 2. 2】將車床回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)180度，光學(xué)定心儀保持不變，成在光學(xué)定心儀上的像點(diǎn) 即為柱面鏡的二次柱面自準(zhǔn)直像，通過(guò)CXD相機(jī)在PC機(jī)找到柱面鏡二次柱面自準(zhǔn)直像，并 讀取此時(shí)柱面鏡二次柱面自準(zhǔn)直像在光學(xué)定心儀上的位置L2 ;
[0024] 2. 3】將光學(xué)定心儀的測(cè)微目鏡十字絲調(diào)整在（L1+L2)/2位置；
[0025] 2. 4】調(diào)整姿態(tài)調(diào)整工裝，通過(guò)CXD相機(jī)在PC機(jī)上觀察，直到柱面鏡的一次柱面自 準(zhǔn)直像和二次柱面自準(zhǔn)直像的中心與測(cè)微目鏡十字絲的中心重合；
[0026] 3】執(zhí)行步驟1】，直至柱面鏡的自準(zhǔn)直反射像點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡由劃大圓逐漸變?yōu)閯澬?圓甚至接近靜止不動(dòng)，柱面鏡的柱面自準(zhǔn)直像與測(cè)微目鏡的十字絲的中心重合，此時(shí)柱面 鏡的光軸與車床回轉(zhuǎn)軸重合。
[0027] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0028] (1)本發(fā)明完全采用光學(xué)非接觸式測(cè)量方式，尋找柱面鏡的平面自準(zhǔn)直反射像和 柱面自準(zhǔn)直反射像，不會(huì)劃傷柱面鏡鍍膜面。
[0029] (2)本發(fā)明通過(guò)姿態(tài)調(diào)整工裝改變柱面鏡空間姿態(tài)，控制兩像在光學(xué)定心儀內(nèi)的 跳動(dòng)量，保證光軸與機(jī)械旋轉(zhuǎn)軸的重合精度，定軸加工精度高。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1為本發(fā)明的柱面鏡定軸的系統(tǒng)示意圖；
[0031] 其中附圖標(biāo)記為：1-車床回轉(zhuǎn)軸，2-姿態(tài)調(diào)整工裝，3-鏡框，4-柱面鏡，5-光學(xué)定 心儀，6-CCD相機(jī)，7-PC機(jī)，8-車刀。
【具體實(shí)施方式】
[0032] 如圖1所示，柱面鏡光學(xué)定軸加工系統(tǒng)，包括車床回轉(zhuǎn)軸1、姿態(tài)調(diào)整工裝2、鏡框 3、柱面鏡4、車刀8、光學(xué)定心儀5、C⑶相機(jī)6以及PC機(jī)7 ;姿態(tài)調(diào)整工裝2設(shè)置在車床回 轉(zhuǎn)軸1上，鏡框3設(shè)置在姿態(tài)調(diào)整工裝2的一端，光學(xué)定心儀5位于鏡框3的出射窗口的正 前方，且與C⑶相機(jī)6的一端連接；C⑶相機(jī)6的另一端與PC機(jī)7連接；柱面鏡4固定在鏡 框3內(nèi)，其柱面部分朝向光學(xué)定心儀5 ;與柱面的相對(duì)面為B面，車刀8與鏡框3外沿接觸。
[0033] 具體步驟：
[0034] 1】尋找柱面鏡的平面自準(zhǔn)直像點(diǎn)：
[0035] 1. 1】將光學(xué)定心儀調(diào)焦到柱面鏡B面的球心像位置，成在光學(xué)定心儀上的像點(diǎn)即 為柱面鏡的平面自準(zhǔn)直反射像點(diǎn)；
[0036] 根據(jù)柱面鏡的類型通過(guò)以下幾種方式確定B面的球心像位置：
[0037] 平凸柱面鏡的B面球心像的位置L :
[0038] 平凹柱面鏡的B面球心像的位置L :
[0039] Rb為B面的曲率半徑，R a為柱面的曲率半徑，N為柱面鏡的材料折射率，d為柱面 鏡的中心厚度；
[0040] 1. 2】將找到的平面自準(zhǔn)直反射像點(diǎn)通過(guò)C⑶相機(jī)顯示在PC機(jī)上；調(diào)整姿態(tài)控制 工裝，并觀察PC機(jī)上的平面自準(zhǔn)直反射像點(diǎn)，直至平面自準(zhǔn)直反射像點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡由劃大 圓逐漸變?yōu)閯澬A；
[0041] 2】尋找柱面鏡的柱面自準(zhǔn)直像：
[0042] 2. 1】將光學(xué)定心儀調(diào)焦到柱面鏡的柱面曲率中線位置，成在光學(xué)定心儀上的像點(diǎn) 即為柱面鏡的一次柱面自準(zhǔn)直像（該像為直線），通過(guò)CCD相機(jī)在PC機(jī)找到柱面鏡一次柱 面自準(zhǔn)直像，并讀取此時(shí)柱面鏡一次柱面自準(zhǔn)直像在光學(xué)定心儀上的位置Ll ;
[0043] 2. 2】將車床回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)180度，光學(xué)定心儀保持不變，成在光學(xué)定心儀上的像點(diǎn) 即為柱面鏡的二次柱面自準(zhǔn)直像，通過(guò)CXD相機(jī)在PC機(jī)找到柱面鏡二次柱面自準(zhǔn)直像，并 讀取此時(shí)柱面鏡二次柱面自準(zhǔn)直像在光學(xué)定心儀上的位置L2 ;
[0044] 2. 3】將光學(xué)定心儀的測(cè)微目鏡十字絲調(diào)整在（L1+L2)/2位置；
[0045] 2. 4】調(diào)整姿態(tài)調(diào)整工裝，通過(guò)CXD相機(jī)在PC機(jī)上觀察，直到柱面鏡的一次柱面自 準(zhǔn)直像和二次柱面自準(zhǔn)直像的中心與測(cè)微目鏡十字絲的中心重合；
[0046] 3】執(zhí)行步驟1】，直至柱面鏡的自準(zhǔn)直反射像點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡由劃大圓逐漸變?yōu)閯澬?圓甚至接近靜止不動(dòng)，柱面鏡的柱面自準(zhǔn)直像與測(cè)微目鏡的十字絲的中心重合，此時(shí)柱面 鏡的光軸與車床回轉(zhuǎn)軸重合。
[0047] 4】此時(shí)加工柱面鏡結(jié)構(gòu)框相關(guān)尺寸，保證結(jié)構(gòu)外圓與柱面鏡光軸同軸度優(yōu)于 0. 007mm,保證結(jié)構(gòu)端面與柱面鏡光軸垂直度優(yōu)于0. 01mm。
[0048] 5】使用車刀對(duì)鏡框進(jìn)行加工，保證外圓與柱面鏡光軸同軸度優(yōu)于0. 007mm，保證結(jié) 構(gòu)端面與柱面鏡光軸垂直度優(yōu)于0. 01mm。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 柱面鏡光學(xué)定軸系統(tǒng)，其特征在于：包括姿態(tài)調(diào)整工裝、鏡框、光學(xué)定心儀、CCD相機(jī) 以及PC機(jī)； 所述姿態(tài)調(diào)整工裝設(shè)置在車床回轉(zhuǎn)軸上，所述鏡框固定在姿態(tài)調(diào)整工裝的一端，所述 光學(xué)定心儀位于鏡框的出射窗口的正前方，且與CCD相機(jī)的一端連接；所述CCD相機(jī)的另一 端與PC機(jī)連接；鏡框內(nèi)固定有柱面鏡，柱面鏡的柱面朝向光學(xué)定心儀，與柱面的相對(duì)面為B 面。2. 基于權(quán)利要求1所述的柱面鏡光學(xué)定軸方法，其特征在于：包括以下步驟： 1】尋找柱面鏡的平面自準(zhǔn)直像點(diǎn)： 1. 1】將光學(xué)定心儀調(diào)焦到柱面鏡B面的球心像位置，成在光學(xué)定心儀上的像點(diǎn)即為柱 面鏡的平面自準(zhǔn)直反射像點(diǎn)； 根據(jù)柱面鏡的類型通過(guò)以下幾種方式確定B面的球心像位置：平凸柱面鏡的B面球心像的位置L : 平凹柱面鏡的B面球心像的位置L : Rb為B面的曲率半徑，Ra為柱面的曲率半徑，N為柱面鏡的材料折射率，d為柱面鏡的 中心厚度； 1. 2】將找到的平面自準(zhǔn)直反射像點(diǎn)通過(guò)C⑶相機(jī)顯示在PC機(jī)上；調(diào)整姿態(tài)控制工裝， 并觀察PC機(jī)上的平面自準(zhǔn)直反射像點(diǎn)，直至平面自準(zhǔn)直反射像點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡由劃大圓逐 漸變?yōu)閯澬A； 2】尋找柱面鏡的柱面自準(zhǔn)直像： 2. 1】將光學(xué)定心儀調(diào)焦到柱面鏡的柱面曲率中線位置，成在光學(xué)定心儀上的像點(diǎn)即為 柱面鏡的一次柱面自準(zhǔn)直像（直線），通過(guò)CXD相機(jī)在PC機(jī)找到柱面鏡一次柱面自準(zhǔn)直像， 并讀取此時(shí)柱面鏡一次柱面自準(zhǔn)直像在光學(xué)定心儀上的位置Ll ; 2. 2】將車床回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)180度，光學(xué)定心儀保持不變，成在光學(xué)定心儀上的像點(diǎn)即為 柱面鏡的二次柱面自準(zhǔn)直像，通過(guò)CCD相機(jī)在PC機(jī)找到柱面鏡二次柱面自準(zhǔn)直像，并讀取 此時(shí)柱面鏡二次柱面自準(zhǔn)直像在光學(xué)定心儀上的位置L2 ; 2. 3】將光學(xué)定心儀的測(cè)微目鏡十字絲調(diào)整在（L1+L2)/2位置； 2. 4】調(diào)整姿態(tài)調(diào)整工裝，通過(guò)CXD相機(jī)在PC機(jī)上觀察，直到柱面鏡的一次柱面自準(zhǔn)直 像和二次柱面自準(zhǔn)直像的中心與測(cè)微目鏡十字絲的中心重合； 3】執(zhí)行步驟1】，直至柱面鏡的自準(zhǔn)直反射像點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡由劃大圓逐漸變?yōu)閯澬A甚 至接近靜止不動(dòng)，柱面鏡的柱面自準(zhǔn)直像與測(cè)微目鏡的十字絲的中心重合，此時(shí)柱面鏡的 光軸與車床回轉(zhuǎn)軸重合。
【專利摘要】本發(fā)明涉及柱面鏡光學(xué)定軸系統(tǒng)及方法，包括姿態(tài)調(diào)整工裝、鏡框、光學(xué)定心儀、CCD相機(jī)以及PC機(jī)；姿態(tài)調(diào)整工裝設(shè)置在車床回轉(zhuǎn)軸上，鏡框固定在姿態(tài)調(diào)整工裝的一端，光學(xué)定心儀位于鏡框的出射窗口的正前方，且與CCD相機(jī)的一端連接；CCD相機(jī)的另一端與PC機(jī)連接；鏡框內(nèi)固定有柱面鏡，柱面鏡的柱面朝向光學(xué)定心儀，與柱面的相對(duì)面為B面。本發(fā)明解決了現(xiàn)有的確定柱面鏡光軸基準(zhǔn)的方法易導(dǎo)致光學(xué)元件劃傷及光軸基準(zhǔn)精度低的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明完全采用光學(xué)非接觸式測(cè)量方式，尋找柱面鏡的平面自準(zhǔn)直反射像和柱面自準(zhǔn)直反射像，不會(huì)劃傷柱面鏡鍍膜面。
【IPC分類】B23B25/06, B23Q17/24
【公開(kāi)號(hào)】CN104972148
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510354454
【發(fā)明人】付興, 張志軍, 秦星, 許洪嫪
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所
【公開(kāi)日】2015年10月14日
【申請(qǐng)日】2015年6月24日