CN103439088A - 用凸透镜产生平行光的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用凸透镜产生平行光的方法与装置，包括位于平行光管和光学接收***之间的凸透镜，凸透镜的中心轴、平行光管出射的平行光光轴和光学接收***接收的平行光光轴三者共线，光学接收***包括x轴、y轴、z轴移动机构、CCD摄像机镜头和光学控制***，移动机构可使CCD摄像机镜头分别沿x、y、z轴方向上移动，直到所接收的光斑最小时使CCD摄像机镜头接收面的中心位置与光斑的中心位置相重合，重合处即凸透镜的焦点位置，将点光源固定在凸透镜的焦点位置处，透过凸透镜折射即产生一束平行光；采用三维光学调整装置，利用计算机检测***在线控制，自动寻找平行光透过凸透镜会聚的焦点空间位置，焦点定位精度高。

Description

用凸透镜产生平行光的方法与装置

技术领域

本发明涉及一种光学调整装置以及光源发生装置，尤其是一种用三维调节机构调整光学接收装置以获取凸透镜焦点的空间位置，并以此来产生平行光源的装置。

背景技术

目前，平行光在光学检测仪器上的应用非常广泛，比如用于测量透镜的焦距、透射率、镜片的光学质量等参数，这些场合大多是依靠平行光管或者准直镜之类的光学发生装置来产生平行光。而根据光学基本原理可知，在凸透镜的焦点位置处，利用点光源就可以透过透镜产生一束平行光，因此如何自动确定透镜的焦点（该焦点是空间中确定的某一点三维位置）是一个技术难点。

现有技术的检测装置一般只能确定焦平面位置或者焦点的大致位置。大部分透镜焦距检测装置往往依赖人工观察和手工调整，根据玻罗板成像数据从而计算出焦距，但是这种检测装置操作麻烦，效率低下，而且很大程度上依赖操作人员的经验，产生的误差较大。如中国专利号为200920227939.6、名称为“一种自动化焦距检测仪”涉及的检测仪，包括平行光管、透镜夹持器、直线运动单元以及一套检测控制处理***，将透镜夹持器安装在直线运动单元上，平行光管、透镜夹持器和检测***装置都沿着同一水平轴线安装在支撑平台上。检测时将待检测的透镜装在透镜夹持器上，平行光管的图像通过透镜后在CCD镜头上成像，通过采集的CCD图像信息，计算机自动判断焦面，然后驱动电机控制直线运动单元前后移动，使平行光管的图像清晰地显示在CCD镜头上，即可自动计算出透镜的焦距。这种焦距检测仪存在以下缺点：（1）利用空间的维数少，测定的焦距也只是在线上确定一点的位置，仅在一维的直线上进行调节，调节局限性大；（2）仅能初步确定出焦距的位置，却不能找到焦点在空间内的准确位置，为平行光的产生带来的是不确定性。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的不足而提出一种用凸透镜产生平行光的装置和方法，利用计算机检测***在空间内自动寻找到焦点的三维位置，增加焦点检测精度，降低操作复杂度，提高效率。 

 本发明所述用凸透镜产生平行光的装置采用的技术方案是：包括位于平行光管和光学接收***之间的凸透镜，凸透镜的中心轴、平行光管出射的平行光光轴和光学接收***接收的平行光光轴三者共线，光学接收***包括x轴移动机构、y轴移动机构、z轴移动机构、CCD摄像机镜头和光学控制***，所述移动机构可使CCD摄像机镜头分别沿x、y、z轴方向上移动；CCD摄像机镜头连接光学控制***，光学控制***连接计算机控制***。

本发明所述用凸透镜产生平行光的装置的方法采用的技术方案是：

1） 由平行光管产生一束标准平行光线射到凸透镜，经凸透镜折射汇聚到CCD摄像机镜头上，CCD摄像机镜头采集光斑的图像信息并通过光学控制***传递给计算机控制***，计算机控制***控制x轴移动机构动作，沿光轴方向调整CCD摄像机镜头接收面与凸透镜之间的距离，

2）计算机控制***判断CCD摄像机镜头所采集的光斑，如果光斑最小，控制y轴、z轴移动机构动作，调整CCD摄像机接收面的中心位置与光斑的中心位置相重合，如果光斑不是最小，继续沿光轴方向调整CCD摄像机镜头接收面与凸透镜之间的距离，直到所接收的光斑最小时，对最小光斑的图像信息进行计算，得出CCD摄像机镜头接收面的中心到光斑的中心的直线距离和得出y轴、z轴方向的投影距离，根据所述投影距离分别在y轴、z轴方向上调整CCD摄像机镜头，使CCD摄像机镜头接收面的中心位置与光斑的中心位置相重合，重合处即凸透镜的焦点位置；

3） 将点光源固定在凸透镜的焦点位置处，透过凸透镜折射即产生一束平行光。

本发明与已有方法和技术相比，具有如下优点：

1、本发明采用三维光学调整装置，利用计算机检测***在线控制，自动寻找平行光透过凸透镜会聚的焦点空间位置，自动获取凸透镜的焦平面和寻求到焦点的空间位置，在检测的焦点空间位置上放置点光源，利用几何光学原理产生平行光，透镜焦点测量的精度高，减少人工操作，提高工作效率。装置体积小，布局合理，操作方便， 可方便集成到检测仪器中或者用于仪器产生平行光，适应仪器装置发展智能化、自动化、小型化的要求。

2、本发明使用替换法，用大体积的准直镜寻找焦距的三维方法来实现小体积的凸透镜产生平行光，不再依靠人工操作，而是利用计算机控制***使操作更加简便，保证焦点位置判断的一致性，提高测量的准确性。  

3、本发明中的光学接收***，CCD阵列捕获焦点信息，调整焦点聚集到镜头图像坐标中心，以CCD像素为间距，焦点定位精度高。

4、本发明中的x轴、y轴、z轴电机驱动装置内装有步进电机，以                                                的精度做直线运动，提高焦距调节的精度。

附图说明

图1是本发明所述用凸透镜产生平行光的装置的立体结构示意图；

图2是图1中光学接收***5的立体结构示意图；

图3是图1中CCD摄像机镜头25获取的CCD光斑形状及位置坐标图；

图4是用本发明所述装置测量出凸透镜4的焦点位置的方法流程图；

图5是用凸透镜产生平行光所采用的点光源的结构示意图。

附图中各部件的序号和名称：1.平行光管控制器；2.平行光管；3.透镜支架；4.凸透镜；5.光学接收***；6.z轴滑块；7.光学控制***；8.x轴电机驱动装置；9.x轴步进电机固定支架；10.x轴螺纹丝杆；11.x轴滑块；12.x轴滑动导向杆；13.透镜安装底座；14.装置底座；15.平行光管固定支架；16.z轴滑动导向杆；17.z轴螺纹丝杆；18.z轴电机驱动装置；19.y轴电机驱动装置；20.y轴步进电机固定支架；21.y轴滑块；22.y轴滑动导向杆；23.y轴螺纹丝杆；24.y轴固定支架；25.CCD摄像机镜头、26.灯箱；27.毛玻璃；28.白炽灯。

具体实施方式

参见图1及图2，本发明所述用凸透镜产生平行光的装置包括平行光管2、凸透镜4和光学接收***5，平行光管2由平行光管控制器1控制，平行光管2水平设置，平行光管2固定在平行光管固定支架15的顶端，平行光管固定支架15的底端垂直固定在底座14上，底座14也水平设置。凸透镜4位于平行光管2和光学接收***5之间，并且凸透镜4的中心轴、平行光管2出射的平行光光轴和光学接收***5接收的平行光光轴三者共线且平行于底座14。凸透镜4固定嵌在透镜支架3上，透镜支架3的底部通过透镜安装底座13固定在底座14上，透镜安装底座13垂直于底座14。

光学接收***5是三维移动光学接收***，包括x轴移动机构、y轴移动机构、z轴移动机构、CCD摄像机镜头25以及光学控制***7，通过移动机构将CCD摄像机镜头25沿着x、y、z轴方向上移动。x、y、z轴三个不同方向上的移动机构均由滑动导向杆、螺纹丝杆、滑块及电机驱动装置组成。其中：光学接收***5最底部是x轴移动机构，x轴移动机构包括沿光轴方向依次布置的x轴滑动导向杆12、x轴滑块11、x轴螺纹丝杆10、x轴电机驱动装置8和x轴步进电机固定支架9；x轴滑动导向杆12、x轴滑块11和x轴螺纹丝杆10均平行于光轴，采用两根水平布置的x轴滑动导向杆12，x轴滑动导向杆12一端固定连接透镜安装底座13，另一端间隙穿过x轴滑块11上的孔。x轴螺纹丝杆10一端穿过x轴滑块11的螺孔与x轴螺纹丝杆10活动连接，x轴螺纹丝杆10另一端连接x轴电机驱动装置8。x轴电机驱动装置8固定在x轴步进电机固定支架9上，x轴电机驱动装置8内装有x轴步进电机，步进电机的输出轴同轴连接x轴螺纹丝杆10，由x轴步进电机带动x轴螺纹丝杆10正转或者反转时，与x轴螺纹丝杆10相配合的x轴滑块11沿着x轴滑动导向杆12自由往复滑动。y轴移动机构位于x轴移动机构的上部，y轴移动机构包括沿y轴方向依次布置的y轴步进电机固定支架20、y轴电机驱动装置19、y轴滑块21、y轴滑动导向杆22、y轴螺纹丝杆23和y轴固定支架24。采用两根水平布置的y轴滑动导向杆22，y轴滑动导向杆22一端固定在y轴固定支架24上，另一端沿y轴方向依次设有y轴滑块21、y轴螺纹丝杆23、y轴电机驱动装置19。y轴滑动导向杆22另一端穿过y轴滑块21上的孔，y轴螺纹丝杆23一端连接y轴滑块21，另一端连接y轴电机驱动装置19，y轴电机驱动装置19内装有y轴步进电机，y轴步进电机的输出轴同轴连接y轴螺纹丝杆23， y轴滑块21在y轴步进电机的正转或者反转驱动下沿着两根y轴滑动导向杆22自由往复滑动。y轴电机驱动装置19固定在y轴步进电机固定支架20上。y轴步进电机固定支架20和y轴固定支架24均固定在x轴移动机构的x轴滑块11。z轴移动机构位于y轴移动机构的上部，包括z轴滑块6、z轴滑动导向杆16、z轴螺纹丝杆17和z轴电机驱动装置18。采用两根垂直布置的z轴滑动导向杆16，z轴滑动导向杆16底端固定在y轴滑块21上，z轴滑动导向杆16顶端穿过并活动连接z轴滑块6，z轴滑块6上固定支撑CCD摄像机镜头25。z轴电机驱动装置18固定在y轴滑块21上，z轴电机驱动装置18内装有z轴步进电机，z轴步进电机的输出轴同轴连接z轴螺纹丝杆17底端，z轴螺纹丝杆17以螺纹连接z轴滑块6。当z轴步进电机正转或者反转时，通过螺纹丝杆17带动z轴滑块6沿z轴滑动导向杆16的方向也即垂直于底座14的z轴方向自由往复滑动。

x轴电机驱动装置8、y轴电机驱动装置19和z轴电机驱动装置18分别连接计算机控制***，由计算机控制***控制相应的步进电机的旋转输出，使相应的滑块以

的精度做直线运动，提高焦距调节的精度。

光学接收***5的CCD摄像机镜头25选用高分辨率的摄像机，用于采集空间内平行光的成像光斑图像。CCD摄像机镜头25连接光学控制***7，光学控制***7连接计算机控制***。光学接收***5将图像信息通过光学控制***7及时传递给计算机控制***，通过软件进行分析处理图像。根据图像处理的效果，产生控制信号，计算机控制***可分别驱动x、y、z轴步进电机，直到获取满足要求的光斑图像（即最小光斑），以及确定焦点的精确空间位置。

在产生平行光之前，首先要测量出凸透镜4的焦点位置。参见图4，打开平行光管控制器1并作调整，驱动平行光管2产生一束标准平行光线，出射光直射到凸透镜4，经凸透镜4折射后，汇聚到光学接收***5的CCD摄像机镜头25上。测量凸透镜4的焦点时，一般都已知凸透镜4的理想焦距值，可估算出凸透镜4的焦距。计算机控制***控制x轴电机驱动装置8中的x轴步进电机动作，将CCD摄像机镜头25尽量滑动到接近理想焦距的位置，这样可节省驱动扫描时间。CCD摄像机镜头25采集光斑的图像信息，并通过光学控制***7传递给计算机控制***，判断此时的光斑是否最小，即像素点是否最少，如果该位置的光斑为最小，则说明CCD摄像机镜头25所在位置就是凸透镜4焦点所在的竖直平面位置，因此，不需要再调整CCD摄像机镜头25在x轴方向的位置即x坐标，仅由计算机控制***控制y轴步进电机和z轴步进电机动作，使y轴移动机构和z轴移动机构分别以

的精度进行动作，调整CCD摄像机25接收面的中心位置与光斑的中心位置相重合，光斑的中心调整到CCD摄像机25的坐标轴的中心，记录下CCD摄像机25的三维坐标，即凸透镜4的焦点所在处。反之，如果CCD摄像机镜头25所在位置采集的光斑不是最小值，说明此时CCD摄像机镜头25接收面没有与凸透镜4的焦平面重合，需要继续沿着光轴方向调整CCD摄像机镜头25接收面与凸透镜4之间的距离，直到所接收的光斑最小时，说明接收面与凸透镜4的焦平面重合。首先由计算机控制***控制x轴步进电机以

的精度进行动作，找到CCD摄像机镜头25所在位置采集的光斑最小的x坐标，然后计算机控制***对采集到光斑的图像信息进行计算，得出CCD摄像机镜头25接收面的中心位置O到光斑的中心位置的直线距离，分解得出y轴、z轴方向的投影距离，使CCD摄像机镜头25根据计算的距离分别在y轴、z轴方向上控制y轴步进电机和z轴步进电机以

的精度进行动作，分别调整CCD摄像机镜头25接收面的y轴方向和z轴方向的位置，使得CCD摄像机镜头25接收面的中心位置O与光斑的中心位置相重合，参见图3所示，即确定出相重合处即凸透镜4的焦点所在处，焦点位置也是CCD摄像机镜头25接收面所在的中心位置O，也确定出凸透镜4的焦点的三维坐标。

参见图5，在测量出凸透镜4的焦点位置后，将一个点光源固定在该凸透镜4的焦点位置处，透过凸透镜4折射即可产生一束平行光。点光源可采用将白炽灯28或者其它光源安装在一个灯箱26内，在灯箱26的一面开有一个小孔，同时在小孔处用毛玻璃27盖住即可完成点光源。

Claims (4)

1.一种用凸透镜产生平行光的装置，其特征是：包括位于平行光管（2）和光学接收***（5）之间的凸透镜（4），凸透镜（4）的中心轴、平行光管（2）出射的平行光光轴和光学接收***（5）接收的平行光光轴三者共线，光学接收***（5）包括x轴移动机构、y轴移动机构、z轴移动机构、CCD摄像机镜头（25）和光学控制***（7），所述移动机构可使CCD摄像机镜头（25）分别沿x、y、z轴方向上移动；CCD摄像机镜头（25）连接光学控制***（7），光学控制***（7）连接计算机控制***。

2.根据权利要求1所述用凸透镜产生平行光的装置，其特征是：光学接收***（5）最底部是x轴移动机构，包括沿光轴方向依次布置的x轴滑动导向杆（12）、x轴滑块（11）、x轴螺纹丝杆（10）、x轴电机驱动装置（8）和x轴步进电机固定支架（9）；x轴电机驱动装置（8）内有x轴步进电机，x轴步进电机的输出轴同轴连接x轴螺纹丝杆（10），x轴步进电机正转或反转驱动x轴螺纹丝杆（10）带动x轴滑块（11）沿x轴滑动导向杆（12）往复滑动；

y轴移动机构位于x轴移动机构的上部，包括沿y轴方向依次布置的y轴步进电机固定支架（20）、y轴电机驱动装置（19）、y轴滑块（21）、y轴滑动导向杆（22）、y轴螺纹丝杆（23）和y轴固定支架（24），y轴滑动导向杆（22）一端固定连接y轴固定支架（24），另一端穿过y轴滑块（21）上的孔，y轴螺纹丝杆（23）一端连接y轴滑块（21），另一端连接y轴电机驱动装置（19），y轴电机驱动装置（19）固定连接y轴步进电机固定支架（20），y轴步进电机固定支架（20）和y轴固定支架（24）均固定连接所述x轴滑块（11），y轴电机驱动装置（19）内装有y轴步进电机，y轴步进电机的输出轴同轴连接y轴螺纹丝杆（23），y轴步进电机正转或反转驱动y轴螺纹丝杆（23）带动y轴滑块（21）沿y轴滑动导向杆（22）往复滑动；

z轴移动机构位于y轴移动机构的上部，包括z轴滑块（6）、z轴滑动导向杆（16）、z轴螺纹丝杆（17）和z轴电机驱动装置（18），z轴滑动导向杆（16）底端固定连接所述y轴滑块（21）、顶端穿过并活动连接z轴滑块（6），z轴滑块（6）上端固定支撑所述CCD摄像机镜头（25）；z轴电机驱动装置（18）内装有z轴步进电机，z轴步进电机正转或反转驱动螺纹丝杆（17）带动z轴滑块（6）沿z轴滑动导向杆（16）往复滑动。

3.根据权利要求1所述用凸透镜产生平行光的装置，其特征是：平行光管（2）固定连接平行光管固定支架（15）的顶端，平行光管固定支架（15）的底端垂直固定在水平设置的底座（14）上，凸透镜（4）固定嵌在透镜支架（3）上，透镜支架（3）的底部通过透镜安装底座（13）固定在底座（14）上，透镜安装底座（13）垂直于底座（14）。

4.一种如权利要求1所述用凸透镜产生平行光的装置的方法，其特征是采用如下步骤：

1） 由平行光管（2）产生一束标准平行光线射到凸透镜（4），经凸透镜（4）折射汇聚到CCD摄像机镜头（25）上，CCD摄像机镜头（25）采集光斑的图像信息并通过光学控制***（7）传递给计算机控制***，计算机控制***控制x轴移动机构动作，沿光轴方向调整CCD摄像机镜头（25）接收面与凸透镜（4）之间的距离，

2）计算机控制***判断CCD摄像机镜头25所采集的光斑，如果光斑最小，控制y轴、z轴移动机构动作，调整CCD摄像机（25）接收面的中心位置与光斑的中心位置相重合，如果光斑不是最小，继续沿光轴方向调整CCD摄像机镜头（25）接收面与凸透镜（4）之间的距离，直到所接收的光斑最小时，对最小光斑的图像信息进行计算，得出CCD摄像机镜头（25）接收面的中心到光斑的中心的直线距离和得出y轴、z轴方向的投影距离，根据所述投影距离分别在y轴、z轴方向上调整CCD摄像机镜头（25），使CCD摄像机镜头（25）接收面的中心位置与光斑的中心位置相重合，重合处即凸透镜（4）的焦点位置；

3） 将点光源固定在凸透镜（4）的焦点位置处，透过凸透镜（4）折射即产生一束平行光。

Images