CN104614850A - 一种大焦距静态光电显微镜 - Google Patents

一种大焦距静态光电显微镜 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大焦距静态光电显微镜，具体涉及一种微米级可用于瞄准测量的光学***，属于光学领域。其包括：照明光源(1)、目标分划板(2)、投影物镜组(3)、成像物镜组(4)、棱镜(5)、第一平面镜(6)、第二平面镜(7)、转向物镜组(8)、中心通光平面镜(9)、图像传感器(10)和光电转换装置(11)。本发明提出的大焦距静态光电显微镜与已有技术相比较具有长工作距离、抗干扰能力强、可实现非接触瞄准和生产成本低的优点；同时，由于该装置的投影物镜组(3)和成像物镜组(4)光学参数完全相同且采用对称式结构，因此容易实现。

Description

一种大焦距静态光电显微镜
技术领域
本发明涉及一种大焦距静态光电显微镜，具体涉及一种微米级可用于瞄准测量的光学***，属于光学领域。
背景技术
工业技术的发展对非接触式光学瞄准定位技术提出了迫切需求。目前应用光学测头、光学灵敏杠杆、双象棱镜、斜光束照明干涉瞄准以及反射式瞄准显微镜直接进行瞄准均属于横向定位瞄准。当将它们用于纵向定位瞄准时，上述***或仪器中的绝大部分将变得无法工作。而一般的光学显微镜***虽然尚可进行纵向定位瞄准，但由于受到显微镜景深的影响，从而导致其定位瞄准误差很大，为毫米量级。该问题一直限制着光学显微镜***在高准确度测量中的应用。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有瞄准技术存在精度低的问题，提出一种大焦距静态光电显微镜。该装置采用光学方法使瞄准精度提高一倍，工作距离在70mm以上。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明提出的一种大焦距静态光电显微镜，其特征在于：其包括：照明光源(1)、目标分划板(2)、投影物镜组(3)、成像物镜组(4)、棱镜(5)、第一平面镜(6)、第二平面镜(7)、转向物镜组(8)、中心通光平面镜(9)、图像传感器(10)和光电转换装置(11)。
照明光源(1)发出平行光照射到目标分划板(2)上；目标分划板(2)为透明材质，其上有目标图案；目标分划板(2)的出射光线入射到第一平面镜(6)上；第一平面镜(6)的反射光线与其入射光线成90度偏转；第一平面镜(6)的反射光线入射到投影物镜组(3)；投影物镜组(3)的作用是对目标分划板(2)上的目标图案缩小n倍，n≥5；投影物镜组(3)对其入射光线进行会聚；投影物镜组(3)的出射光线会聚成像为像点(12)后，光线进入成像物镜组(4)。所述成像物镜组(4)与投影物镜组(3)中各组件光学结构参数完全相同，采用镜像对称结构，像点(12)位于投影物镜组(3)和成像物镜组(4)的光轴中心。所述成像物镜组(4)的作用是对像点(12)放大n倍。
成像物镜组(4)的出射光线进入第二平面镜(7)；第二平面镜(7)的反射光线与其入射光线成90度偏转；第二平面镜(7)的反射光线入射到棱镜(5)；棱镜(5)的出射光线进入中心通光平面镜(9)；中心通光平面镜(9)上有通光图案；中心通光平面镜(9)的出射光线进入光电转换装置(11)；光电转换装置(11)将光信号转换为电信号，并判断像点(12)的光线经像物镜组(4)、第二平面镜(7)和棱镜(5)后，其在中心通光平面镜(9)上的成像与中心通光平面镜(9)上的通光图案是否重合；如果重合，则输出瞄准信号；如果不重合，则输出未瞄准信号；同时，中心通光平面镜(9)的反射光线返回到棱镜(5)，棱镜(5)的反射光线进入转向物镜组(8)；转向物镜组(8)的作用是对其入射光线进行180度偏转和会聚；转向物镜组(8)的出射光线进入图像传感器(10)；图像传感器(10)对接收到的光信号进行显示输出。
所述棱镜(5)为直角棱镜或立方棱镜或道威棱镜或折反棱镜。
所述投影物镜组(3)和成像物镜组(4)的光学结构参数包括：透镜元件的曲率半径、透镜中心厚度与透镜材料种类。
所述投影物镜组(3)和成像物镜组(4)的数值孔径在0.2～0.3之间。
所述投影物镜组(3)和成像物镜组(4)为像面平坦的消色差类透镜或复消色差类物镜。
所述投影物镜组(3)和成像物镜组(4)的焦距为35mm以上的物镜，工作距离为70mm以上。
使用所述大焦距静态光电显微镜进行瞄准定位的操作步骤为：
步骤1：打开照明光源(1)；开启图像传感器(10)和光电转换装置(11)。
步骤2：被测物的被瞄准面(13)平行于投影物镜组(3)或成像物镜组(4)的光轴；
步骤3：使被测物的被瞄准面(13)在垂直于投影物镜组(3)的光轴并过像点(12)的直线上由远及近逼近像点(12)；运动过程中，保持被测物的被瞄准面(13)始终平行于投影物镜组(3)或成像物镜组(4)的光轴。
当被测物的被瞄准面(13)没有到达像点(12)位置时，被测物的被瞄准面(13)对像点(12)的反射光线依次经过成像物镜组(4)、第二平面镜(7)、棱镜(5)后，在中心通光平面镜(9)上的成像；中心通光平面镜(9)的出射光线进入光电转换装置(11)；光电转换装置(11)将光信号转换为电信号，光电转换装置(11)判断得出像点(12)的光线经像物镜组(4)、第二平面镜(7)和棱镜(5)后，其在中心通光平面镜(9)上的成像与中心通光平面镜(9)上的通光图案不重合，因此光电转换装置(11)输出未瞄准信号；中心通光平面镜(9)的反射光线经棱镜(5)和转向物镜组(8)进入图像传感器(10)，图像传感器(10)显示像点(12)与中心通光平面镜(9)上的通光图案不重合。
当被测物的被瞄准面(13)到达像点(12)位置时，被测物的被瞄准面(13)对像点(12)的反射光线依次经过成像物镜组(4)、第二平面镜(7)、棱镜(5)后，在中心通光平面镜(9)上的成像；中心通光平面镜(9)的出射光线进入光电转换装置(11)；光电转换装置(11)将光信号转换为电信号，光电转换装置(11)判断像点(12)的光线经像物镜组(4)、第二平面镜(7)和棱镜(5)后，其在中心通光平面镜(9)上的成像与中心通光平面镜(9)上的通光图案重合，因此光电转换装置(11)输出瞄准信号；中心通光平面镜(9)的反射光线经棱镜(5)和转向物镜组(8)进入图像传感器(10)，图像传感器(10)显示像点(12)与中心通光平面镜(9)上的通光图案重合。
经过上述步骤的操作，即可完成对被测物的被瞄准面(13)的瞄准定位操作。
有益效果
本发明提出的一种大焦距静态光电显微镜与已有技术相比较具有以下优点：
①该大焦距静态光电显微镜具有长工作距离、抗干扰能力强、可实现非接触瞄准和生产成本低的优点；
②该装置的投影物镜组(3)和成像物镜组(4)光学参数完全相同且采用对称式结构，具有容易实现的优点；
③该装置提高了瞄准精度，可用于高准确度非接触瞄准定位，在微结构、几何量测量等方面具有重要的实用价值。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中所述大焦距静态光电显微镜的组成结构示意图；
图2是本发明具体实施方式中使用所述大焦距静态光电显微镜进行瞄准的原理示意图；
其中，1-照明光源、2-目标分划板、3-投影物镜组、4-成像物镜组、5-棱镜、6-第一平面镜、7-第二平面镜、8-转向物镜组、9-中心通光平面镜、10-图像传感器、11-光电转换装置、12-像点、13-被瞄准面。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明并不局限于具体实施例。
本实施例中的大焦距静态光电显微镜，其结构示意图如图1所示，其包括：照明光源1、目标分划板2、投影物镜组3、成像物镜组4、棱镜5、第一平面镜6、第二平面镜7、转向物镜组8、中心通光平面镜9、图像传感器10、光电转换装置11。
照明光源1为GCI直流调压光纤光源；棱镜5为直角棱镜；投影物镜组3和成像物镜组4的数值孔径为0.2；投影物镜组3和成像物镜组4为像面平坦的消色差类透镜，焦距为50mm的物镜，工作距离为80mm。
目标分划板2上的目标图案与中心通光平面镜9上有通光图案形状相同且大小相等。
照明光源1发出平行光照射到目标分划板2上；目标分划板2为透明材质；目标分划板2的出射光线入射到第一平面镜6上；第一平面镜6的反射光线与其入射光线成90度偏转；第一平面镜6的反射光线入射到投影物镜组3；投影物镜组3的作用是对目标分划板2上的目标图案缩小10倍；投影物镜组3对其入射光线进行会聚；投影物镜组3的出射光线会聚成像为像点12后，光线进入成像物镜组4。成像物镜组4与投影物镜组3中各组件光学结构参数完全相同，采用镜像对称结构，像点12位于投影物镜组3和成像物镜组4的光轴中心。成像物镜组4的作用是对像点12放大10倍。
成像物镜组4的出射光线进入第二平面镜7；第二平面镜7的反射光线与其入射光线成90度偏转；第二平面镜7的反射光线入射到棱镜5；棱镜5的出射光线进入中心通光平面镜9；中心通光平面镜9的出射光线进入光电转换装置11；光电转换装置11将光信号转换为电信号，并判断像点12的光线经像物镜组4、第二平面镜7和棱镜5后，其在中心通光平面镜9上的成像与中心通光平面镜9上的通光图案是否重合；如果重合，则输出瞄准信号；如果不重合，则输出未瞄准信号；同时，中心通光平面镜9的反射光线返回到棱镜5，棱镜5的反射光线进入转向物镜组8；转向物镜组8的作用是对其入射光线进行180度偏转和会聚；转向物镜组8的出射光线进入图像传感器10；图像传感器10对接收到的光信号进行显示输出。
使用所述大焦距静态光电显微镜进行瞄准定位的操作步骤为：
步骤1：打开照明光源1；开启图像传感器10和光电转换装置11。
步骤2：被测物的被瞄准面13平行于投影物镜组3或成像物镜组4的光轴；
步骤3：使被测物的被瞄准面13在垂直于投影物镜组3的光轴并过像点12的直线上由远及近逼近像点12，如图2所示；运动过程中，保持被测物的被瞄准面13始终平行于投影物镜组3或成像物镜组4的光轴。
当被测物的被瞄准面13没有到达像点12位置时，被测物的被瞄准面13对像点12的反射光线依次经过成像物镜组4、第二平面镜7、棱镜5后，在中心通光平面镜9上的成像；中心通光平面镜9的出射光线进入光电转换装置11；光电转换装置11将光信号转换为电信号，光电转换装置11判断像点12的光线经像物镜组4、第二平面镜7和棱镜5后，其在中心通光平面镜9上的成像与中心通光平面镜9上的通光图案不重合，因此光电转换装置11输出未瞄准信号；中心通光平面镜9的反射光线经棱镜5和转向物镜组8进入图像传感器10，图像传感器10显示像点12与中心通光平面镜9上的通光图案不重合。
当被测物的被瞄准面13到达像点12位置时，被测物的被瞄准面13对像点12的反射光线依次经过成像物镜组4、第二平面镜7、棱镜5后，在中心通光平面镜9上的成像；中心通光平面镜9的出射光线进入光电转换装置11；光电转换装置11将光信号转换为电信号，光电转换装置11判断像点12的光线经像物镜组4、第二平面镜7和棱镜5后，其在中心通光平面镜9上的成像与中心通光平面镜9上的通光图案重合，因此光电转换装置11输出瞄准信号；中心通光平面镜9的反射光线经棱镜5和转向物镜组8进入图像传感器10，图像传感器10显示像点12与中心通光平面镜9上的通光图案重合。
本实施例中的大焦距静态光电显微镜可用作单独的瞄准定位装置进行瞄准；也可作为其它仪器的一部分，如三坐标机，实现瞄准定位功能。

Claims (7)

1.一种大焦距静态光电显微镜，其特征在于：其包括：照明光源(1)、目标分划板(2)、投影物镜组(3)、成像物镜组(4)、棱镜(5)、第一平面镜(6)、第二平面镜(7)、转向物镜组(8)、中心通光平面镜(9)、图像传感器(10)和光电转换装置(11)；
照明光源(1)发出平行光照射到目标分划板(2)上；目标分划板(2)为透明材质，其上有目标图案；目标分划板(2)的出射光线入射到第一平面镜(6)上；第一平面镜(6)的反射光线与其入射光线成90度偏转；第一平面镜(6)的反射光线入射到投影物镜组(3)；投影物镜组(3)的作用是对目标分划板(2)上的目标图案缩小n倍，n≥5；投影物镜组(3)对其入射光线进行会聚；投影物镜组(3)的出射光线会聚成像为像点(12)后，光线进入成像物镜组(4)；所述成像物镜组(4)与投影物镜组(3)中各组件光学结构参数完全相同，采用镜像对称结构，像点(12)位于投影物镜组(3)和成像物镜组(4)的光轴中心；所述成像物镜组(4)的作用是对像点(12)放大n倍；
成像物镜组(4)的出射光线进入第二平面镜(7)；第二平面镜(7)的反射光线与其入射光线成90度偏转；第二平面镜(7)的反射光线入射到棱镜(5)；棱镜(5)的出射光线进入中心通光平面镜(9)；中心通光平面镜(9)上有通光图案；中心通光平面镜(9)的出射光线进入光电转换装置(11)；光电转换装置(11)将光信号转换为电信号，并判断像点(12)的光线经像物镜组(4)、第二平面镜(7)和棱镜(5)后，其在中心通光平面镜(9)上的成像与中心通光平面镜(9)上的通光图案是否重合；如果重合，则输出瞄准信号；如果不重合，则输出未瞄准信号；同时，中心通光平面镜(9)的反射光线返回到棱镜(5)，棱镜(5)的反射光线进入转向物镜组(8)；转向物镜组(8)的作用是对其入射光线进行180度偏转和会聚；转向物镜组(8)的出射光线进入图像传感器(10)；图像传感器(10)对接收到的光信号进行显示输出。
2.如权利要求1所述的一种大焦距静态光电显微镜，其特征在于：所述棱镜(5)为直角棱镜或立方棱镜或道威棱镜或折反棱镜。
3.如权利要求1或2所述的一种大焦距静态光电显微镜，其特征在于：所述投影物镜组(3)和成像物镜组(4)的光学结构参数包括：透镜元件的曲率半径、透镜中心厚度与透镜材料种类。
4.如权利要求1或2所述的一种大焦距静态光电显微镜，其特征在于：所述投影物镜组(3)和成像物镜组(4)的数值孔径在0.2～0.3之间。
5.如权利要求1或2所述的一种大焦距静态光电显微镜，其特征在于：所述投影物镜组(3)和成像物镜组(4)为像面平坦的消色差类透镜或复消色差类物镜。
6.如权利要求1或2所述的一种大焦距静态光电显微镜，其特征在于：所述投影物镜组(3)和成像物镜组(4)的焦距为35mm以上的物镜，工作距离为70mm以上。
7.使用如权利要求1或2所述的一种大焦距静态光电显微镜进行瞄准定位的操作步骤为：
步骤1：打开照明光源(1)；开启图像传感器(10)和光电转换装置(11)；
步骤2：被测物的被瞄准面(13)平行于投影物镜组(3)或成像物镜组(4)的光轴；
步骤3：使被测物的被瞄准面(13)在垂直于投影物镜组(3)的光轴并过像点(12)的直线上由远及近逼近像点(12)；运动过程中，保持被测物的被瞄准面(13)始终平行于投影物镜组(3)或成像物镜组(4)的光轴；
当被测物的被瞄准面(13)没有到达像点(12)位置时，被测物的被瞄准面(13)对像点(12)的反射光线依次经过成像物镜组(4)、第二平面镜(7)、棱镜(5)后，在中心通光平面镜(9)上的成像；中心通光平面镜(9)的出射光线进入光电转换装置(11)；光电转换装置(11)将光信号转换为电信号，光电转换装置(11)判断得出像点(12)的光线经像物镜组(4)、第二平面镜(7)和棱镜(5)后，其在中心通光平面镜(9)上的成像与中心通光平面镜(9)上的通光图案不重合，因此光电转换装置(11)输出未瞄准信号；中心通光平面镜(9)的反射光线经棱镜(5)和转向物镜组(8)进入图像传感器(10)，图像传感器(10)显示像点(12)与中心通光平面镜(9)上的通光图案不重合；
当被测物的被瞄准面(13)到达像点(12)位置时，被测物的被瞄准面(13)对像点(12)的反射光线依次经过成像物镜组(4)、第二平面镜(7)、棱镜(5)后，在中心通光平面镜(9)上的成像；中心通光平面镜(9)的出射光线进入光电转换装置(11)；光电转换装置(11)将光信号转换为电信号，光电转换装置(11)判断像点(12)的光线经像物镜组(4)、第二平面镜(7)和棱镜(5)后，其在中心通光平面镜(9)上的成像与中心通光平面镜(9)上的通光图案重合，因此光电转换装置(11)输出瞄准信号；中心通光平面镜(9)的反射光线经棱镜(5)和转向物镜组(8)进入图像传感器(10)，图像传感器(10)显示像点(12)与中心通光平面镜(9)上的通光图案重合；
经过上述步骤的操作，即可完成对被测物的被瞄准面(13)的瞄准定位操作。
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