CN106383396A - 一种基于表面反射像的微米级光电定心方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于表面反射像的微米级光电定心方法及装置，方法包括首先将一束激光经分束棱镜分为反射光束和透射光束；其中反射光束经准直后再被反射，原路返回后成像；透射光束准直后会聚于待测物镜表面的曲率中心，被待测镜表面反射后沿原光路返回经分束棱镜反射后成像；用亚像素技术获取像面光斑的质心，根据质心点的坐标就可得出待测元件表面的偏心量。不但可以满足高精度光学定心的要求，而且还可以为未来定心装置的发展提供一种思路。
Description
技术领域
本发明涉及光学定心领域，具体涉及一种基于表面反射像的微米级光电定心装置。主要用于没有中心孔的圆形光学元件表面为球面或者二次曲面光学零件的定心工作。
背景技术
光学元件的生产加工都要经过粗磨、精磨、抛光、定心和磨边这样一个过程，所谓光学元件的定心就是通过一定的方法使圆形光学元件的光学表面顶点处的法线与基准轴重合的过程，这里的基准轴就是用来标注、检验和校正中心误差的一条确定的直线，可以是机床的回转轴或者***的光轴。传统的光学元件定心方法按照原理主要可分为机械法、光学法和光电结合法。
机械定心法的原理为：利用一对同轴性很高的、且断面垂直轴线的定心夹头，借助施加在夹头上的弹簧力将待测件加紧。其中一个夹头只能转动，另外一个既能转动又能沿着轴线移动；定心过程中，如果待测件处于非定心状态，由于边厚的不同导致待测见受力不均衡，夹头给待测件的定心力会使得待测件在垂直于轴线上移动；当待测件不再移动时，说明透镜光轴与夹头轴线达到一定的重和精度，从而实现定心。机械法定心的优点是操作简单、加工效率高、适合大批量加工和具有中等精度，不足之处在于精度不高，且精度受定心角的影响。
光学定心法主要包括表面反射像定心法、球心自准直像定心法和透射像定心法。
表面反射像定心法原理为：待测件粘接到定心接头上，定心接头可以绕机床回转轴转动，在待测镜另一侧放置光源，并在灯的同一侧观察反射像的位置。定心过程中定心接头绕着回转轴转动，如果所观察到的光源的像不动或者调跳动在允差范围内时则完成了定心。表面反射像定心法的优点在于：设备简单、观察直接、适用于单件和小批量生产；不足之处在于：需要操作人员通过目视来判断定心精度，导致精度不高，而且适用范围不宽。
球心自准直反射像定心法的原理为：待测件粘接在定心头上，定心头可以绕机床回转轴转动，待测镜另一侧依次放置会聚镜头、准直镜头和分划板。定心过程中分划板的像被待测件反射后会依然成像于分划板上，当定心接头绕着回转轴转动时，分划板的像如果不动或者调动在允差范围内时，则完成了定心。球心自准直反射向定心法的优点在于：采用光学放大***和分划板使得整个***的定心精度高；不足之处在于：一般只用于直径小、曲率半径小的透镜，由于视场小使得找像困难，设备较为复杂且对于定心仪的移动导轨要求高。
透射法定心法的原理为：光源产生的光经过汇聚在十字分划板后准直进入待测件，经过待测件的光被成像物镜会聚到另外一个分划板，之后再由成像目镜将像成像到观察者眼中。该方法主要用于透镜定心，在定心时，转动待测透镜，如果在分划板上十字分划不动或者跳动在允差范围内，经完成了定心。透射式定心法的适用范围仅限于透射镜头，而且存在一个最大的不足：当透镜像方焦点对基准轴的偏离量为零，就算光轴与基准轴仍然有交角时，透镜实际存在的偏心差无法显示出来。
光电结合法主要包括光学电视定心法和激光定心法。
光学电视定心法是在球心自准直定心法基础上发展出来的。改进之处在于增加了倾斜45°放置的分束板，经过待测件反射的分划板的像经过分束板之后直接成像于摄像机，通过显示屏给出分划板的像并显示出定心误差。其优点在于：精度高、检测直观、效率高；不足之处在于：一般采用普通光源，光源谱段较宽，为了获得较好的成像质量，对光学***的要求变高，使得***较为复杂，成本也较高。
激光定心法主要由三部分组成：可调焦的激光器、二维位置传感器、电子处理和显示部分。其测量原理为：从激光器发出的光经过可调焦的光学***通过定心透镜，待测透镜用一个中心可透光的夹具夹持，在透镜后用带可调千分尺的光电晶体接收像，并将光点显示在显示器上。激光定心法的优点在于：操作简单、速度快、定心精度高；不足之处在于：应用范围有限，仅能用于透镜，而且对于透射式定心法所面临的问题也不能有效解决。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提出一种基于表面反射像的微米级光电定心装置，不但可以满足高精度光学定心的要求，而且还可以为未来定心装置的发展提供一种思路。该装置具有结构简单、操作容易、应用范围广、定心精度高的特点，主要用于表面为球面或者二次曲面光学零件的定心工作。
本发明的技术解决方案是提供一种基于表面反射像的微米级光电定心方法，包括以下步骤：
1)将一束激光经分束棱镜分为反射光束和透射光束；
2)其中反射光束经准直后再被反射，原路返回后成像；透射光束准直后会聚于待测物镜表面的曲率中心，被待测镜表面反射后沿原光路返回经分束棱镜反射后成像；
3)用亚像素技术获取像面光斑的质心，根据质心点的坐标就可得出待测元件表面的偏心量。
本发明还提供了一种基于表面反射像的微米级光电定心装置，其特别之处在于：包括激光器、分束棱镜、设置在分束棱镜透射光路的待测单元、设置在分束棱镜反射光路上的参考单元、CCD/CMOS相机；上述分束棱镜由两块直角棱镜胶合而成，胶合面镀有半透半反膜；
上述待测单元包括依次设置的准直镜、会聚物镜和待测镜；
上述参考光单元包括依次设置的参考光单元准直镜和参考光单元反射镜；
上述CCD/CMOS相机用于测试单元和参考单元的成像。
为了适用于不同的曲率范围，上述会聚物镜为多组。
上述分束棱镜、准直镜和会聚物镜的材料为光学玻璃材料K9，极大的简化了光学***。
本发明的工作原理如下：
由激光器1发出的光经过分束棱镜2透射后分为两束，其中一束被反射进入参考光单元准直镜6被准直为平行光，入射到参考光单元反射镜7后被反射，原路返回进入分束棱镜2，透过分束棱镜2后成像于CCD/CMOS相机8；另外一束光透射进入准直镜3准直为平行光，传输到会聚物镜4后平行光聚焦于待测镜5表面的曲率中心，传播到待测镜5时被待测镜5表面反射沿原光路返回，经过分束棱镜2后成像于CCD/CMOS相机8，相机将获得的像采集之后利用亚像素技术获取像面光斑的质心，根据质心点的坐标就可得出原件表面的偏心量。
本发明的有益效果是：
(1)本装置结构非常简单，使用非常方便，易于集成，不仅可方便的用于光学元件的定心任务，也可安装到机床上用于磨边定心；
(2)本装置中由参考光单元准直镜和参考光单元反射镜组成的参考光单元为定心装置参考点，在不依赖旋转机床的条件下依然可以快速的给出待测镜偏心情况；
(3)本装置的定心范围非常广，通过更换特定的会聚物镜可以检测任何曲率的表面；
(4)本装置因为采用激光器(波长为632.8nm)作为光源，光源谱段很窄，色差影响较小，***所用透镜以及分束透镜均采用同一种常用光学玻璃材料K9，极大的简化了光学***；
(5)高速读出电路结合图像处理中的亚像元算法可以实时高精度的获取表面的偏心情况。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图一；
图2为本发明整体结构示意图二；
图3为本发明参考光单元设计图；
图4为本发明在待测镜理想情况光学***图；
图5为本发明在待测镜在X方向偏心2mm情况光学***图；
图6为本发明在待测镜在Y方向偏心2mm情况光学***图；
图7为本发明在待测镜在X方向倾斜2mm情况光学***图；
图8为本发明在待测镜在Y方向倾斜-2mm情况光学***图；
图9为本发明整体光学***图。
图10为本发明在理想情况、X方向倾斜2mm、Y方向倾斜-2mm、X/Y偏心2mm时像面弥散斑综合示意图；
图中附图标记为：1-激光器，2-分束棱镜，3-准直镜，4-会聚物镜，5-待测镜，6-参考单元准直镜，7-参考单元反射镜，8-CCD/CMOS相机。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做进一步的描述。
如图1所示，为本发明光学***的一种结构示意图，沿轴线依次放置有激光器1、分束棱镜2、准直镜3、会聚物镜4和待测镜5，在分束棱镜的透射光路上依次放置有参考单元准直镜6与参考单元反射镜7，CCD/CMOS相机8轴线、参考光路准直镜6与参考光路反射镜7的光轴均于分束棱镜的中心轴重合，该中心轴与上述轴线垂直，待测镜反射的光线经过光学***会聚的像面与经过参考光路反射镜反射的光线汇聚的像面重合；CCD/CMOS相机8所处位置为待测镜反射的光线经过光学***会聚的像面附近；本发明光学***的会聚物镜可以分为多组，以便适用于不同曲率的被测件，如图2所示，为本发明光学***的适用于另外一种不同曲率的被测件的示意图。
本实施例中光学***的参数如下：激光器采用波长为632.8nm的He-Ne激光器；分束棱镜由两块K9直角棱镜胶合而成，胶合面镀有半透半反膜；准直镜与会聚物镜相同，均采用K9玻璃，焦距为100mm，后截距为100mm，实际使用时可以用来测量曲率小于100mm的表面偏心度。如果有需要测量曲率半径更大的凸表面，则可以设计出焦距更大且后截距更长的会聚物镜，之后更换现有的会聚物镜即可。
Claims (4)
1.基于表面反射像的微米级光电定心方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将一束激光经分束棱镜分为反射光束和透射光束；
2)其中反射光束经准直后再被反射，原路返回后成像；透射光束准直后会聚于待测物镜表面的曲率中心，被待测镜表面反射后沿原光路返回经分束棱镜反射后成像；
3)用亚像素技术获取像面光斑的质心，根据质心点的坐标就可得出待测元件表面的偏心量。
2.一种基于表面反射像的微米级光电定心装置，其特征在于：包括激光器、分束棱镜、设置在分束棱镜透射光路的待测单元、设置在分束棱镜反射光路上的参考单元、CCD/CMOS相机；所述分束棱镜由两块直角棱镜胶合而成，胶合面镀有半透半反膜；
所述待测单元包括依次设置的准直镜、会聚物镜和待测镜；
所述参考光单元包括依次设置的参考光单元准直镜和参考光单元反射镜；
所述CCD/CMOS相机用于测试单元和参考单元的成像。
3.根据权利要求2所述的基于表面反射像的微米级光电定心装置，其特征在于：所述会聚物镜为多组。
4.根据权利要求2所述的基于表面反射像的微米级光电定心装置，其特征在于：所述分束棱镜、准直镜和会聚物镜的材料为光学玻璃材料K9。
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