技术领域
[0001] 本
发明属于高
精度光机系统装校技术领域，涉及一种折衍混合成像系统中衍射元件的计算机辅助对心装校方法及装置的改进和创新。
背景技术
[0002] 折衍混合成像系统中，用衍射元件替代传统光学元件，可以明显减少光学元件的使用数目，使系统结构简单、体积小、重量轻。利用衍射元件灵活的波前调制能
力、高设计
自由度以及位
相变换特性，折衍混合成像系统可以有效校正色差、球差、像散等像差，获得比传统光学系统更好的像质。折衍混合成像系统的出现使轻小型、阵列化、集成化光机系统的应用成为现实。
[0003] 通常性能越好的折衍混合成像系统其衍射元件的对心精度要求越高，故衍射元件的对心装校是实现高性能折衍混合成像系统的关键。现有的光学元件对心装校方法要用手动方式调节镜片位移，精度和效率较低。另外，现有光学元件对心装校方法需要人眼主观判读光学元件的球心像，而衍射元件表面具有微细结构，无法产生用于对心的球心像。因此，现有光学元件对心装校方法不适用于衍射元件的高精度对心装校。
发明内容
[0004] 本发明目的是解决传统的光学元件对心装校中需要人眼主观判读元件用于对心的球心像，而衍射元件无法产生球心像；传统光学元件对心装校中需要手动调节镜片位移，误差大且效率低的技术问题，为解决以上问题，本发明提供一种折衍混合成像系统中衍射元件的计算机辅助对心装校方法及装置。
[0005] 本发明第一方面提供一种折衍混合成像系统中衍射元件的计算机辅助对心装校装置，所述装置包括:
车床主轴、
位置传感器、卡盘、专用夹具、
驱动器、
螺纹压圈、镜座、
硅胶、衍射元件、车床
导轨、车刀、对心检测单元组成对心装校装置，对心检测单元包括分化板、超长工作距显微物镜、
光源、半反半透镜、CCD相机、CCD成像透镜组、计算机、十字标记；其中:
[0006]
位置传感器，安置于卡盘中心位置，位置传感器用于记录卡盘中心位置实时变化值；
[0007] 卡盘，与车床主轴同轴线安装，卡盘具有一个与主轴线垂直的垂直面；
[0008] 专用夹具，由卡盘的四个爪夹持在卡盘中间的位置，专用夹具的底端面靠在卡盘的垂直面上，专用夹具的上端面与镜座一端的
螺纹连接；
[0009] 四个驱动器，均匀布置在卡盘的圆柱面上，用以驱动卡盘；
[0010] 螺纹压圈，与镜座通过自身螺纹旋紧，将衍射元件固定在镜座和压圈之间；
[0011] 硅胶，注在镜座径向的孔里；
[0012] 车床导轨，在主轴的下方，且与主轴平行；
[0013] 十字标记，利用车刀浮雕在衍射元件的表面同心圆的中心；[0014] 超长工作距显微物镜、分化板、半反半透镜、光源、CXD成像透镜组、CXD相机与车床主轴同轴线且依次安装在车床导轨上；
[0015] 超长工作距显微物镜，放置于衍射元件附近，用于观测分化板上十字图形经衍射元件的衍射面反射的像、以及衍射元件中心的十字标记；
[0016] 分化板上有十字图形，该十字图形被超长工作距显微物镜投影到衍射元件衍射面上，并被衍射面反射后成像在CCD相机，通过成像情况判断衍射元件的衍射面是否精确
定位在长工作距显微物镜的焦面上；
[0017] 半反半透镜，将光源的照明光反射到分化板和衍射元件上；
[0018] CXD成像透镜组，将超长工作距显微物镜观测到的像投影到CXD相机上；
[0019] 计算机，分别与四个驱动器连接，用于微量控制卡盘在
水平和垂直方向的位移，以改变衍射元件上十字标记相对于主轴轴线的位置；
[0020] 计算机，连接位置传感器，读取位置传感器反馈的卡盘中心位置实时变化值
自动调节卡盘，调节到所需实时变化值范围内之后自动停止；
[0021] 计算机的端口与CXD相机的端口连接；(XD相机单
帧采集衍射元件上的十字标记旋转一圈N个位置的图像信息并传送给计算机，计算机经过
图像处理得出衍射元件上十字标记旋转一圈的轨迹半径值，并自动求出对心偏差值，N为整数。
[0022] 本发明第二方面提供一种衍射元件的计算机辅助对心装校的方法，所述对心装校的步骤如下:
[0023] 步骤S1:通过
光刻技术在衍射元件中心加工出用于对心的十字标记，所述十字标记不影响成像且不会产生杂散光；
[0024] 步骤S2:将镜座径向打孔，并通过孔注硅胶和安装螺纹压圈的方式，将中心有十字标记的衍射元件固定到镜座中，镜座径向留有
车削余量；
[0025] 步骤S3:将带衍射元件的镜座用专用夹具固定在卡盘上；
[0026] 步骤S4:同时利用位置传感器将卡盘的中心位置实时变化的中心位置数据反馈给计算机；同时计算机根据中心位置数据和对心偏差值发出指令自动调节卡盘，用以改变衍射元件的位置，使十字标记的中心逐渐移到主轴上，同时对心检测单元仍在自动检测衍射元件中心的十字标记与主轴的对心偏差，如果不满足公差要求卡盘继续自动调节，如果满足公差要求卡盘的自动调节停止；
[0027] 步骤S5:将带有衍射元件的镜座装入镜筒。
[0028] 本发明的有益效果是:该方法和装置采用计算机控制，实现了衍射元件对心装校自动闭环反馈控制。解决了
显微镜、大相对口径望远镜等折衍混合成像系统中衍射元件需要的高精度对心装校问题。十字标记为不影响成像且不会产生杂散光，以此来解决衍射元件无球心像的问题。
[0029] (I)在衍射元件中心加工特殊十字标记，既不影响成像又不会产生杂散光。以此本发明方法和装置解决了衍射元件对心装校时无法产生对心球心像、手动调节卡盘效率低和精度低等问题，实现了衍射元件对心装校的计算机辅助控制。
[0030] (2)车床导轨上装有自制对心检测系统，十字标记通过系统成像后经高速CXD单帧采集传送给计算机，计算机经过图像处理得处十字标记运动轨迹半径值，求出对心偏差。解决了人眼主观判断衍射元件中心标记像点位置误差大的问题。[0031] (3)采用电动内球头四爪卡盘，通过计算机控制卡盘驱动器改变衍射元件中心十字标记的位置，解决手动调节效率低、误差大的问题。
[0032] (4)计算机可以根据卡盘上位置传感器反馈的位置数据来自动调节电动卡盘，解决了手动调节卡盘效率低、精度低的问题。
[0033] (5)对心偏差的检测、位置数据的反馈和卡盘的自动调节，这三项同时进行。实现了衍射元件计算机辅助对心装校的自动闭环反馈控制。
附图说明
[0034]图1为本发明的一种折衍混合成像系统中衍射元件的计算机辅助对心装校装置示意图；
[0035]图2为本发明的一种折衍混合成像系统中衍射元件的计算机辅助对心装校方法的操作
流程图；
[0036] 图3为本发明中衍射元件中心加工的十字标记示意图；
[0037] 图4为本发明中衍射元件中心十字标记经对心检测系统中高速CCD单帧采集其旋转一圈N(此图N取8)个位置的图像示意图；
[0038] 图5为本发明中衍射元件中心十字标记转一圈N(此图N取8)个位置图像经计算机处理后得出的图像。
[0039] 附图标记说明
[0040] I是车床主轴
[0041] 2是位置传感器；
[0042] 3是卡盘；
[0043] 4是专用夹具；
[0044] 5是驱动器；
[0045] 6是螺纹压圈；
[0046] 7是镜座；
[0047] 8是硅胶；
[0048] 9是衍射元件；
[0049] 10是车床导轨；
[0050] 11是车刀；
[0051] 12是分化板；
[0052] 13是超长工作距显微物镜；
[0053] 14是光源；
[0054] 15是半反半透镜；
[0055] 16 是 CCD 相机；
[0056] 17是(XD成像透镜组；
[0057] 18是计算机；
[0058] 19是衍射元件中心的十字标记；
[0059] 191〜198是衍射元件中心十字标记旋转一圈8个位置的图像。具体实施方式
[0060] 为使本发明的目的、技术方案和装置等的优点更加清楚，以下结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0061] 本发明方法和装置中采用计算机控制衍射元件的对心，提高了衍射元件对心装校的精度和效率，实现了衍射元件对心装校的自动闭环反馈控制。
[0062] 将传统的光学镜片车床对心装校方法改进并创新。通过光刻技术在衍射元件中心加工出用于对心的特殊十字标记。采用由高精密车床、自制对心检测系统、电动内球头四爪卡盘、驱动器、位置传感器和计算机等自制组装的对心装校装置作为主要对心装校设备。该方法适用于基底面形为平面、球面或非球面的衍射元件9。
[0063] 如图1所示本发明的衍射元件的计算机辅助对心装校装置，所述装置包括:车床主轴1、位置传感器2、卡盘3、夹具4、驱动器5、螺纹压圈6、镜座7、硅胶8、衍射元件9、车床导轨10、车刀11、对心检测单元组成对心装校装置，所述对心检测单元由分化板12、显微物镜13、光源14、半反半透镜15、CXD相机16、CXD成像透镜组17、计算机18、十字标记19组成;其中:
[0064] 位置传感器2，安置于卡盘3中心位置，位置传感器2用于记录卡盘3中心位置实时变化值；卡盘3，与车床主轴I同轴线安装,卡盘3具有一个与主轴线垂直的垂直面；专用夹具4，由卡盘3的四个爪夹持在卡盘3中间的位置，专用夹具4的底端面靠在卡盘3的垂直面上，专用夹具4的上端面与镜座7 —端的螺纹连接；四个驱动器5，均匀布置在卡盘3的圆柱面上，用以驱动卡盘3 ;螺纹压圈6，与镜座7通过自身螺纹旋紧，将衍射元件9固定在镜座7和压圈6之间；硅胶8，注在镜座7径向的孔里；车床导轨10，在主轴I下方，且与主轴I平行；十字标记19，利用车刀11浮雕在衍射元件9的表面同心圆的中心；超长工作距显微物镜13、分化板12、半反半透镜15、光源14、(XD成像透镜组17、(XD相机16与车床主轴I同轴线且依次安装在车床导轨10上；超长工作距显微物镜13，放置于衍射元件9附近，用于观测分化板12上十字图形经衍射元件9的衍射面反射的像、以及衍射元件9中心的十字标记19 ;分化板12上有十字图形，该十字图形被超长工作距显微物镜13投影到衍射元件9衍射面上，并被衍射面反射后成像在CXD相机16，通过成像情况判断衍射元件9的衍射面是否精确定位在长工作距显微物镜的焦面上；半反半透镜15，将光源14的照明光反射到分化板12和衍射元件9上；(XD成像透镜组17，将超长工作距显微物镜13观测到的像投影到CXD相机16上；计算机18，分别与四个驱动器5连接，用于微量控制卡盘3在水平和垂直方向的位移，以改变衍射元件9上十字标记19相对于主轴I轴线的位置；计算机18，连接位置传感器2，读取位置传感器2反馈的卡盘3中心位置实时变化值自动调节卡盘，调节到所需实时变化值范围内之后自动停止；计算机18的端口与CCD相机16的端口连接；CCD相机16单帧采集衍射元件9上的十字标记19旋转一圈N个位置的图像信息并传送给计算机18，计算机18经过图像处理得出衍射元件9上十字标记19旋转一圈的轨迹半径值，并自动求出对心偏差值，N为整数。
[0065] 所述卡盘是采用电动内球头四爪卡盘3，其驱动原理类似于数控坐标
镗床中镗杆的驱动原理。
[0066] 所述衍射元件9中心的十字标记19经过系统成像，高速CXD相机16可单帧采集十字标记19旋转一圈N(N为整数)个位置的图像信息再传送给计算机18。计算机18经过图像处理，得出衍射元件9上十字标记19运动轨迹的半径值，并自动求出对心偏差。
[0067] 在卡盘3的圆柱面上均布安置4个驱动器5，驱动器5由计算机18控制，用于微量控制卡盘3在其水平和垂直方向的位移，以改变衍射元件9上十字标记19相对于装置主轴I的位置。
[0068] 卡盘3中心装有一个高灵敏度位置传感器2，位置传感器2将卡盘3中心位置实时变化值反馈给计算机18。计算机18可以根据位置传感器2反馈的位置数据和得到的对心偏差值自动调节卡盘3,调节到所需范围内之后自动停止。
[0069] 对心偏差的检测、位置数据的反馈和卡盘3的自动调节，这三项同时进行。对心检测单元检测对心偏差的同时，计算机18根据检测出的对心偏差值和位置传感器2反馈的位置数据发出指令自动调节卡盘3位置，直到对心精度满足公差要求时，卡盘3的自动调节停止。实现了衍射元件9计算机辅助对心装校的自动闭环反馈控制。
[0070] 根据所用镜筒内径值及衍射元件9所需要的对心精度对镜座7外圆和端面进行
定心车削。车削完成后将其装入镜筒。
[0071] 若折衍混合成像系统中衍射元件9的对心精度要求为0.002mm,则其具体对心装校方案如下:
[0072] 衍射元件9的中心的十字标记19如图3所示:十字标记19含有双环体结构，其中第一环体结构的半径为R1，第一环体结构的半径为R2，且R2 >札。标记总长和总宽为b。总长和总宽b为了便于十字标记被捕捉到，由R1和R2组成的双环体用于十字的辅助捕捉。
[0073] 该十字标记19是一个带宽a为0.002mm中心有环的十字标记。其中a = 0.002mm,b = 0.1mm, R1 = 0.008mm, R2 = 0.0lmnin
[0074] 装校所用的装置如图1所示:采用高精密车床、自动对心检测单元、电动内球头四爪卡盘3、驱动器5、位置传感器2和计算机18等自制组装成的计算机辅助对心装校装置作为主要对心装校设备。
[0075] 由高精密车床改造成高精密
计算机数控对心车床，采用电动内球头四爪卡盘3，在卡盘3的圆柱面均布安置4个驱动器5，驱动器5由计算机18控制，用于微量控制电动卡盘3在水平和垂直方向的位移，以改变衍射元件9上十字标记19相对于装置主轴I的位置。
[0076] 电动卡盘3中心装有一个高灵敏度位置传感器2，位置传感器2将卡盘3中心位置实时变化值反馈给计算机18。计算机18根据位置传感器2反馈的位置数据，通过控制驱动器5来调节卡盘3。
[0077] 车床导轨10上装有由超长工作距显微物镜13、分化板12、半反半透镜15、CXD成像透镜组17、光源14和高速CXD相机16组成的自制对心检测单元，该检测单元由计算机18控制。该对心检测单元用于检测衍射元件9中心十字标记19旋转过程中因有对心偏差而形成圆形轨迹的半径值。
[0078] 如图2所示衍射元件的计算机辅助对心装校流程:
[0079] 步骤S1:通过光刻技术在衍射元件9中心加工出用于对心的十字标记19，所述十字标记19不影响成像且不会产生杂散光；以此来解决衍射元件9无球心像的问题。
[0080] 步骤S2:将镜座7径向打孔，并通过孔注硅胶8和安装螺纹压圈6的方式，将中心有十字标记19的衍射元件9固定到镜座7中，镜座7径向留有车削余量；
[0081] 步骤S3:将带衍射元件9的镜座7用专用夹具4固定在卡盘3上；带衍射元件9的镜座7通过该夹具4连接并定位在车床主轴I前端的卡盘3上。
[0082] 步骤S4:同时利用位置传感器2将卡盘3的中心位置实时变化的中心位置数据反馈给计算机18 ;同时计算机18根据中心位置数据和对心偏差值发出指令自动调节卡盘3，用以改变衍射元件9的位置，使十字标记19的中心逐渐移到主轴I上；同时对心检测单元仍在自动检测衍射元件9中心的十字标记19与主轴I的对心偏差，如果不满足公差要求卡盘3继续自动调节，如果满足公差要求卡盘3的自动调节停止。
[0083] 步骤S5:将带有衍射元件9的镜座7装入镜筒。
[0084] 在装校之前对中心带十字标记19的衍射元件9及镜座7、螺纹压圈6、镜筒等机械零件进行检验。
[0085] 检验合格后，通过镜座7径向的孔注硅胶8固定衍射元件9于其中，再用螺纹压圈6辅助固定衍射元件9。
[0086] 衍射元件9与镜座7之间的固定完成之后，将带衍射元件9的镜座7通过自制专用夹具4定位在车床主轴I前端的电动内球头四爪卡盘3上。
[0087] 如图4所示本发明中衍射元件9中心十字标记19经对心检测单元中高速CXD相机16单帧采集其旋转一圈N(此图N取8)个位置的图像图像信息；转动卡盘3，通过对心检测系统中的高速CCD相机16单帧采集十字标记19旋转一圈N(此次N取8)个位置的图像信息，再传送给计算机18，图像信息如图4所示衍射元件9的中心十字标记19旋转一圈8个位置的图像191〜198 ；
[0088] 191〜198为十字标记19旋转一圈8个位置的图像。计算机18对以上图像自动处理得后，得出十字标记19旋转一圈8个位置的轨迹半径值，求出对心偏差值Rtl,如图5所示本发明中衍射元件9中心十字标记19转一圈N(此图N取8)个位置图像经计算机18处理后得出的图像。
[0089] 若求得半径值Rtl大于所要求的偏差，计算机18将继续根据位置传感器2反馈的位置数据，通过控制驱动器5来调节卡盘3，以改变衍射元件9中心十字标记19的位置。
[0090] 对心偏差Rtl的检测、位置数据的反馈和卡盘3的自动调节，这三项同时进行。对心检测单元检测对心偏差Rtl的同时，计算机18根据Rtl的值和位置传感器2反馈的位置数据发出指令自动调节卡盘3位置，直到对心精度满足公差要求时，卡盘3的自动调节停止。
[0091] 最后根据所用镜筒内径值及衍射元件9所需要的对心精度对镜座7外圆和端面用车刀11进行定心车削。车削完成后将其装入镜筒。
[0092] 以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以
权利要求书的保护范围为准。
