技术领域
[0001] 本
发明涉及一种光学镜头球心偏差测量装置，属于光学系统领域。
背景技术
[0002] 在光学系统中，当光学镜面的球心偏离光轴时，将影响光学系统的光学性能，因此，在光学镜头的装调过程中，必须严格控制光学镜头的球心偏差。
[0003] 目前，已有用于光学镜头球心偏差测量的设备，这些设备采用两种技术方案：一种方案是采用光学镜头内调焦的方式，调节光学测量镜头组中正透镜和负透镜之间的间距，来改变光束聚焦点的
位置，从而测量不同
曲率半径镜面的偏心量。但是该方案由于正负透镜之间的间距改变，导致光学测量镜头组的放大倍率显著变化，从而在计算被测镜片的偏心量时，产生较大误差。另一种方案是采用切换光学镜头的方式，通过更换不同焦距的光学镜头，来改变光束聚焦点的位置，从而测量不同
曲率半径镜面的偏心量。该方案虽然测量
精度比较高，但由于被切换的光学镜头的焦距是固定值，而且数量有限，从而决定了光束聚焦点的范围，只能测量球心在此范围内的镜面偏心量，导致该方案无法测量较大曲率半径的镜面偏心量，测量范围存在盲区。
[0004] 基于以上两种技术方案的光学镜头球心偏差测量设备，由于各自的技术
缺陷，已不能满足很多领域的光学镜头高精度装调的要求。
发明内容
[0005] 本发明的目的是解决
现有技术中用于光学镜头球心偏差测量的设备测量精度不够高，或者无法测量较大曲率半径的镜面偏心量、测量范围存在盲区的技术问题，提供一种光学镜头球心偏差测量装置和方法。
[0006] 本发明的光学镜头球心偏差测量装置包括：光学照明模
块、分光镜、光学
准直镜头组、光学聚焦镜头组、光电探测器、直线位移
传感器、机械调平台、精密旋转台、直线位移机构和主控计算机，所述光学照明模块、分光镜、光学准直镜头组、光学聚焦镜头组、光电探测器和直线位移传感器构成光学测量头；所述光学聚焦镜头组可拆卸，当光学聚焦镜头组拆下时，光学照明模块产生的十字线靶标光束依次经分光镜和光学准直镜头组聚焦到被测镜面的球心像的位置，十字线靶标光束经被测
镜面反射后，依次经光学准直镜头组和分光镜聚焦到光电探测器的靶面；当光学聚焦镜头组安装时，光学照明模块产生的十字线靶标光束依次经分光镜、光学准直镜头组和光学聚焦镜头组聚焦到被测镜面的球心像的位置，十字线靶标光束经被测镜面反射后，依次经光学聚焦镜头组、光学准直镜头组和分光镜聚焦到光电探测器的靶面；所述光电探测器将反射回来的十字线靶标光束的光
信号转换为
电信号，形成十字线图像，并将十字线图像信息传输至主控计算机；所述直线位移传感器用于测量光学准直镜头组的不同位置，并将此位置信息传送给主控计算机；所述机械调平台连接在精密旋转台之上，用于调节被测光学镜头的光轴与精密旋转台的旋
转轴线之间的位置关系；所述精密旋转台带动被测光学镜头绕精密旋转台的轴线旋转；所述直线位移机构带动光学测量头作竖直方向的直线运动，并测量光学测量头的位置，且将此位置信息传送给主控计算机；所述主控计算机用于计算球心偏差。
[0007] 进一步的，所述光学照明模块包括
光源、毛玻璃和十字线靶标。
[0008] 进一步的，所述分光镜为直
角胶合棱镜，光电探测器的靶面位于分光镜的上侧，十字线靶标位于分光镜的右侧，且光电探测器的靶面到分光镜上表面的距离等于十字线靶标到分光镜右表面的距离。
[0009] 进一步的，所述光学准直镜头组的位置可以调节。
[0010] 进一步的，所述光学聚焦镜头组可以切换不同焦距的光学镜头。
[0011] 进一步的，所述主控计算机计算球心偏差的过程是：
[0012] 步骤一、球心偏差测量
软件根据输入的被测镜头的各个镜面的曲率半径、镜面间隔和镜片折射率，计算被测镜头各个镜面的球心相对于其上所有镜面成像之后的球心像的位置和垂轴放大率β2；
[0013] 步骤二、球心偏差测量软件根据计算的被测镜面相对其上所有镜面成像之后的球心像的位置，给出光学准直镜头组的位置信息，或者给出光学聚焦镜头组的焦距信息以及调节直线位移机构的位置信息；
[0014] 步骤三、球心偏差测量软件根据直线位移传感器传送的光学
准直透镜组的位置信息计算光学测量头的垂轴放大率β1，或者根据使用的光学聚焦镜头组的焦距计算光学测量头的垂轴放大率β1；
[0015] 步骤四、球心偏差测量软件通过对得到的十字线图像信息进行处理，计算十字线图像圆心轨迹的直径S；
[0016] 步骤五、球心偏差测量软件再通过式计算镜面的球心线偏差α：
[0017]
[0018] 式(1)中，β=β1β2；
[0019] 或通过式(2)计算镜面的球心角偏差值χ：
[0020]
[0021] 式(2)中，R是被测镜面的曲率半径，β=β1β2。
[0022] 本发明的有益效果：
[0023] (1)本发明采用了切换镜头和内调焦相结合的工作模式：切换镜头的工作模式，测量过程中，光学测量头内的光学镜头组不存在运动的部件，能精确得到光学测量头内光学镜头组的垂轴放大倍率；内调焦工作模式，增大了光学测量头内光学准直镜头组的调焦距离，能精确得到光学测量头内光学镜头组垂轴放大倍率，因此，本发明可以达到较高的镜面偏心测量精度；
[0024] (2)本发明能用于各种曲率半径的光学镜头偏心测量，不存在测量盲区，解决了测量精度和镜面曲率半径测量范围不能兼顾的问题，应用广泛。
附图说明
[0025] 图1所示为本发明的光学镜头球心偏差测量装置的结构示意图；
[0026] 图1中，
[0027] 1是光学照明模块；
[0028] 101是光源；
[0029] 102是毛玻璃；
[0030] 103是十字线靶标；
[0031] 2是分光镜；
[0032] 3是光学准直镜头组；
[0033] 4是光学聚焦镜头组；
[0034] 5是光电探测器；
[0035] 6是直线位移传感器；
[0036] 7是机械调平台；
[0037] 8是精密旋转台；
[0038] 9是直线位移机构；
[0039] 10是主控计算机；
[0040] 11是光学测量头；
[0041] 12是被测光学镜头。
具体实施方式
[0042] 下面结合附图说明本发明的具体实施方式。
[0043] 如图1所示，本发明的光学镜头球心偏差测量装置包括：光学照明模块1、分光镜2、光学准直镜头组3、光学聚焦镜头组4、光电探测器5、直线位移传感器6、机械调平台7、精密旋转台8、直线位移机构9和主控计算机10。其中，光学照明模块1、分光镜2、光学准直镜头组3、光学聚焦镜头组4、光电探测器5和直线位移传感器6构成光学测量头11。
[0044] 光学照明模块1在光学镜头球心偏差测量过程中，提供均匀的十字线靶标光束。光学照明模块1包括光源101、毛玻璃102和十字线靶标103；光源101，可以选用
卤素灯或高
亮度LED；毛玻璃102，起匀光作用；十字线靶标103提供细十字线靶标，该靶标一般是亮线暗背景。
[0045] 分光镜2使工作波段范围内的十字靶标光束部分反射、部分透射，分光镜2一般由两个直角棱镜胶合而成，在胶合面上
镀分光膜。
[0046] 光学准直镜头组3的位置可以调节，可以调制产生平行光，也可以上下移动。
[0047] 光学聚焦镜头组4可拆卸，并且在测量不同曲率半径的镜面时，可以根据需要将光学聚焦镜头组4切换为不同焦距的光学镜头；当光学聚焦镜头组4安装时，将光学准直镜头组3调节到产生平行光的位置，光学照明模块1产生的十字线靶标光束经分光镜2反射到光学准直镜头组3，光学准直镜头组3将十字线靶标光束变换为平行光束，通过切换光学聚焦镜头组4的焦距并通过直线位移机构9调节光学测量头11的位置，使平行光束经过光学聚焦镜头组4聚焦到被测镜面的球心像的位置，十字线靶标光束经被测镜面反射后，再逆向经过光学聚焦镜头组4、光学准直镜头组3和分光镜2，聚焦到光电探测器5的靶面；当光学聚焦镜头组4拆下时，光学照明模块1产生的十字线靶标光束经分光镜2反射到光学准直镜头组3，通过调节光学准直镜头组3的位置，使十字线靶标聚焦到被测镜面的球心像的位置，十字线靶标光束经被测镜面反射后，逆向经过光学准直镜头组3和分光镜2，聚焦到光电探测器5的靶面。
[0048] 光电探测器5与主控计算机10相连，光电探测器5将反射回来的十字线靶标光束的
光信号转换为电信号，形成十字线图像，并将该十字线图像信息传送给主控计算机10；光电探测器5能够调节增益和曝光时间；光电探测器5的靶面位于分光镜2的上侧，十字线靶标103位于分光镜2的右侧，且光电探测器5的靶面到分光镜2上表面的距离，等于十字线靶标103到分光镜2右表面的距离。
[0049] 直线位移传感器6分别与光学准直镜头组3和主控计算机10相连，直线位移传感器6用于实时测量光学准直镜头组3的不同位置，并将此位置信息传送给主控计算机10。
[0050] 机械调平台7连接在精密旋转台8之上，测量过程中，被测光学镜头12放置在机械调平台7的中心位置，通过调节机械调平台7，调整被测光学镜头12的光轴与精密旋转台8的
旋转轴线之间的位置关系。
[0051] 精密旋转台8，在测量过程中，带动被测光学镜头12绕精密旋转台8的轴线旋转。根据光学镜头球心偏差测量精度的要求，选择相应精度的旋转平台。
[0052] 直线位移机构9分别与光学测量头11、主控计算机10连接，在测量过程中，直线位移机构9带动光学测量头11作竖直方向的直线运动，测量光学测量头11的位置，并将此位置信息传送给主控计算机10。
[0053] 主控计算机10运行球心偏差测量软件，
主板上装载
图像采集卡；图像采集卡采集光电探测器5的十字线图像信息；
[0054] 球心偏差测量软件根据输入的被测镜头12的各个镜面的曲率半径、镜面间隔和镜片折射率，计算各个镜面的球心相对于其上所有镜面成像之后的球心像的位置和垂轴放大率β2；
[0055] 球心偏差测量软件根据被测镜面相对其上所有镜面成像之后的球心像的位置，给出光学准直镜头组3的位置，或者给出应该选用的光学聚焦镜头组4的焦距信息以及调节直线位移机构9的位置信息，将十字线靶标的聚焦到被测球面的球心像的位置；
[0056] 球心偏差测量软件根据直线位移传感器6传送的光学准直透镜组3的位置信息，可以计算光学测量头11的垂轴放大率β1；或者根据所使用的光学聚焦透镜组4的焦距，可以计算光学测量头11的垂轴放大率β1；
[0057] 球心偏差测量软件通过对得到的十字线图像进行处理，计算出十字线图像的圆心轨迹的直径S；
[0058] 再通过式(1)计算镜面的球心线偏差：
[0059]
[0060] 式(1)中，α是被测镜面的球心线偏差值，S是光电探测器5上得到的十字线划出的圆心轨迹直径，β=β1β2，β2为被测镜面的垂轴放大率，β1为光学测量头11的垂轴放大率；
[0061] 或通过式(2)计算镜面的球心角偏差值：
[0062]
[0063] 式(2)中，χ是被测镜面的球心角偏差值，R是被测镜面的曲率半径。S和β与上公式定义相同。
[0064] 本发明的设计思想：当被测镜面的球心像距离光学测量头11较近时，将光学准直镜头组3调节到产生平行光的位置，切换不同焦距的光学聚焦镜头组4，再调节直线位移机构9的位置，将十字线靶标聚焦到被测镜面的球心像的位置；当被测镜面的球心像距离光学测量头11较远时，拆去光学聚焦镜头组4，只调节光学准直镜头组3的位置，将十字线靶标聚焦到被测镜面的球心像的位置；利用这两种工作方式，可以实现各种曲率半径光学镜面的球心偏差测量，同时，能达到较高的测量精度。
[0065] 本发明的光学镜头球心偏差测量装置的工作过程：
[0066] 第一步，给装置上电；
[0067] 第二步，将被测光学镜头12放置在机械调平台7的中间，观察主控计算机10上采集的十字线图像，调节直线位移机构9，使十字线的图像清晰，调节光电探测器5的增益或曝光时间，使十字线图像的亮度处于能够清晰可见的范围；
[0068] 第三步，启动精密旋转台8，十字线图像的圆心做圆周运动，调节机械调平台7，使十字线图像做圆周运动的圆心位于光电探测器5成像区的中心区域；
[0069] 这样做是为了使被测光学镜头12的光轴靠近光学测量头11的光轴，保证被测光学镜头12随精密旋转台8做圆周运动时，圆心轨迹在探测器靶面范围内；
[0070] 第四步，停止精密旋转台8，将被测光学镜头12的各个镜面的曲率半径、镜面间隔和镜片折射率输入主控计算机10的球心偏差测量软件，计算各个镜面的球心相对于其上所有镜面成像之后的球心像的位置和垂轴放大率β2；
[0071] 第五步，根据第四步计算的被测镜面相对于其上所有镜面成像之后的球心像的位置，当被测镜面的球心像距离光学测量头11较近时，将光学准直镜头组3调节到产生平行光的位置，安装合适焦距的光学聚焦镜头组4，调节直线位移机构9的位置，直到十字线清晰成像为止，使十字线靶标聚焦到第四步计算的被测镜面的球心像的位置，将光学聚焦镜头组4的焦距输入主控计算机10的球心偏差测量软件，主控计算机10根据光学聚焦镜头组4的焦距计算光学测量头11的放大倍率β1；当被测镜面的球心像距离光学测量头11较远时，拆下光学聚焦镜头组4，调节光学准直镜头组3的位置，直到十字线清晰成像为止，使十字线靶标聚焦到第四步计算的被测镜面的球心像的位置，主控计算机10根据直线位移传感器6传送的光学准直镜头组3的位置，计算光学测量头11的放大倍率β1；
[0072] 第六步，启动精密旋转台8，精密旋转台8带动被测光学镜头12作圆周运动，由光电探测器5可以得到十字线划出的圆心轨迹，通过主控计算机10计算圆心轨迹的直径S，该镜面的球心线偏差值用式(1)计算：
[0073]
[0074] 式(1)中，α是被测镜面的球心线偏差值，S是光电探测器5上得到的十字线划出的圆心轨迹直径，β=β1β2，β为光学系统垂轴放大率，β1为光学测量头12的垂轴放大率，β2为被测镜面的垂轴放大率；
[0075] 该镜面的球心角偏差值用式(2)计算：
[0076]
[0077] 式(2)中，χ是被测镜面的球心角偏差值，R是被测镜面的曲率半径，S和β与式(1)中相同。
[0078] 在测量过程中，为了确保测量过程中，参考轴的一致性，一旦机械调平台7调节完成之后，不能再进行调整。
[0079] 当被测光学镜头包含多个镜片时，重复第五步和第六步，从上至下依次测量各个镜面的球心偏差，能够得到各个镜面的偏心量，装调人员根据测量得到的镜面球心偏差值，调整各个镜片的位置，直到镜面球心偏差达到公差要求。
[0081] 本实施例光源101选用功率3W的高亮度LED；十字线靶标103的线宽度是25μm，十字线透光，其他部分不透光。分光镜2，由两个直角棱镜胶合而成，在胶合面上镀分光膜，在400～700nm范围内，分光镜2的透射
反射比是50%:50%，棱镜的边长是30mm。光学准直镜头组3，由两个双胶合透镜组成，焦距是270mm，其物面是十字线靶标103的表面，其调焦行程是61mm，十字线聚焦点范围是-∞～1200mm和＋1200mm～＋∞。光学聚焦镜头组4，是一个双胶合透镜，在测量不同曲率半径的光学镜片的偏心时，需要切换光学聚焦镜头组4，其焦距分别为：-1200mm、-800mm、-400mm、400mm、800mm、1200mm。光电探测器5，采用高灵敏度的面阵CCD，产生黑白图像，
分辨率是1392×1040，能够调节增益和曝光时间。直线位移传感器6，采用高精度的光栅尺，测量精度为5μm，量程100mm。机械调平台7，可以进行位置和角度调节，X和Y两个方向的位置调整范围均为±5mm，位置调节精度是±1μm，倾斜角度调节范围是±1.5°，角度调节精度是±1″。精密旋转台8，采用高精度的气浮旋转台，
台面直径为300mm，旋转一周，其轴向和径向跳动量小于0.2μm。直线位移机构9，采用竖直
导轨，行程600mm，
定位精度为0.1mm。
[0082] 本发明实施例的工作过程：例如，被测镜片上下表面的曲率半径分别是360mm和800mm，镜片厚度是6mm，材料是K9，操作步骤如下：
[0083] 第一步，给装置上电；
[0084] 第二步，将被测光学镜头12放置在机械调平台7的中间，调节直线位移机构9的上下位置，得到十字线的清晰图像，观察主控计算机10屏幕上的十字线图像的亮度，调节光电探测器5的增益或曝光时间，使图像中十字线的灰度值在150～220之间；
[0085] 第三步，启动精密旋转台8，调节机械调平台7，使被测光学镜头12的最上面的光学镜面反射回去的十字线，所划出的圆心轨迹的圆心，位于光电探测器5的中心区域；
[0086] 第四步，停止精密旋转台8，将被测光学镜头12的各个镜面的曲率半径、镜面间隔和镜片折射率输入主控计算机10的球心偏差测量软件，计算各个镜面的球心相对于其上所有镜面成像之后的球心像的位置和垂轴放大率β2；本例中，上表面的球心位于上表面
顶点之下360mm处，垂轴放大率是1；下表面的球心相对于上表面成像之后的球心，位于上表面顶点之下2240.49mm处，垂轴放大率为-4.216；
[0087] 第五步，先测量曲率半径为360mm的镜面。将焦距为400mm的光学聚焦镜头组4安装在光学测量头11上，将光学准直镜头组3调节到产生平行光的位置，调节直线位移机构9的高度，直到十字线清晰成像为止，十字线靶标聚焦在被测镜面的球心像的位置，将光学聚焦镜头组4的焦距输入主控计算机10的球心偏差测量软件，计算光学测量头11的放大倍率β2；
[0088] 第六步，启动精密旋转台8，带动被测光学镜头12作圆周运动，由光电探测器5可以得到十字线划出的圆心轨迹，主控计算机10中的球心偏差测量软件，通过
图像分析，可以得到十字线中心划出的圆心轨迹的直径S，利用式(1)可以计算出该镜面的线偏心量α，利用式(2)可以计算出该镜面的角偏心量χ。
[0089] 第七步，测量曲率半径为800mm的镜面。取下光学聚焦镜头组4，调节光学准直镜头组3的位置，将十字线聚焦在上表面顶点之下2240.49mm处，主控计算机10的球心偏差测量软件根据光学准直镜头组3的位置，计算光学测量头11的放大倍率β2；
[0090] 重复第六步，得到此镜面的线偏心量和角偏心量。
[0091] 显然，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于所述技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明
权利要求的保护范围内。
