CN101576641B - 光学系统中的嵌合式镜片组及其嵌合精度补正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学系统的嵌合式镜片组及其嵌合精度补正方法，所述嵌合式镜片组包括相互嵌合的至少两个镜片，其中，各镜片都包括曲面部分和位于其外周的平面部分；所述至少两个镜片中，第一镜片的平面部分上设置有非球面凸出部，第二镜片的相邻平面部分上设置有与所述凸出部嵌合的非球面凹进部。本发明利用非球面的唯一光轴的特性，来保证相互嵌合的镜片之间的定心与间隔定位精度，同时利用嵌合精度补正方法，对镜片加工成形的差异而产生的误差进行准确的补正加工，可达到较高的嵌合精度。

Description

光学系统中的嵌合式镜片组及其嵌合精度补正方法

技术领域

本发明涉及光学系统中的光学元件，更具体地说，涉及一种光学系统中的嵌合式镜片及其嵌合精度补正方法。

背景技术

目前各种拍照、录像设备已经迈向高像素时代，这些设备的光学系统对成像质量起着至关重要的作用。与一般光学仪器相比较，拍照、录像设备的光学系统结构较为复杂，往往包括相当数量的镜片。这些镜片在进行光学设计时，其相对位置都是当作完全理想的情况来进行设计处理，即设计时的像质是在镜片完全同心和无空气间隔(air space)偏差这样的理想条件下完成。因此镜片成品的加工和装配需要将各镜片连接后的同心度误差和空气间隔误差控制在一定范围之内，以保证各镜片组合后具有良好的成像质量。

现有技术中对多枚靠近的镜片之间的定心、定位方式通常分为两种。如图1所示，这种方法设置镜室(未图示)，之后将镜片组入镜室，依靠各镜片与镜室之间的干涉，来达到定位、定心效果。其缺陷是，镜片之间的嵌合精度容易受到镜片分模面所产生的毛边影响。此外，镜片与镜室之间相互干涉，镜片受到较大的侧向力，容易影响镜片的面精度。

另一种方法是依靠镜片与镜片之间的嵌合，来达到定位、定心效果。如图2所示，在公开号为CN 1508587A的中国专利申请中，公开了一种嵌合式镜片，在第一镜片21上设置嵌合侧面22，在第二镜片23上也设置嵌合侧面24，两者通过嵌合侧面22、24相互嵌设。如图3所示，在专利号为ZL200620121112.3的中国专利中，公开了一种嵌合式镜片组，在第一镜片31上设置有嵌合部32，第二镜片33的下端嵌合在嵌合部32中，来进行定位。这种方法虽然可避免镜片与镜室之间嵌合接触而产生的定心偏差，但是镜片的有效直径的面精度容易受到影响，导致解像力下降。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种光学系统中的嵌合式镜片及其嵌合精度补正方法，能够改善镜片之间的同心度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种光学系统的嵌合式镜片组，包括相互嵌合的至少两个镜片，其中，各镜片都包括曲面部分和位于其外周的平面部分；所述至少两个镜片中，第一镜片的平面部分上设置有非球面凸出部，第二镜片的相邻平面部分上设置有与所述凸出部嵌合的非球面凹进部，所述凸出部和凹进部的非球面表面满足以下公式：

$z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+{[1-(K+1)c^2{h}^2]}^{1/2}}+A4*h^4+A6*h^6+A8*h^8+A10*h^{10}$

其中：z为沿光轴方向在高度为h的位置以表面顶点作参考距光轴的位移值；K为锥度常量；c＝1/R，R表示镜片表面的曲率半径；h表示镜片高度；A4表示四次的非球面系数；A6表示六次的非球面系数；A8表示八次的非球面系数；A10表示十次的非球面系数。

在本发明所述的光学系统的嵌合式镜片组中，所述非球面凸出部的数量为多个，在所述第一镜片的平面部分上呈环形均布；所述非球面凹进部的数量和位置与所述凸出部对应。

在本发明所述的光学系统的嵌合式镜片组中，所述第一镜片和第二镜片的相邻曲面部分均为凹进曲面。

在本发明所述的光学系统的嵌合式镜片组中，所述第一镜片和第二镜片的相邻曲面中，其中一个为凹进曲面，另一个为凸出曲面，且凹进曲面的半径和曲率大于凸出曲面。

在本发明所述的光学系统的嵌合式镜片组中，所述第一镜片或第二镜片的平面部分上设置有凸台，所述第一镜片的凸出部或所述第二镜片的凹进部设置在所述凸台上。

本发明还提供了一种嵌合式镜片组的嵌合精度补正方法，所述镜片组包括相互嵌合的至少两个镜片，各镜片都包括曲面部分和位于其外周的平面部分；所述至少两个镜片中，第一镜片上的嵌合部为设置在其平面部分上的多个非球面凸出部，第二镜片上的嵌合部是设置在与第一镜片相邻的平面部分上、且与所述凸出部嵌合的多个非球面凹进部；所述凸出部和凹进部的非球面表面满足以下公式：

$z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+{[1-(K+1)c^2{h}^2]}^{1/2}}+A4*h^4+A6*h^6+A8*h^8+A10*h^{10}$

其中：z为沿光轴方向在高度为h的位置以表面顶点作参考距光轴的位移值；K为锥度常量；c＝1/R，R表示镜片表面的曲率半径；h表示镜片高度；A4表示四次的非球面系数；A6表示六次的非球面系数；A8表示八次的非球面系数；A10表示十次的非球面系数；所述嵌合精度补正方法包括以下步骤：

S1、将镜片组中的待测镜片固定于测量仪的夹具上；

S2、依据非球面测量结果进行基准面校正；

S3、依序对各非球面嵌合部进行测量，记录坐标并进行转换，得到其嵌合部直径；

S4、对与之嵌合的镜片进行测量，重复步骤S1-3，得到该与之嵌合的镜片的嵌合部直径；

S5、比较两个相互嵌合的镜片的嵌合部直径之间的差异；

S6、若差异值大于预定的范围，则进行模仁的补正加工；若差异值小于预定的范围，通过检测。

在本发明所述的嵌合式镜片组的嵌合精度补正方法中，所述步骤S2包括：依据非球面测量结果，调整X、Y方向的倾斜度；并记录待测镜片的中心点的坐标；

其中所述待测镜片的嵌合部中，同一镜片上相对的两个嵌合部的最高点或最低点连线与X方向平行，同一镜片上另两个相对的嵌合部的最高点或最低点连线与Y方向平行。

在本发明所述的嵌合式镜片组的嵌合精度补正方法中，所述步骤S3包括：

S31、测量并计算连线与X方向平行的两个嵌合部的最高点或最低点在X方向的距离；

S32、测量并计算连线与Y方向平行的两个嵌合部的最高点或最低点在Y方向的距离；以及

S33、取所述X、Y方向距离的平均值，得到待测镜片的测量结果。

在本发明所述的嵌合式镜片组的嵌合精度补正方法中，其特征在于，所述步骤S31包括：

S311、根据设计数值，将相对的两个嵌合部的最高点或最低点的理想距离定义为D0，将测量仪的探头从所述待测镜片的中心点沿着X方向移动D0/2的距离，先后对连线与X方向平行的两个嵌合部进行测量，记录测量点的坐标以及偏轴量；

S312、根据所测量点的坐标以及偏轴量，分别计算得到两个嵌合部的最高点或最低点的X坐标。

在本发明所述的嵌合式镜片组的嵌合精度补正方法中，所述步骤S32包括：

S321、将测量仪的探头从所述待测镜片的中心点沿着Y方向移动D0/2的距离，先后对连线与Y方向平行的两个嵌合部进行测量，记录测量点的坐标以及偏轴量；

S322、根据所测量点的坐标以及偏轴量，分别计算得到两个嵌合部的最高点或最低点的Y坐标。

实施本发明的光学系统中的嵌合式镜片组及其嵌合精度补正方法，具有以下有益效果：利用非球面的唯一光轴的特性，来保证相互嵌合的镜片之间的定心与间隔定位精度，同时利用嵌合精度补正方法，对镜片加工成形的差异而产生的误差进行准确的补正加工，可达到较高的嵌合精度。由于不会对镜片施加侧向力，因此与现有技术相比，可改善面精度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是现有技术中的一种镜片组的示意图；

图2是现有技术中的一种嵌合式镜片组的示意图；

图3是现有技术中的另一种嵌合式镜片组的示意图；

图4A是本发明的嵌合式镜片组的侧面分解示意图；

图4B是本发明的嵌合式镜片组的侧面组合示意图；

图5是本发明的嵌合式镜片组中第一镜片的主视图；

图6是图4A的A部放大图；

图7是将镜片组放置在测量仪的夹具上的示意图；

图8是对图6中的夹具进行基准面校正后的示意图；

图9是对嵌合式镜片组的各嵌合部进行测量的示意图；

图10是图9的B部放大图，示出了对单个嵌合部进行测量的例子。

具体实施方式

在本发明的光学系统的嵌合式镜片组中，包括相互嵌合的多个镜片，镜片的数量为至少两个。

图4A和4B示出了两个镜片相互嵌合的情况。该镜片组100包括第一镜片101和第二镜片102。各镜片都包括圆形曲面部分和位于其外周的平面部分。以第一镜片101为例，包括两侧的圆形曲面部分103、104和位于圆形曲面部分103、104外周的环形平面部分105、106。第一镜片101两侧的圆形曲面部分103、104可以分别是凸出、凹进的球面或非球面。类似地，第二镜片102包括两侧的圆形曲面部分107、108和环形平面部分109、110。

在第一镜片101和第二镜片102相邻的平面部分105、109上，分别设置有嵌合部，该嵌合部分别为多个凸出部111和多个凹进部112，两者的数量相等且形状相互配合。参照图5，在本发明的实施例中，示例了设置四个凸出部111的情况。凸出部111在平面部分105上呈环形分布，对应地，凹进部112在平面部分109上环形分布。这两个镜片即通过凸出部111和凹进部112相互嵌合。

为了保证两个镜片的曲面部分之间不发生干涉，与凸出部111位于同一侧的曲面部分103、与凹进部112位于同一侧的曲面部分107之间须满足一定的关系。如图4A所示的情况，两者可以均为凹进的曲面。或者，两者中的一个为凹进的曲面，另一个为凸出的曲面，且凹进曲面的半径和曲率大于凸出曲面。当凹进曲面的曲率或半径大于凸出曲面时，或者两者均为凸出的曲面，直接嵌合可能导致两个镜片的曲面部分之间发生干涉时，为了保证凸出部111和凹进部112相互嵌合，可以在相邻的平面部分105、109中的一者或两者上设置凸台，间接地增加平面部分的厚度，再在其上设置凸出部111或凹进部112。凸台的尺寸以不影响镜片的解像力为宜。

图6是图4A的A部放大图。如图6所示，多个凸出部111中，至少一个的表面形状为非球面曲面。图中用虚线示出了对应的球面曲面供参考。对应的至少一个凹进部112的表面形状也为非球面曲面。此举是利用了非球面的唯一光轴的特性，通过两个非球面表面的配合来保证两个镜片之间的定心与间隔定位精度。

凸出部111和凹进部112的非球面表面满足以下非球面公式：

$z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+{[1-(K+1)c^2{h}^2]}^{1/2}}+A4*h^4+A6*h^6+A8*h^8+A10*h^{10}$

其中：z为沿光轴方向在高度为h的位置以表面顶点作参考距光轴的位移值；K为锥度常量；c＝1/R，R表示镜片表面的曲率半径；h表示镜片高度；A4表示四次的非球面系数(4th Order Aspherical Coefficient)；A6表示六次的非球面系数；A8表示八次的非球面系数；A10表示十次的非球面系数。

凸出部111和凹进部112的设计值可以相同或者不同。在一个示例性实施例的数值中，凸出部111的非球面表面参考定义为：

R＝0.3公差范围0～0.305(+1％)

K＝0.6公差范围0～+1％

A4＝0

A6＝0

A8＝0

A10＝0

对应的凹进部112的非球面表面参考定义为：

R＝0.3公差范围0.3～-0.295(-1％)

K＝0.6公差范围0～-1％

A4＝0

A6＝0

A8＝0

A10＝0

非球面的唯一光轴的特性不仅可用来保证镜片之间的定心与间隔定位精度，还可配合高精度3D测量设备，完成坐标转换补正计算，以计算两个镜片之间的相对位置精度，利于在镜片的相对位置精度不符合要求的情况下进行嵌合尺寸的补正加工。对该嵌合式镜片组的嵌合精度补正方法大致包括以下步骤：

S1、将镜片组中的待测镜片固定于测量仪的夹具上；

S2、依据非球面测量结果进行基准面校正；

S3、依序对各非球面嵌合部进行测量，记录坐标并进行转换；

S4、将对嵌的镜片进行测量，重复步骤S1-S3；

S5、比较两个相互嵌合的镜片的测量结果之间的差异；

S6、若差异值大于预定的范围，则进行模仁的补正加工；若差异值小于预定的范围，通过检测。

以下将参照附图详细描述该嵌合式镜片组的嵌合精度补正方法。如图7所示，测量开始前，将待测镜片固定在高精度3D测量仪的夹具上，该待测镜片可以是带有非球面凸出部111的第一镜片101，也可以是与之嵌合的第二镜片102。接下来依据非球面测量结果，适当调整图中所示X、Y方向的倾斜调整钮113，调整至待测镜片的倾斜度小于预定的临界值，该值可以是例如0.2min(度-分-秒)，即完成基准面的校正。完成校正后的状态如图8所示，此时待测镜片的上表面保持水平。记录待测镜片上表面的中心点O点的(X，Y，Z)坐标。

参照图9和图10，接下来依次对待测镜片的多个非球面嵌合部进行测量。图中示出了对带有四个非球面凸出部111的第一镜片101进行测量的例子，这四个非球面凸出部依次标记为111A-D，它们以O点为中心，其中两个凸出部111A、111B的顶点连线位于X方向上或者与X轴平行，且另两个凸出部111C、111D的顶点连线位于Y方向上或者与Y轴平行。根据设计数值，相对的两个非球面凸出部的顶点之间的理想距离定义为D0。在第一镜片101中，将相对的两个非球面凸出部的顶点之间的实际距离定义为D01。由于加工误差，实际距离D01与理想距离D0之间可能存在少量的偏差。

将测量仪的探头从O点沿着X轴的方向移动D0/2的距离至A点，开始对凸出部111A进行测量，并记录A点的坐标(AX，AY，AZ)，同时记录A点在X方向上的偏轴量A1，即实际测量点A与光轴通过的顶点A’在X方向上的偏差。之后以类似的方法依次对凸出部111B上的B点、凸出部111C上的C点以及凸出部111D上的D点进行测量，记录B点的坐标(BX，BY，BZ)，B点与对应顶点B’在X方向上的偏差B1；记录C点的坐标(CX，CY，CZ)，C点与对应顶点C’在Y方向上的偏差C1；记录D点的坐标(DX，DY，DZ)，D点与对应顶点D’在Y方向上的偏差D1。

之后对所测量的第一镜片101的数据进行坐标转换。根据测量值，可以得到非球面凸出部111A上光轴通过的点，即顶点A’的X坐标为A’＝(AX+A1)，顶点B’的X坐标为B’＝(BX+B1)，顶点C’的Y坐标为C’＝(CY+C1)，顶点D’的Y坐标为D’＝(DY+D1)。由于顶点A’B’的连线位于X方向上或者与X轴平行，两者的距离为|A’-B’|，且C’D’的连线位于Y方向上或者与Y轴平行，两者的距离为|C’-D’|，因此可计算得到第一镜片101的相对嵌合部顶点之间的平均距离，即第一镜片101的嵌合部直径：D01＝((|A’-B’|+|C’-D’|)/2)。

之后以类似的方法对带有非球面凹进部112的第二镜片102进行测量。与前文相同的部分不再赘述。在该实施例中，对应地，非球面凹进部112的数量为四个，所测量的点依次定义为A”、B”、C”、D”点，其中A”B”连线位于X轴方向或与之平行，而C”D”连线位于Y轴方向或与之平行。

将测量仪的探头从中心点O”点沿着X轴的方向移动D0/2的距离至A”点，测量并记录A”点的坐标(A”X，A”Y，A”Z)，同时记录A”点在X方向上的偏轴量A2，即实际测量点A”与光轴通过的最低点A”’在X方向上的偏差。以类似的方法，记录B”点的坐标(B”X，B”Y，B”Z)，B”点与对应最低点B”’在X方向上的偏差B2；记录C”点的坐标(C”X，C”Y，C”Z)，C”点与对应最低点C”’在Y方向上的偏差C2；记录D”点的坐标(D”X，D”Y，D”Z)，D”点与对应最低点D”’在Y方向上的偏差D2。

之后对所测量的第二镜片102的数据进行坐标转换。根据测量值，可以得到非球面凹进部上光轴通过的点，即最低点A”’的X坐标为A”’＝(A”X+A2)，最低点B”’的X坐标为B”’＝(B”X+B2)，最低点C”’的Y坐标为C”’＝(C”Y+C2)，最低点D”’的Y坐标为D”’＝(D”Y+D2)。由于最低点A”’B”’的连线位于X方向上或者与X轴平行，且C”’D”’的连线位于Y方向上或者与Y轴平行，因此可计算得到第二镜片102的相对嵌合部最低点之间的距离，即第二镜片102的嵌合部直径：D02＝((|A”’-B”’|+|C”’-D”’|)/2)。

最后计算第一镜片101的嵌合部直径与第二镜片102的嵌合部直径之间的偏差，|D01-D02|。若|D01-D02|小于预定的偏差值，例如，0.001mm，则达到了这两个相互嵌合的镜片的同心精度。若|D01-D02|大于预定的偏差值，则需要对模仁进行补正加工，直至达到要求的精度，即完成嵌合精度补正。

本发明利用非球面的唯一光轴的特性，来保证镜片之间的定心与间隔定位精度，同时利用嵌合精度补正方法，对镜片加工成形的差异而产生的误差进行准确的补正加工，可达到较高的嵌合精度。由于不会对镜片施加侧向力，因此与现有技术相比，可改善面精度。

Claims (10)

1.一种光学系统的嵌合式镜片组，包括相互嵌合的至少两个镜片，其特征在于，各镜片都包括曲面部分和位于其外周的平面部分；所述至少两个镜片中，第一镜片的平面部分上设置有非球面凸出部，第二镜片的相邻平面部分上设置有与所述凸出部嵌合的非球面凹进部，所述凸出部和凹进部的非球面表面满足以下公式：

$z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+{[1-(K+1)c^2{h}^2]}^{1/2}}+A4*h^4+A6*h^6+A8*h^8+A10*h^{10}$

其中：z为沿光轴方向在高度为h的位置以表面顶点作参考距光轴的位移值；K为锥度常量；c＝1/R，R表示镜片表面的曲率半径；h表示镜片高度；A4表示四次的非球面系数；A6表示六次的非球面系数；A8表示八次的非球面系数；A10表示十次的非球面系数。

2.根据权利要求1所述的光学系统的嵌合式镜片组，其特征在于，所述非球面凸出部的数量为多个，在所述第一镜片的平面部分上呈环形均布；所述非球面凹进部的数量和位置与所述凸出部对应。

3.根据权利要求1所述的光学系统的嵌合式镜片组，其特征在于，所述第一镜片和第二镜片的相邻曲面部分均为凹进曲面。

4.根据权利要求1所述的光学系统的嵌合式镜片组，其特征在于，所述第一镜片和第二镜片的相邻曲面中，其中一个为凹进曲面，另一个为凸出曲面，且凹进曲面的半径和曲率大于凸出曲面。

5.根据权利要求1或2所述的光学系统的嵌合式镜片组，其特征在于，所述第一镜片或第二镜片的平面部分上设置有凸台，所述第一镜片的凸出部或所述第二镜片的凹进部设置在所述凸台上。

6.一种嵌合式镜片组的嵌合精度补正方法，所述镜片组包括相互嵌合的至少两个镜片，其特征在于，各镜片都包括曲面部分和位于其外周的平面部分；所述至少两个镜片中，第一镜片上的嵌合部为设置在其平面部分上的多个非球面凸出部，第二镜片上的嵌合部是设置在与第一镜片相邻的平面部分上、且与所述凸出部嵌合的多个非球面凹进部；所述凸出部和凹进部的非球面表面满足以下公式：

$z=\frac{{\mathrm{ch}}^2}{1+{[1-(K+1)c^2{h}^2]}^{1/2}}+A4*h^4+A6*h^6+A8*h^8+A10*h^{10}$

其中：z为沿光轴方向在高度为h的位置以表面顶点作参考距光轴的位移值；K为锥度常量；c＝1/R，R表示镜片表面的曲率半径；h表示镜片高度；A4表示四次的非球面系数；A6表示六次的非球面系数；A8表示八次的非球面系数；A10表示十次的非球面系数；所述嵌合精度补正方法包括以下步骤：

S1、将镜片组中的待测镜片固定于测量仪的夹具上；

S2、依据非球面测量结果进行基准面校正；

S3、依序对各非球面嵌合部进行测量，记录坐标并进行转换，得到其嵌合部直径；

S4、对与之嵌合的镜片进行测量，重复步骤S1-3，得到该与之嵌合的镜片的嵌合部直径；

S5、比较两个相互嵌合的镜片的嵌合部直径之间的差异；

S6、若差异值大于预定的范围，则进行模仁的补正加工；若差异值小于预定的范围，通过检测。

7.根据权利要求6所述的嵌合式镜片组的嵌合精度补正方法，其特征在于，所述步骤S2包括：依据非球面测量结果，调整X、Y方向的倾斜度；并记录待测镜片的中心点的坐标；

其中所述待测镜片的嵌合部中，同一镜片上相对的两个嵌合部的最高点或最低点连线与X方向平行，同一镜片上另两个相对的嵌合部的最高点或最低点连线与Y方向平行。

8.根据权利要求7所述的嵌合式镜片组的嵌合精度补正方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

S31、测量并计算连线与X方向平行的两个嵌合部的最高点或最低点在X方向的距离；

S32、测量并计算连线与Y方向平行的两个嵌合部的最高点或最低点在Y方向的距离；以及

S33、取所述X、Y方向距离的平均值，得到待测镜片的测量结果。

9.根据权利要求8所述的嵌合式镜片组的嵌合精度补正方法，其特征在于，所述步骤S31包括：

S311、根据设计数值，将相对的两个嵌合部的最高点或最低点的理想距离定义为D0，将测量仪的探头从所述待测镜片的中心点沿着X方向移动D0/2的距离，先后对连线与X方向平行的两个嵌合部进行测量，记录测量点的坐标以及偏轴量；

S312、根据所测量点的坐标以及偏轴量，分别计算得到两个嵌合部的最高点或最低点的X坐标。

10.根据权利要求9所述的嵌合式镜片组的嵌合精度补正方法，其特征在于，所述步骤S32包括：

S321、将测量仪的探头从所述待测镜片的中心点沿着Y方向移动D0/2的距离，先后对连线与Y方向平行的两个嵌合部进行测量，记录测量点的坐标以及偏轴量；

S322、根据所测量点的坐标以及偏轴量，分别计算得到两个嵌合部的最高点或最低点的Y坐标。

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