CN107024751B - 一种高精度对准光学元件和玻璃平板的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度对准光学元件和玻璃平板的装置与方法。适用于精密器械装调领域，提供了光学元件表面平行度的对准装置，包括支撑第一光学元件的第一支架、支撑第二光学元件的第二支架、激光自准直仪及控制器；激光自准直仪包括主机和与主机配套的分光镜及表面反射镜，分光镜贴设于第一光学元件表面，表面反射镜贴设于第二光学元件表面；第一支架上设有第一调节件，第二支架上设有第二调节件。本发明采集了分光镜和表面反射镜转动时的多组数据，在激光自准直仪精度不够时，通过多次测量可提高重复精度，激光自准直仪存在系统偏差时可以相互抵消；通过对分光镜和表面反射镜进行旋转并取光点轨迹中心进行计算，消除了分光镜和表面反射镜自身厚度不均带来的偏差，提高了光学元件平行度检测精度和效率。

Description

一种高精度对准光学元件和玻璃平板的装置与方法

技术领域

本发明属于精密机械装调技术领域，尤其涉及一种高精度对准光学元件和玻璃平板的装置与方法。

背景技术

在一般的光学元件和玻璃平板的精密装调技术中，一般会采用激光自准直仪作为调整的方向基准，通过表面反射镜作为滑动物体，以获得物体如导轨的平面度信息，当从表面反射镜反射的光线返回自准直仪屏幕或者成像器件时，会形成一个亮的光点，当光点和出厂校准好的光轴中心重合的时候，认为反射镜的方向垂直于激光方向，并以此得到平面度信息。但随着电子元器件及其装配要求的提高，与此对应的自动装配设备的装配精度也随之提高，当该精度和激光自准直仪的重复精度在一个数量级上时，则传统方法不能够得到精确的测量。另一方面，由于激光自准直仪所配套的表面反射镜的厚度不是绝对均匀，不能够确保测量结果的偏倚性能。例如，目前有自动化设备平面度装配要求为0.5角秒，和一般激光自准直仪所提供的重复精度0.1角秒在一个数量级上，则难以满足精确测量的要求；另外，一般的表面反射镜前后表面平行度低于1角秒，当设备对反射镜的反射面和安装面的平行度要求高于1角秒时，则不能提供足够精确的平面度测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度对准光学元件和玻璃平板的装置，旨在提高光学元件和玻璃平板平行度的测量精度并进行高精度对准。

本发明是这样实现的，一种光学元件表面平行度的对准装置，包括用于支撑待对准的第一光学元件的第一支架、用于支撑待对准的第二光学元件的第二支架、激光自准直仪，以及与所述激光自准直仪连接的用于分析两光学元件表面平行度的控制器；所述激光自准直仪包括用于发射激光并接收所述激光的反射光的主机，还包括与所述主机配套的可将所述激光部分反射回主机并部分透射的分光镜，以及位于所述分光镜的透射光路上的表面反射镜，所述分光镜贴设于所述第一光学元件待对准的表面，所述表面反射镜贴设于所述第二光学元件待对准的表面；所述第一支架上设有用于调节所述第一光学元件平面度的第一调节件，所述第二支架上设有用于调节所述第二光学元件平面度的第二调节件。

本发明的另一目的在于提供一种光学元件表面平行度的对准方法，包括下述步骤：

通过激光自准直仪的主机输出激光，所述激光于分光镜的上表面部分反射回主机，在所述主机上形成第一光点，另一部分激光经所述分光镜透射至表面反射镜，经所述表面反射镜反射后在所述主机上形成第二光点；

以一定点为中心转动所述分光镜，使所述激光经过所述分光镜的不同位置反射，在所述主机上形成多个第一光点；

以一定点为中心转动所述表面反射镜，使所述激光经过所述表面反射镜的不同位置反射，在所述主机上形成多个第二光点；

通过控制器获取每个第一光点和第二光点的中心，以圆拟合的方法将所述多个第一光点的中心拟合成第一光点轨迹，将所述多个第二光点的中心拟合成第二光点轨迹；

获取所述第一光点轨迹的中心和第二光点轨迹的中心并计算两中心之间的偏差，根据该偏差确定所述第一光学元件和第二光学元件的表面平行度。

本发明采用激光自准直仪发射激光，采用配套的分光镜和表面反射镜分别反射激光，并转动分光镜和表面反射镜以获得多组光点位置数据，分别形成第一光点轨迹和第二光点轨迹，并获取第一光点轨迹和第二光点轨迹的中心，依此判断两个光学元件的表面平行度。由于采集了多组数据，在激光自准直仪精度不够时，通过这样多次测量也可以提高重复精度，激光自准直仪存在系统偏差时，由于系统偏差是固定的，对于两个面测量都存在，也可以相互抵消；通过对分光镜和表面反射镜进行旋转并取其光点轨迹中心进行计算，有效的消除了分光镜和表面反射镜自身厚度不均带来的偏差，提高了光学元件表面平行度的检测精度和效率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的高精度对准光学元件和玻璃平板的装置结构示意图；

图2是采用本发明实施例的高精度对准光学元件和玻璃平板的装置进行平行度测量的原理图一；

图3是采用本发明实施例的高精度对准光学元件和玻璃平板的装置进行平行度测量的原理图二；

图4是采用本发明实施例的高精度对准光学元件和玻璃平板的方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

还需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

如图1，本发明实施例提供一种光学元件表面平行度的对准装置，用于检测两个光学元件的表面平行度，并调整光学元件的倾斜角度，使两个光学元件的表面平行度满足预定要求。该装置包括用于支撑待对准的第一光学元件01的第一支架02、用于支撑待对准的第二光学元件03的第二支架04、激光自准直仪，以及与激光自准直仪连接的用于分析两光学元件表面平行度的控制器。该激光自准直仪包括用于发射激光并接收激光的反射光的主机051，还包括与主机051配套的分光镜052和表面反射镜(未图示)，该分光镜052贴合于第一光学元件01待对准的表面，表面反射镜贴设于第二光学元件03待对准的表面，第一光学元件01和第二光学元件03自上向下设置，激光自准直仪的主机051设置于第一光学元件01的上方，激光自准直仪的主机051位于光路的起始端，分光镜052位于光路的中间部分，表面反射镜则位于光路的尾部，分光镜052可将激光部分反射回主机051并部分透射出去，表面反射镜位于分光镜052的透射光路上，可将激光反射回激光自准直仪的主机051。分光镜052和表面反射镜反射的光各自在主机051的接收面上形成较亮的光点。为了调整第一光学元件01和第二光学元件03的平行度，还在第一支架02上设置了用于调节第一光学元件01平面度的第一调节件06，在第二支架04上设置了用于调节第二光学元件03平面度的第二调节件07。

在本实施例中，用于承载第一光学元件01的第一支架02和用于承载第二光学元件03的第二支架04设置于公共平面平台上，以防止第一支架02和第二支架04自身不平造成的误差。

进一步地，为了使对准装置的结构紧凑，可以在主机051的激光输出方向设置将光路折弯的反光镜08，分光镜052则设置于反光镜08的反射光路上，该反光镜的数目不限。进一步地，第一调节件06和第二调节件07可以为螺栓。

采用本发明实施例的对准装置进行光学元件的平行度测量和对准时，具体包括下述步骤：如图4，

在步骤S101中，通过激光自准直仪的主机051输出激光，激光于分光镜052的上表面部分反射回主机051，在主机051上形成第一光点，另一部分激光经分光镜052透射至表面反射镜，经表面反射镜反射后在所述主机051上形成第二光点；如图2中的S1和S2；

在步骤S102中，以一定点为中心转动分光镜052，使激光经过分光镜052的不同位置反射，在主机051上形成多个第一光点；

在步骤S103中，以一定点为中心转动表面反射镜，使激光经过表面反射镜的不同位置反射，在主机051上形成多个第二光点；

在步骤S104中，通过控制器获取每个第一光点和第二光点的中心，以圆拟合的方法将多个第一光点的中心拟合成第一光点轨迹，将多个第二光点的中心拟合成第二光点轨迹；如图3中的L1和L2。

在步骤S105中，获取第一光点轨迹的中心和第二光点轨迹的中心并计算两中心之间的偏差，根据该偏差确定第一光学元件01和第二光学元件03的表面平行度。

在该方法中，由于第一光学元件01和第二光学元件03的表面均在一定的不平行度，当分光镜052和表面反射镜均为厚度一致的元件时，上述第一光点和第二光点之间的偏差表征了第一光学元件01和第二光学元件03的表面平行度，然而实际中分光镜052和表面反射镜自身厚度具有一定的不均匀性，这样单次测量的第一光点和第二光点之间的偏差则不能精确的表征第一光学元件01和第二光学元件03的平行度。本实施例将分光镜052和表面反射镜各自旋转至少一周，使之不同的位置反射激光，这样，分光镜052反射的多个第一光点分别对应其不同的位置，多个第一光点进行圆拟合形成第一光点轨迹即为转动分光镜052所形成的光点轨迹，再选取该第一光点轨迹的中心，该方法消除了分光镜052厚度不一致导致的误差。同样的，对表面反射镜进行同样的处理，其转动至少一周后在激光自准直仪的主机051上形成第二光点轨迹，再取其中心，该方法消除了表面反射镜厚度不一致导致的误差。这样，第一光点轨迹和第二光点轨迹的中心之间的偏差则代表第一光学元件01和第二光学元件03的真实偏差。

进一步地，在检测第一光学元件01和第二光学元件03的真实偏差之后，可以根据该平行度调整第一调节件06和第二调节件07。具体可以手动调节，也可以由控制器或其他控制部件控制其自动调节。当调节至第一光点轨迹和第二光点轨迹的中心重合时，表明第一光学元件01和第二光学元件03平行。

本发明实施例采用激光自准直仪的主机051发射激光，采用配套的分光镜052和表面反射镜分别反射激光，并转动分光镜052和表面反射镜，获得多组光点位置数据，分别形成第一光点轨迹和第二光点轨迹，并获取第一光点轨迹和第二光点轨迹的中心，依此判断两个光学元件的表面平行度。由于采集了分光镜052和表面反射镜转动不同角度时的数据，在激光自准直仪精度不够时，通过这样多次测量也可以提高重复精度，激光自准直仪存在系统偏差时，由于系统偏差是固定的，对于两个面测量都存在，也可以相互抵消；通过对分光镜052和表面反射镜进行旋转并取其光点轨迹中心进行计算，有效的消除了分光镜052和表面反射镜自身厚度不均带来的偏差，提高了光学元件表面平行度的检测精度和效率。

在本实施例中，在检测第一光学元件01和第二光学元件03的表面平行度的过程中，分光镜052和表面反射镜分别以一定点为中心进行旋转，该定点与激光入射的光斑错位，即不在同一位置，保证反射光可随着元件的转动而改变反射方向。

在本实施例中，第一光学元件01的至少一个表面为平面，第二光学元件03的至少一个表面为平面，分光镜052设置于第一光学元件01的平面上，表面反射镜设置于第二光学元件03的平面上，第一光学元件01和第二光学元件03的另一面也可以是平面或者为曲面。例如，第一光学元件01为中继镜，第二光学元件03为玻璃平板，或者，二者均为平板状元件。

在本实施例中，分光镜052和表面反射镜的转动次数为至少两次，每次旋转的角度可以相同或者不同，转动的总角度至少为360°。

在本实施例中，控制器用于进行运算操作，其可以是集成于对准装置上的运算单元及显示单元，也可以是通过线缆连接至远端的工业计算机及显示器和对应软件，本实施例不进行限定。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高精度对准光学元件和玻璃平板的装置，其特征在于，包括用于支撑待对准的第一光学元件的第一支架、用于支撑待对准的第二光学元件的第二支架、激光自准直仪，以及与所述激光自准直仪连接的用于分析两光学元件表面平行度的控制器；所述激光自准直仪包括用于发射激光并接收所述激光的反射光的主机，还包括与所述主机配套的可将所述激光部分反射回主机并部分透射的分光镜，以及位于所述分光镜的透射光路上的表面反射镜，所述分光镜贴设于所述第一光学元件待对准的表面，所述表面反射镜贴设于所述第二光学元件待对准的表面；所述第一支架上设有用于调节所述第一光学元件平面度的第一调节件，所述第二支架上设有用于调节所述第二光学元件平面度的第二调节件；

所述分光镜和表面反射镜在检测所述第一光学元件和第二光学元件的表面平行度的过程中分别以一定点为中心进行旋转，其反射光分别在所述主机上形成多个光点；所述控制器将分光镜的反射光拟合成第一光点轨迹，将所述表面反射镜的反射光拟合成第二光点轨迹，并根据所述第一光点轨迹和第二光点轨迹计算所述第一光学元件和第二光学元件的表面平行度；所述分光镜和所述表面反射镜的转动次数为至少两次，每次旋转的角度相同或者不同，转动的总角度至少为360°。

2.如权利要求1所述的高精度对准光学元件和玻璃平板的装置，其特征在于，所述主机的激光输出方向设有将光路折弯的反光镜，所述分光镜设置于所述反光镜的反射光路上。

3.如权利要求1所述的高精度对准光学元件和玻璃平板的装置，其特征在于，所述第一支架和第二支架均设置于公共平面平台上。

4.如权利要求1所述的高精度对准光学元件和玻璃平板的装置，其特征在于，所述第一光学元件的至少一个表面为平面，所述第二光学元件的至少一个表面为平面，所述分光镜设置于所述第一光学元件的平面上，所述表面反射镜设置于第二光学元件的平面上。

5.如权利要求1所述的高精度对准光学元件和玻璃平板的装置，其特征在于，所述第一光学元件和第二光学元件均为平板元件。

6.如权利要求1所述的高精度对准光学元件和玻璃平板的装置，其特征在于，所述第一调节件和第二调节件为螺栓。

7.一种高精度对准光学元件和玻璃平板的方法，用于平行对准第一光学元件和第二光学元件，其特征在于，包括下述步骤：

通过激光自准直仪的主机输出激光，将分光镜贴设于所述第一光学元件待对准的表面上，将表面反射镜贴设于所述第二光学元件待对准的表面上，所述激光于分光镜的上表面部分反射回主机，在所述主机上形成第一光点，另一部分激光经所述分光镜透射至表面反射镜，经所述表面反射镜反射后在所述主机上形成第二光点；

以一定点为中心转动所述分光镜，使所述激光经过所述分光镜的不同位置反射，在所述主机上形成多个第一光点；

以一定点为中心转动所述表面反射镜，使所述激光经过所述表面反射镜的不同位置反射，在所述主机上形成多个第二光点；

通过控制器获取每个第一光点和第二光点的中心，以圆拟合的方法将所述多个第一光点的中心拟合成第一光点轨迹，将所述多个第二光点的中心拟合成第二光点轨迹；

获取所述第一光点轨迹的中心和第二光点轨迹的中心并计算两中心之间的偏差，根据该偏差确定所述第一光学元件和第二光学元件的表面平行度。

8.如权利要求7所述的高精度对准光学元件和玻璃平板的方法，其特征在于，所述分光镜上的激光光斑与其转动中心点相错位，所述表面反射镜上的激光光斑与其转动中心点相错位。

9.如权利要求7所述的高精度对准光学元件和玻璃平板的方法，其特征在于，所述分光镜和表面反射镜的转动次数为至少两次，且每次转动的角度相同或不同，转动的总角度至少为360°。