CN109855844B - 一种光学镜头中心偏差测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学镜头中心偏差测量装置，包括光学测量模块、机械调整模块、主控计算机以及光学平台，光学测量模块与机械调整模块连接，光学测量模块及所述机械调整模块均与所述主控计算机电连接，光学测量模块包括两组物镜和辅助物镜，切换两组物镜和辅助物镜，并通过机械调整模块进行调焦，使得被测凹面或凸面镜头的曲率半径在“共焦模式”下有较大的测量范围，从而可以获得更高的测量精度。采用两组切换镜头的方式，在保证测量精度的同时，降低了成本且使得操作过程简单，提高了工作效率。

Description

一种光学镜头中心偏差测量装置及方法

技术领域

本发明涉及光学测量仪器技术领域，更准确的说涉及一种光学镜头中心偏差测量装置及方法。

背景技术

光学系统广泛的应用在民用、工业检测、医疗、科研、航空航天以及国防军事等领域。而且，随着技术的不断进步，光学系统更加复杂，对光学系统的成像质量要求也不断提高。光学系统中的透镜数量不断增加，公差也越来越严格。具体的，光学系统一般由光学镜头、机械结构和光电探测器组成，其中，光学镜头中的透镜的定心装调精度直接决定了光学镜头的成像质量。可见，为了提高光学系统的整体性能，必须严格控制光学镜头的中心偏差。而光学镜头中心偏差需要使用专门的装置进行测量。现有技术中，测量光学镜头中心偏差有两种可选方案。第一种方案时是采用反射式自准直法，为调焦法和切换镜头法相结合的方案：调焦法是沿光轴方向上下移动光学测量模块内的准直镜头组，来实现靶标聚焦点在较远范围内连续调节；切换镜头法是将调焦镜头组置于产生平行光的位置，通过切换不同焦距的镜头，并配合竖直导轨的移动来实现靶标聚焦点在较近的范围内连续调节；结合使用调焦法和切换镜头法，能够在全范围内实现靶标聚焦，并连续调节，从而实现全范围球面半径的测量；采用反射式自准直法的方案，测量范围不存在盲区，但是测量精度不够高，且根据待测镜F数所需切换的镜头数量较多，操作复杂，测量效率低，设备成本较高。第二种方案是采用反射式焦点成像和反射式顶点成像两种工作方式，并采用离焦测量方法进行测量：对于单个待测面，激光聚焦点聚焦到待测面曲率中心之后会在曲率中心之前成像，或者激光焦点聚焦到待测面顶点之后在顶点之前成像，激光焦平面和经待测面成像之后的像平面之间的距离记为ΔT，此时探测器平面和像平面之间产生的固定距离记为L；反射式焦点离焦成像称为“共焦模式”，反射式顶点离焦成像称为“常规模式”，“常规模式”的测量范围不受限制，但是“共焦模式”在后工作距以及调焦行程一定的情况下测量范围有限。第二种方案的光学测量模块仅需一个物镜，且此方案的曲率半径测量范围不存在盲区，但是其中“共焦模式”的测量范围很小，无法获得更高的测量精度。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种光学镜头中心偏差测量装置，包括光学测量模块、机械调整模块、主控计算机以及光学平台，光学测量模块与机械调整模块连接，光学测量模块及所述机械调整模块均与所述主控计算机电连接，光学测量模块包括两组物镜和辅助物镜，切换两组物镜和辅助物镜，并通过机械调整模块进行调焦，使得被测凹面或凸面镜头的曲率半径在“共焦模式”下有较大的测量范围，从而可以获得更高的测量精度。

为了实现上述目的，本发明提供一种光学镜头中心偏差测量装置，用于测量光学镜头的中心偏差，所述光学镜头中心偏差测量装置包括一光学测量模块、一机械调整模块、一主控计算机以及一光学平台，所述机械调整模块设置在所述光学平台上，所述光学测量模块与所述机械调整模块连接，且所述光学测量模块受所述机械调整模块的驱动移动，所述光学测量模块及所述机械调整模块均与所述主控计算机电连接，所述主控计算机控制所述光学测量模块和所述机械调整模块的工作状态，所述光学镜头放置在所述机械调整模块上，所述机械调整模块调节所述光学镜头的方位，与所述光学测量模块对位，所述主控计算机接受参数输入以及所述光学测量模块和所述机械调整模块测得的参数，并计算出所述光学镜头的中心偏差。

优选地，所述光学测量模块1包括一光源模块、一聚光镜、一分光棱镜、一物镜、一辅助物镜、一电子目镜以及一光电探测器；

所述聚光镜与所述光源模块出射光共光轴的相邻设置，所述聚光镜将所述光源模块出射的光束转换为平行光；

所述分光棱镜与所述聚光镜邻近设置，所述分光棱镜将所述聚光镜出射的平行光部分反射、部分透射；

所述分光棱镜出射反射光的一面设置和反射光共光轴的所述物镜，所述分光棱镜出射透射光的一面设置和透射光共光轴的所述辅助物镜，且所述物镜和所述辅助物镜共光轴；

所述电子目镜设置在所述辅助物镜远离所述分光棱镜的一端，且所述电子目镜与所述辅助物镜共光轴；

所述光电探测器与所述主控计算机电连接，所述光电探测器将其接收到的光信号转换为电信号，形成光斑图像，并将光斑图像传递至所述主控计算机。

优选地，所述机械调整模块包括一一维移动结构、一精密转台以及一三维调整平台，所述一维移动结构一端与所述光学平台连接，另一端与所述光学测量模块连接，且所述一维移动结构垂直于所述光学平台平面，所述三维调整平台设置于所述精密转台的顶面，待测量的光学镜头放置在所述三维调整平台顶部的中心位置，所述一维移动结构与所述主控计算机电连接，所述主控计算机控制所述一维移动结构的工作状态，所述一维移动结构带动所述光学测量模块沿所述一维移动结构的轴向移动，且所述一维移动结构测量所述光学测量模块的位置信息，并将该位置信息以电信号的形式传递至所述主控计算机。

优选地，所述主控计算机具有图像采集模块，通过所述图像采集模块接机所述光电探测器传递的光斑图像信息，所述主控计算机运行中心偏差测量软件，计算光学镜头的中心偏差。

优选地，所述物镜和所述辅助物镜成组使用，分为两组物镜和辅助物镜，分别记为第一组和第二组，所述第一组中的所述物镜焦距小于所述第二组中的所述物镜的焦距。

优选地，所述光源模块包括一光源和一光纤，所述光纤与所述光源的出光处连接。

优选地，所述分光棱镜由两个直角棱镜斜面胶合组成，且两个直角棱镜的胶合面镀有分光膜。

优选地，所述光源为半导体激光器。

本发明还提供一种光学镜头中心偏差测量方法，包括步骤：

(A)光学镜头中心偏差测量装置上电；

(B)调整所述光源的光轴与所述精密转台的旋转轴精确对准；

(C)将被测光学镜头放置在所述三维调整平台的中间，观察所述主控计算机上采集的被测光学镜头最上面一面的“常规模式”得到的光斑图像，调节所述一维移动机构使光斑图像清晰，调节所述光电探测器的增益或曝光时间，使光斑图像的亮度处于能清晰可见的范围；

(D)启动所述精密转台，光斑图像的质心做圆周运动，调节所述三维调整平台使光斑图像做圆周运动的质心位于所述光电探测器成像区的中心区域；

(E)停止精密转台，将光学镜头中的各个面的曲率半径R、镜面间隔、镜片折射率以及ΔT输入主控计算机3的中心偏差测量软件，分别计算出各个面的焦点像和顶点像的位置以及以被测面成像之后得到的像点相对于其上所有面成像的垂轴放大率β₂；

(F)对于凹面，根据步骤(E)计算的被测面的焦点像和顶点像的位置，判断焦点像的位置是否在“共焦模式”的测量范围内，若在，选择所述第一组进行切换，调节一维移动机构直到光斑图像清晰为止，使靶标聚焦到步骤(E)计算的被测面的焦点像的位置，将物镜和辅助物镜的焦距值输入主控计算机的中心偏差测量软件，主控计算机根据输入的物镜和辅助物镜的焦距值计算光学测量模块的垂轴放大率β₁；

对于凸面，当R<ΔT时，选择所述第二组进行切换，根据步骤(E)计算的被测面的顶点像的位置，调节所述一维移动机构直到光斑图像清晰为止，使靶标聚焦到步骤(E)计算的被测面的顶点像的位置，将所述物镜和所述辅助物镜的焦距值输入所述主控计算机的中心偏差测量软件，所述主控计算机根据输入的所述物镜和所述辅助物镜的焦距值计算所述光学测量模块的垂轴放大率β₁；当R>ΔT时，根据步骤(E)计算的被测面的焦点像和顶点像的位置，判断焦点像的位置是否在“共焦模式”的测量范围内，若在，选择所述第二组进行切换，调节所述一维移动机构直到光斑图像清晰为止，使靶标聚焦到步骤(E)计算的被测面的焦点像的位置，将所述物镜和所述辅助物镜的焦距值输入所述主控计算机的中心偏差测量软件，所述主控计算机根据输入的所述物镜和所述辅助物镜的焦距值计算光学测量模块的垂轴放大率β₁；当被测面的焦点像的位置在“共焦模式”的测量范围之外，选择所述第一组或所述第二组进行“常规模式”测量，将选择的所述物镜和所述辅助物镜的焦距值输入所述主控计算机的中心偏差测量软件，计算出光学测量模块的垂轴放大率β₁；

(G)启动所述精密转台，所述精密转台带动被测光学镜做圆周运动，由所述光电探测器可以得到光斑质心的划圆轨迹，通过所述主控计算机计算划圆直径D，用式(1)或式(2)计算该面的中心偏差值：

式中β＝β₁β₂，R是被测面的曲率半径，ΔT是光学测量模块成像聚焦点和被测镜面成像聚焦点之间的轴向距离；

式(1)适用于“常规模式”下凹面和“共焦模式”下凸面的中心偏差计算；式(2)适用于“共焦模式”下凹面和“常规模式”下凸面的中心偏差计算；

或通过式(3)或式(4)计算被测面的球心差η_d：

式(3)适用于“常规模式”下凹面和“共焦模式”下凸面的球心差计算；式(4)适用于“共焦模式”下凹面和“常规模式”下凸面的球心差计算。

与现有技术相比，本发明的一种光学镜头中心偏差测量装置的优点在于：通过切换两组物镜和辅助物镜的组合，充分应用一维移动机构的调焦行程，使得“共焦模式”下，被测凹面和被测凸面的曲率半径有较大的测量范围，从而可以获得更高的测量精度；采用切换镜头的方式，光学测量模块内的光学镜组不存在运动的部件，能精确得到光学测量模块内光学镜组的垂轴放大率，从而确保了测量精度，而且所需切换的镜头数目少，降低了成本且使得操作过程简单，提高了工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1所示为本发明一种光学镜头中心偏差测量装置的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的一种光学镜头中心偏差测量装置包括一光学测量模块1、一机械调整模块2、一主控计算机3以及一光学平台5，所述机械调整模块2设置在所述光学平台5顶部，所述光学测量模块1与所述机械调整模块2连接，且所述光学测量模块1受所述机械调整模块2的驱动移动；所述光学测量模块1及所述机械调整模块2均与所述主控计算机3电连接，所述主控计算机3控制所述光学测量模块1和所述机械调整模块2的工作状态。待测量的光学镜头4放置在所述机械调整模块2上，所述机械调整模块2调节所述光学镜头4的方位，与所述光学测量模块1对位。

具体的，所述光学测量模块1包括一光源模块11、一聚光镜12、一分光棱镜13、一物镜14、一辅助物镜15、一电子目镜16以及一光电探测器17。

所述光源模块11包括一光源111和一光纤112，所述光纤112与所述光源111的出光处连接。其中所述光源111采用半导体激光器。

所述聚光镜12与所述光源模块11邻近设置，所述聚光镜12与所述光源模块11的出射光共光轴，所述聚光镜12将所述光源模块11通过所述光纤112出射的光束转换为平行光。

所述分光棱镜13与所述聚光镜12邻近设置，所述分光棱镜13将所述聚光镜12出射的平行光部分反射、部分透射，所述分光棱镜13由两个直角棱镜斜面胶合组成，且两个直角棱镜的胶合面镀有分光膜。

所述分光棱镜13相对的两面分别出射共光轴的反射光和透射光，所述分光棱镜13出射反射光的一面设置和反射光共光轴的所述物镜14，所述分光棱镜13出射透射光的一面设置和透射光共光轴的所述辅助物镜15，即所述物镜14和所述辅助物镜15共光轴。

所述电子目镜16设置在所述辅助物镜15远离所述分光棱镜13的一端，且所述电子目镜16与所述辅助物镜15共光轴，所述电子目镜16起到对光路二次放大的作用。

所述光电探测器17与所述电子目镜16共光轴的相邻设置，所述电子目镜16的出射光入射所述光电探测器17，且所述光电探测器17与所述主控计算机3电连接，所述光电探测器17将其接收到的光信号转换为电信号，形成光斑图像，并将光斑图像传递至所述主控计算机3，

值得注意的是，所述物镜14和所述辅助物镜15成组使用，包括两组物镜和辅助物镜，分别记为第一组和第二组，其中所述第一组适用于共焦模式下凹面的测量，所述第二组适用于共焦模式下凸面的测量，且所述第一组和所述第二组均可用于常规模式下的测量。其中，所述第一组中的所述物镜14焦距小于所述第二组中的所述物镜14的焦距。通过所述第一组和所述第二组的替换，可以有效适配不同情况，方便的实现中心偏差测量。

所述机械调整模块2包括一一维移动结构21、一精密转台22以及一三维调整平台23，所述一维移动结构21一端与所述光学平台5连接，另一端与所述光学测量模块1连接，且所述一维移动结构21垂直于所述光学平台5平面，所述三维调整平台23设置于所述精密转台22的顶面，待测量的光学镜头4放置在所述三维调整平台23顶部的中心位置，通过所述三维调整平台23可以调整光学镜头4的轴线与所述精密转台22的转轴同轴。所述一维移动结构21与所述主控计算机3电连接，所述主控计算机3控制所述一维移动结构21的工作状态，所述一维移动结构21带动所述光学测量模块1沿所述一维移动结构21的轴向移动，改变所述光学测量模块1与光学镜头4之间的距离，同时所述一维移动结构21测量所述光学测量模块1的位置信息，并将该位置信息以电信号的形式传递至所述主控计算机3。

所述主控计算机3具有图像采集模块，通过所述图像采集模块接收所述光电探测器17传递的光斑图像信息，所述主控计算机3运行中心偏差测量软件，计算光学镜头4的中心偏差。

使用本发明的所述光学镜头中心偏差测量装置进行中心偏差测量时，可切换两组所述物镜14和所述辅助物镜15。当切换为所述第一组时，其中的所述物镜14的焦距较小，在所述一维移动机构21的调焦行程下，使待测量的凹面在“共焦模式”下有较大的测量范围；当切换为所述第二组时，其中所述物镜14的焦距较大，在所述一维移动机构21的调焦行程下，使待测量的凸面在“共焦模式”下有较大的测量范围。当处于“共焦模式”测量范围之外时，所述第一组和所述第二组均可以用于“常规模式”的测量。

具体的，所述光源模块11产生的靶标光束依次经过所述聚光镜12、所述分光棱镜13和所述物镜14聚焦到待测面的焦点像或顶点像的位置，靶标光束经过待测面反射后再反向经过所述物镜14、所述分光棱镜13、所述辅助物镜15、所述电子目镜16聚焦到所述光电探测器17的靶面上，所述光电探测器17将光斑的光信号转换为电信号传输至所述主控计算机3。得到的光斑聚焦点对所述光学镜头4中单个待测面成像得到的像平面和光斑焦平面之间产生的间隔为ΔT。

所述主控计算机3的中心偏差测量软件根据使用者输入的所述光学镜头4中的各个面的曲率半径R、镜面间隔、镜片折射率以及ΔT计算出各个面的焦点像和顶点像的位置以及以被测面成像之后得到的像点相对于其上所有面成像的垂轴放大率β₂；

对于凹面，所述主控计算机3根据中心偏差测量软件计算的被测面的焦点像和顶点像的位置，并判断焦点像的位置是否在“共焦模式”的测量范围内，若在，所述光学测量模块1选择所述第一组，给出调节所述一维移动机构21的位置信息；若不在，选择所述第一组或所述第二组进行“常规模式”的测量。

对于凸面，所述主控计算机3根据中心偏差测量软件计算的被测面的焦点像和顶点像的位置，当R<ΔT时，选择所述第二组，并根据中心偏差测量软件计算的被测面的顶点像的位置，给出调节所述一维移动机构21的位置信息；当R>ΔT时，判断焦点像的位置是否在“共焦模式”的测量范围内，若在，选择所述第二组，给出调节所述一维移动机构21的位置信息；若不在，选择所述第一组或所述第二组进行“常规模式”的测量。

中心偏差测量软件根据具体选用的的所述物镜14和所述辅助物镜15的焦距计算光学测量模块1的垂轴放大率β₁；

中心偏差测量软件对得到的光斑图像信息进行处理，计算光斑质心划圆直径D；

再通过以下式(1)或式(2)计算被测面的中心偏差η_θ：

式中β＝β₁β₂，R是被测面的曲率半径，ΔT是光学测量模块成像聚焦点和被测镜面成像聚焦点之间的轴向距离。

式(1)适用于“常规模式”下凹面和“共焦模式”下凸面的中心偏差计算；式(2)适用于“共焦模式”下凹面和“常规模式”下凸面的中心偏差计算。

或通过式(3)或式(4)计算被测面的球心差η_d：

式(3)适用于“常规模式”下凹面和“共焦模式”下凸面的球心差计算；式(4)适用于“共焦模式”下凹面和“常规模式”下凸面的球心差计算。

采用本申请的所述光学镜头中心偏差测量装置进行测量的步骤如下：

第一步，光学镜头中心偏差测量装置上电。

第二步，调整所述光源111的光轴与所述精密转台22的旋转轴精确对准。

第三步，将被测光学镜头4放置在所述三维调整平台23的中间，观察所述主控计算机3上采集的被测光学镜头4最上面一面的“常规模式”得到的光斑图像，调节所述一维移动机构21使光斑图像清晰，调节所述光电探测器17的增益或曝光时间，使光斑图像的亮度处于能清晰可见的范围。

第四步，启动所述精密转台22，光斑图像的质心做圆周运动，调节所述三维调整平台23使光斑图像做圆周运动的质心位于所述光电探测器17成像区的中心区域。

第五步，停止精密转台22，将光学镜头4中的各个面的曲率半径R、镜面间隔、镜片折射率以及ΔT输入主控计算机3的中心偏差测量软件，分别计算出各个面的焦点像和顶点像的位置以及以被测面成像之后得到的像点相对于其上所有面成像的垂轴放大率β₂。

第六步，对于凹面，根据第五步计算的被测面的焦点像和顶点像的位置，判断焦点像的位置是否在“共焦模式”的测量范围内，若在，选择所述第一组进行切换，调节一维移动机构21直到光斑图像清晰为止，使靶标聚焦到第五步计算的被测面的焦点像的位置，将物镜14和辅助物镜15的焦距值输入主控计算机3的中心偏差测量软件，主控计算机3根据输入的物镜14和辅助物镜15的焦距值计算光学测量模块1的垂轴放大率β₁；

对于凸面，当R<ΔT时，选择所述第二组进行切换，根据第五步计算的被测面的顶点像的位置，调节所述一维移动机构21直到光斑图像清晰为止，使靶标聚焦到第五步计算的被测面的顶点像的位置，将所述物镜14和所述辅助物镜15的焦距值输入所述主控计算机3的中心偏差测量软件，所述主控计算机3根据输入的所述物镜14和所述辅助物镜15的焦距值计算所述光学测量模块1的垂轴放大率β₁；当R>ΔT时，根据第五步计算的被测面的焦点像和顶点像的位置，判断焦点像的位置是否在“共焦模式”的测量范围内，若在，选择所述第二组进行切换，调节所述一维移动机构21直到光斑图像清晰为止，使靶标聚焦到第五步计算的被测面的焦点像的位置，将所述物镜14和所述辅助物镜15的焦距值输入所述主控计算机3的中心偏差测量软件，所述主控计算机3根据输入的所述物镜14和所述辅助物镜15的焦距值计算光学测量模块1的垂轴放大率β₁；当被测面的焦点像的位置在“共焦模式”的测量范围之外，选择所述第一组或所述第二组进行“常规模式”测量，将选择的所述物镜14和所述辅助物镜15的焦距值输入所述主控计算机3的中心偏差测量软件，计算出光学测量模块1的垂轴放大率β₁。

第七步，启动所述精密转台22，所述精密转台22带动被测光学镜头4做圆周运动，由所述光电探测器17可以得到光斑质心的划圆轨迹，通过所述主控计算机3计算划圆直径D，用式(1)或式(2)计算该面的中心偏差值：

式中β＝β₁β₂，R是被测面的曲率半径，ΔT是光学测量模块成像聚焦点和被测镜面成像聚焦点之间的轴向距离。

式(1)适用于“常规模式”下凹面和“共焦模式”下凸面的中心偏差计算；式(2)适用于“共焦模式”下凹面和“常规模式”下凸面的中心偏差计算。

或通过式(3)或式(4)计算被测面的球心差η_d：

式(3)适用于“常规模式”下凹面和“共焦模式”下凸面的球心差计算；式(4)适用于“共焦模式”下凹面和“常规模式”下凸面的球心差计算。

当被测光学镜头4包含多个镜片时，重复第六步和第七步，从上至下依次测量各个面的中心偏差，装调人员根据测量得到的中心偏差测量值，调整各个镜片的位置，直到镜面中心偏差满足公差要求为止。

以下为本发明实施例的工作过程：被测镜片上下表面的曲率半径分别为200mm和-150mm,镜片厚度是4mm，材料为BK7，测量步骤如下：

第一步，光学镜头中心偏差测量装置上电。

第二步，调整所述光源111的光轴与所述精密转台22的旋转轴精确对准。

第三步，将被测光学镜头4放置在所述三维调整平台23的中间，观察所述主控计算机3上采集的被测光学镜头4最上面一面的“常规模式”得到的光斑图像，调节所述一维移动机构21使光斑图像清晰，调节所述光电探测器17的增益或曝光时间，使图像中光斑聚焦点的灰度值在150～220之间。

第四步，启动所述精密转台22，光斑图像的质心做圆周运动，调节所述三维调整平台23使光斑图像做圆周运动的质心位于所述光电探测器17成像区的中心区域。

第五步，停止精密转台22，将被测光学镜头4的各个面的曲率半径R、镜面间隔和镜片折射率以及ΔT输入到主控计算机3的中心偏差测量软件，分别计算各面的焦点像和顶点像的位置以及以被测面成像之后得到的像点相对于其上所有面成像的垂轴放大率β₂；本例中，根据镜片的参数以及ΔT＝25mm计算出上表面的焦点像位于上表面顶点下方213.278mm处，垂轴放大率的绝对值是1；上表面的顶点像位于上表面顶点下方11.722mm处，垂轴放大率的绝对值是1；下表面的焦点像位于上表面顶点上方66.432mm处，下表面成像之后的像点相对于上表面成像的垂轴放大率的绝对值是0.503；下表面的顶点像位于上表面顶点下方17.069mm处，下表面成像之后的像点相对于上表面的成像的垂轴放大率的绝对值是0.645。

第六步，先测量曲率半径为200mm的面，切换焦距为720mm的物镜14和焦距为180mm的辅助物镜15，调节一维移动机构21的高度直到光斑聚焦点清晰成像为止，靶标聚焦点聚焦在该面顶点下方213.278mm处，将物镜14和辅助物镜15的焦距值输入主控计算机3的中心偏差测量软件，计算光学测量模块1的垂轴放大率β₂。

第七步，启动精密转台22带动被测光学镜头4做圆周运动，由光电探测器17可以得到光斑质心的划圆轨迹，主控计算机3中的中心偏差测量软件通过图像分析可得光斑质心的划圆直径D，利用式(1)可以计算该面的中心偏差η_θ，利用式(3)可以计算该面的球心差η_d。

第八步，测量曲率半径为-150mm的面，切换焦距为100mm的物镜14和焦距为119.62mm的辅助物镜15，调节一维移动机构21的高度直到光斑聚焦点清晰成像为止，靶标聚焦点聚焦在上表面顶点上方66.432mm处，将物镜14和辅助物镜15的焦距值输入主控计算机3的中心偏差测量软件，计算光学测量模块1的垂轴放大率β₂。

第九步，启动精密转台22带动被测光学镜头4做圆周运动，由光电探测器17可以得到光斑质心的划圆轨迹，主控计算机3中的中心偏差测量软件通过图像分析可得光斑质心的划圆直径D，利用式(2)可以计算该面的中心偏差η_θ，利用式(4)可以计算该面的球心差η_d。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种光学镜头中心偏差测量方法，其特征在于，采用一种光学镜头中心偏差测量装置，所述光学镜头中心偏差测量装置包括一光学测量模块、一机械调整模块、一主控计算机以及一光学平台，所述机械调整模块设置在所述光学平台上，所述光学测量模块与所述机械调整模块连接，且所述光学测量模块受所述机械调整模块的驱动移动，所述光学测量模块及所述机械调整模块均与所述主控计算机电连接，所述主控计算机控制所述光学测量模块和所述机械调整模块的工作状态，所述光学镜头放置在所述机械调整模块上，所述机械调整模块调节所述光学镜头的方位，与所述光学测量模块对位，所述主控计算机接受参数输入以及所述光学测量模块和所述机械调整模块测得的参数，并计算出所述光学镜头的中心偏差；所述机械调整模块包括一一维移动结构、一精密转台以及一三维调整平台，所述一维移动结构一端与所述光学平台连接，另一端与所述光学测量模块连接，且所述一维移动结构垂直于所述光学平台平面；

所述光学测量模块包括一光源模块、一聚光镜、一分光棱镜、一物镜、一辅助物镜、一电子目镜以及一光电探测器；

所述聚光镜与所述光源模块出射光共光轴的相邻设置，所述聚光镜将所述光源模块出射的光束转换为平行光；

所述分光棱镜与所述聚光镜邻近设置，所述分光棱镜将所述聚光镜出射的平行光部分反射、部分透射；

所述分光棱镜出射反射光的一面设置和反射光共光轴的所述物镜，所述分光棱镜出射透射光的一面设置和透射光共光轴的所述辅助物镜，且所述物镜和所述辅助物镜共光轴；

所述电子目镜设置在所述辅助物镜远离所述分光棱镜的一端，且所述电子目镜与所述辅助物镜共光轴；

所述光电探测器与所述主控计算机电连接，所述光电探测器将其接收到的光信号转换为电信号，形成光斑图像，并将光斑图像传递至所述主控计算机；

所述物镜和所述辅助物镜成组使用，分为两组物镜和辅助物镜，分别记为第一组和第二组，所述第一组中的所述物镜焦距小于所述第二组中的所述物镜的焦距；

所述光学镜头中心偏差测量方法包括步骤：

(A)光学镜头中心偏差测量装置上电；激光聚焦点聚焦到待测面曲率中心之后会在曲率中心之前成像，或者激光焦点聚焦到待测面顶点之后在顶点之前成像，激光焦平面和经待测面成像之后的像平面之间的距离记为ΔT；反射式焦点离焦成像称为“共焦模式”，反射式顶点离焦成像称为“常规模式”；

(B)调整所述光源的光轴与所述精密转台的旋转轴精确对准；

(C)将被测光学镜头放置在所述三维调整平台的中间，观察所述主控计算机上采集的被测光学镜头最上面一面的“常规模式”得到的光斑图像，调节所述一维移动结构使光斑图像清晰，调节所述光电探测器的增益或曝光时间，使光斑图像的亮度处于能清晰可见的范围；

(D)启动所述精密转台，光斑图像的质心做圆周运动，调节所述三维调整平台使光斑图像做圆周运动的质心位于所述光电探测器成像区的中心区域；

(E)停止精密转台，将光学镜头中的各个面的曲率半径R、镜面间隔、镜片折射率以及ΔT输入主控计算机的中心偏差测量软件，分别计算出各个面的焦点像和顶点像的位置以及以被测面成像之后得到的像点相对于其上所有面成像的垂轴放大率β₂；

(F)对于凹面，根据步骤(E)计算的被测面的焦点像和顶点像的位置，判断焦点像的位置是否在“共焦模式”的测量范围内，若在，选择所述第一组进行切换，调节一维移动结构直到光斑图像清晰为止，使靶标聚焦到步骤(E)计算的被测面的焦点像的位置，将物镜和辅助物镜的焦距值输入主控计算机的中心偏差测量软件，主控计算机根据输入的物镜和辅助物镜的焦距值计算光学测量模块的垂轴放大率β₁；

对于凸面，当R<ΔT时，选择所述第二组进行切换，根据步骤(E)计算的被测面的顶点像的位置，调节所述一维移动结构直到光斑图像清晰为止，使靶标聚焦到步骤(E)计算的被测面的顶点像的位置，将所述物镜和所述辅助物镜的焦距值输入所述主控计算机的中心偏差测量软件，所述主控计算机根据输入的所述物镜和所述辅助物镜的焦距值计算所述光学测量模块的垂轴放大率β₁；当R>ΔT时，根据步骤(E)计算的被测面的焦点像和顶点像的位置，判断焦点像的位置是否在“共焦模式”的测量范围内，若在，选择所述第二组进行切换，调节所述一维移动结构直到光斑图像清晰为止，使靶标聚焦到步骤(E)计算的被测面的焦点像的位置，将所述物镜和所述辅助物镜的焦距值输入所述主控计算机的中心偏差测量软件，所述主控计算机根据输入的所述物镜和所述辅助物镜的焦距值计算光学测量模块的垂轴放大率β₁；当被测面的焦点像的位置在“共焦模式”的测量范围之外，选择所述第一组或所述第二组进行“常规模式”测量，将选择的所述物镜和所述辅助物镜的焦距值输入所述主控计算机的中心偏差测量软件，计算出光学测量模块的垂轴放大率β₁；

(G)启动所述精密转台，所述精密转台带动被测光学镜做圆周运动，由所述光电探测器可以得到光斑质心的划圆轨迹，通过所述主控计算机计算划圆直径D，用式(1)或式(2)计算该面的中心偏差值：

式中β＝β₁β₂，R是被测面的曲率半径，ΔT是光学测量模块成像聚焦点和被测镜面成像聚焦点之间的轴向距离；

式(1)适用于“常规模式”下凹面和“共焦模式”下凸面的中心偏差计算；式(2)适用于“共焦模式”下凹面和“常规模式”下凸面的中心偏差计算；

或通过式(3)或式(4)计算被测面的球心差η_d：

式(3)适用于“常规模式”下凹面和“共焦模式”下凸面的球心差计算；式(4)适用于“共焦模式”下凹面和“常规模式”下凸面的球心差计算。

2.如权利要求1所述的光学镜头中心偏差测量方法，其特征在于，所述三维调整平台设置于所述精密转台的顶面，待测量的光学镜头放置在所述三维调整平台顶部的中心位置，所述一维移动结构与所述主控计算机电连接，所述主控计算机控制所述一维移动结构的工作状态，所述一维移动结构带动所述光学测量模块沿所述一维移动结构的轴向移动，且所述一维移动结构测量所述光学测量模块的位置信息，并将该位置信息以电信号的形式传递至所述主控计算机。

3.如权利要求1所述的光学镜头中心偏差测量方法，其特征在于，所述主控计算机具有图像采集模块，通过所述图像采集模块接机所述光电探测器传递的光斑图像信息，所述主控计算机运行中心偏差测量软件，计算光学镜头的中心偏差。

4.如权利要求1所述的光学镜头中心偏差测量方法，其特征在于，所述光源模块包括一光源和一光纤，所述光纤与所述光源的出光处连接。

5.如权利要求1所述的光学镜头中心偏差测量方法，其特征在于，所述分光棱镜由两个直角棱镜斜面胶合组成，且两个直角棱镜的胶合面镀有分光膜。

6.如权利要求4所述的光学镜头中心偏差测量方法，其特征在于，所述光源为半导体激光器。

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