CN110530614A - 柱面镜中心偏差的光学检测机构及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了柱面镜中心偏差的光学检测机构及检测方法，检测机构包括光学平台、燕尾槽导轨、激光夹持架、针孔器夹持架、准直物镜、准直物镜夹持架、物镜夹持架、可调节测量工装及镜头夹持架，显示屏等部件；检测方法包括1)装调2)测量中心母线和3)测量轴心点三个步骤。通过激光光源观察显示屏上像的跳动，能快速准确的得出偏差值；利用圆环固定铁丝截取光线上一点，观察像上的黑点跳动量就能得到柱面镜圆周面的偏差；通过设置的检测机构，提升测量的简便和高效，显微镜和显示屏的结合，使得检测结果更加准确，读取方便清晰，同时也提高了柱面镜的检测效率。

Description

柱面镜中心偏差的光学检测机构及检测方法

技术领域

本发明涉及光学仪器检测技术领域，尤其涉及柱面镜中心偏差的光学检测机构及检测方法。

背景技术

光学加工技术发展迅速，但柱面镜的检测技术却相对落后，不能满足光学技术对柱面镜的要求。目前在柱面镜的检测内容主要有柱面镜中心母线的检测和柱面镜外圆的检测，柱面镜中心母线的检测是确保母线两侧对称，机械方法检测柱面镜中心偏差是利用三坐标测量设备，在柱面镜上母线的两侧对称取四点(如图14-16)，测量的四个点到平面的距离，通过计算得到柱面镜的中心差异。该检测方法所取对称点随待测的柱面镜夹持位置变化，而发生变化，测量稳定性差，相对的检测结果误差也偏大。该种方法误差大，效率低，难以满足柱面镜的检测需求。

随着光学技术的迅速发展，光学系统成像的特性和成像精度要求越来越高，产品要求要求柱面镜中心偏差的误差越来越高，需要检测产品中心偏差精度。公司采用机械定芯方式加工柱面镜产品，应用柱面镜中心偏差的光学检测方法确定柱面镜产品中心偏差尤为重要，同原机械方式检测比较，光学检测测量的效率高，成本低，测量结果更直观，目前主要有两种光学检测方法：方法一是通过胶粘柱面透镜，将柱面透镜粘合在夹具上，配合标记点工具，然后旋转看断点成像，然后通过烤胶，来软化胶，调整断点的位置使得断点与显示屏幕上的中心点重合，使得旋转后成像是一个圆。然后通过打表来定外径，旋转一周看表上的数值有多大的跳动量，来看偏心，来判断是否是合格的产品，该方法软化热胶比较繁琐、效率低；方法二是通过夹具来固定外径，夹具的中心点是固定的，看柱面棱镜的中心点是否和夹具的中心点一致，旋转轴线是柱面镜的外圆的轴线点，如果一致旋转出来就是圆，说明产品合格，如果差距比较大旋转出来就是椭圆，说明不检测不合格，最主要是检测产品是否偏心，是否符合生产要求，之后可以再升级检测和生产一起进行。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明旨在提供柱面镜中心偏差的光学检测机构及检测方法，利用光学成像的原理对以上两种检测方法进行改进，提高了检测进度和效率。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：柱面镜中心偏差的光学检测机构，其特征在于：包括光学平台，所述光学平台上设有燕尾槽导轨，所述燕尾槽导轨上从左往右依次设有激光夹持架、针孔器夹持架、物镜夹持架、可调节测量工装及镜头夹持架，所述激光夹持架中夹设有激光器、针孔器夹持架中夹设有针孔器、物镜夹持架中夹设有准直物镜、可调节测量工装中夹设有柱面镜、镜头夹持架中夹设有显微镜，所述显微镜靠近柱面镜一侧设有聚焦镜头，所述显微镜电性连接有显示屏。

优选的，所述激光夹持架、针孔器夹持架、物镜夹持架、可调节测量工装及镜头夹持架均与所述燕尾槽导轨之间设置有高度调节器。

优选的，所述高度调节器包括链接杆、升降杆及滑动块，所述升降杆固定连接在所述滑动块上端面，所述升降杆中开设有三角形盲孔，且所述三角形盲孔每个边均开设有T型槽，所述链接杆上设有配合T型槽的T型棱。

优选的，所述升降杆外壁穿设有螺栓，所述螺栓与链接杆外壁相抵，所述链接杆通过所述螺栓固定。

优选的，所述可调节测量工装包括设置在链接杆上的圆柱空腔体和柱面镜夹具，所述柱面镜夹具包括圆柱体和圆柱体一侧设置的圆台，所述柱面镜夹具通过圆柱体穿设在所述圆柱空腔体中，所述圆台背离圆柱体一侧面沿圆周方向间距布设有若干弧形夹片，所述柱面镜夹设在所述弧形夹片中。

优选的，所述圆柱空腔体侧壁两端与链接杆通过螺栓连接。

优选的，所述弧形夹片外壁设为倾斜弧面，内壁为竖直结构，且远离圆台端面宽度小于紧贴圆台端面的宽度，每个所述弧形夹片远离圆台一端面设为台阶状结构，所述柱面镜夹设在所述台阶状结构中。

优选的，所述圆台圆周面上螺纹连接有中空夹紧罩，所述弧形夹片穿过中空夹紧罩并延伸出其外端面，所述中空夹紧罩内壁设置为与弧形夹片外壁配合的第一倾斜弧面，所述中空夹紧罩与圆台螺纹配合旋转将柱面镜夹紧在所述弧形夹片的台阶状结构中。

柱面镜中心偏差的光学检测机构的检测方法，包括以下步骤：

1)装调

将所述光学检测机构整体装调在光学平台上，调整系统使光学元件共轴。

2)测量中心母线

将待检测的柱面镜夹紧到可调节测量工装上，准直物镜将穿过针孔器的激光点光源转变成平行光，该平行光垂直穿过柱面镜并在柱面的截面方向形成焦点，所述焦点通过聚焦镜头形成平行光，并通过显微镜在显示屏中显示，图像显示像调整水平并记录位置，旋转被检测的柱面镜180°，比较两次图像的位置差异，计算出产品的偏芯值。

3)测量轴心点

通过在柱面镜外侧套设一个圆环，所述圆环中心设有丝线，旋转圆环，确保丝线与汇聚光倾斜交叉，形成交叉点，转动柱面镜夹具，观察显示屏上的交叉点的轨迹，判断轴心点的偏差。

优选的，在步骤3)中，丝线与汇聚光倾斜交叉成90度。

本发明的有益效果是：(1)通过设置的检测机构，大大降低了人为操作的误差，显微镜和显示屏的结合，使得检测结果更加准确，柱面镜质量更高，同时也提高了柱面镜的检测效率。(2)通过准直物镜和聚焦镜头的设置，将激光器的点光转换成平行光，垂直透过柱面，形成焦点，多个柱面镜截面焦点的连线构成汇聚光线，然后又通过聚焦镜头将光线汇聚到CCD上，得出通过观察显示屏比较被测柱面镜旋转180度两次像的位置变化，能快速准确的得出偏差值。(3)通过圆环上丝线与汇聚光形成的交叉点，观察交叉点的运行轨迹，就能得到圆周面的偏差。

附图说明

图1为本发明光学检测机构结构示意图。

图2为本发明柱面镜夹具俯视图。

图3为本发明链接杆截面图。

图4为本发明升降杆截面图。

图5为本发明柱面镜立体结构图。

图6为本发明柱面镜夹具立体图。

图7为本发明柱面镜夹具平面结构图。

图8为本发明中空夹紧罩立体图。

图9为本发明中空夹紧罩截面图。

图10为本发明圆环结构图。

图11为本发明光学检测方法光路图。

图12为光学方法检测柱面镜图一。

图13为光学方法检测柱面镜图二。

图14为原机械三坐标检测柱面镜正视图。

图15为原机械三坐标检测柱面镜侧视图。

图16为原机械式三坐标打点示意图。

图17为用磨边偏芯仪测量图一。

图18为用磨边偏芯仪测量图二。

其中：1-光学平台，2-燕尾槽导轨，3-激光夹持架，4-针孔器夹持架，41-针孔器，5-物镜夹持架，6-可调节测量工装，7-镜头夹持架，8-激光器，9-准直物镜，10-柱面镜，101-柱面，柱面方向平台-102，外径切口-103，11-显微镜，12-显示屏，13-链接杆，131-T型棱，14-升降杆，141-三角形盲孔，142-T型槽，15-滑动块，16-圆柱空腔体，17-柱面镜夹具，171-圆柱体，172-圆台，173-弧形夹片，18-中空夹紧罩，181-第一倾斜弧面，19-圆环，191-丝线，20-聚焦镜，21-镜头。

具体实施方式

为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的描述。

参照附图1-10所示的柱面镜中心偏差的光学检测机构，包括光学平台1，所述光学平台1上设有燕尾槽导轨2，所述燕尾槽导轨2上从左往右依次设有激光夹持架3、针孔器夹持架4、物镜夹持架5、可调节测量工装6及镜头夹持架7，其以上部件均可在燕尾槽导轨2上移动调节位置，所述激光夹持架3中夹设有激光器8、针孔器夹持架4中夹设有针孔器41、物镜夹持架5中夹设有准直物镜9、可调节测量工装6中夹设有柱面镜10、镜头夹持架7中夹设有显微镜11，所述显微镜11靠近柱面镜10一侧设有聚焦镜头，所述柱面镜10包括柱面101和定位平台，所述定位平台包括柱面方向平台102和外径切口103，柱面方向平台102通过柱面101边缘延伸到柱面镜10边缘，且两边对称，柱面镜10在装配时，柱面方向平台102用来定位，使光学系统共轴；外径切口103与柱面101的母线平行，且边缘与柱面方向平台102共线，柱面镜10外圆回转定位，确保装配时柱面101水平方向平行。所述显微镜11通过CCD电性连接有显示屏12，其工作原理是通过激光器8发出光源，穿过针孔器41，然后通过准直物镜9将光源转换成平面光，平面光穿过柱面镜10后汇聚到聚焦镜头，最后通过显微镜11放大后在显示屏12上显示。

进一步，所述激光夹持架3、针孔器夹持架4、物镜夹持架5、可调节测量工装6及镜头夹持架7均与所述燕尾槽导轨之间设置有高度调节器，设置高度调节器便于调整激光器8、针孔器夹持架4、准直物镜9、柱面镜10及显微镜11各自的高度及相互之间的距离，便于调整光源成像。

进一步，所述高度调节器包括链接杆13、升降杆14及滑动块15，所述升降杆14固定连接在所述滑动块15上端面，所述升降杆14中开设有三角形盲孔141，且所述三角形盲孔141每个边均开设有T型槽142，所述链接杆13上设有配合T型槽142的T型棱131，以上结构方式的配合设置优点在于，T型棱131配合T型槽142的类似轨道配合能提高可调节测量工装6上下移动的直线度，确保柱面镜10垂直于激光光源；另一方面三角形的设置有益于提高链接杆13与升降杆14配合的精度，提高柱面镜10测量结果的准确性。

进一步，所述升降杆14外壁穿设有螺栓，所述螺栓与链接杆13外壁相抵，所述链接杆13通过所述螺栓固定，通过螺栓固定链接杆13来达到固定可调节测量工装6的高度，进一步调节柱面镜10的高度来配合激光光源，螺栓紧固有益于调节微小的位移，使得激光光源穿过柱面镜10的位置更准确。

进一步，所述可调节测量工装6包括设置在链接杆13上的圆柱空腔体16和柱面镜夹具17，所述柱面镜夹具17包括圆柱体171和圆柱体171一侧设置的圆台172，所述柱面镜夹具17通过圆柱体171穿设在所述圆柱空腔体16中，所述圆台172背离圆柱体171一侧面沿圆周方向间距布设有若干弧形夹片173，所述柱面镜10夹设在所述弧形夹片173中，设置弧形夹片173有益于更换柱面镜10，而柱面镜夹具17与圆柱空腔体16的可拆卸配合有益于优化柱面镜10的更换方式。

进一步，所述圆柱空腔体16侧壁两端与链接杆13通过螺栓连接，通过两侧的螺栓调节圆柱空腔体16，来进一步调节柱面镜10与激光光源的直线度。

进一步，所述弧形夹片173外壁设为倾斜弧面，内壁为竖直结构，且远离圆台172端面宽度小于紧贴圆台172端面的宽度，每个所述弧形夹片173远离圆台172一端面设为台阶状结构1701，该台阶状结构1701位于弧形夹片173的外端面，将柱面镜10置于空中，便于柱面镜10的更换，在柱面镜夹具17中夹设待检测的柱面镜10时，将柱面镜10放置在弧形夹片173的台阶状结构1701中，柱面镜10的柱面方向平台102与台阶状结构1701贴合，保证使光学系统共轴，该台阶状结构1701便于柱面镜10的夹持，同时也对柱面镜10在检测时起到限位的作用，利于夹持的稳定性和检测数据的准确性。

进一步，所述圆台172圆周面上螺纹连接有中空夹紧罩18，所述弧形夹片173穿过中空夹紧罩18并延伸出其外端面，其伸出部分便于柱面镜10的装取操作，中空夹紧罩18内壁与弧形夹片173外壁接触，所述中空夹紧罩18内壁设置为与弧形夹片173外壁配合的第一倾斜弧面181，所述中空夹紧罩18的第一倾斜弧面181与弧形夹片173外壁的倾斜弧面配合，再通过中空夹紧罩18与圆台172螺纹旋转将柱面镜10夹紧在所述弧形夹片173的台阶状结构1701中。

参照附图11-13所示柱面镜中心偏差的光学检测机构的检测方法，包括以下步骤：

1)装调

将在燕尾槽导轨2装调在光学平台1上，然后依次将激光夹持架3、针孔器夹持架4、物镜夹持架5、可调节测量工装6及镜头夹持架7装调在燕尾槽导轨2上，调整系统使光学元件共轴。

2)测量中心母线

将待检测的柱面镜10通过中空夹紧罩18夹持在弧形夹片173的台阶状结构1701上，通过链接杆13上的T型棱131与三角形盲孔141上的T型槽142配合调节柱面镜10的高度到激光光线所在的合适高度，该种配合方式的设置保证调整高度的时候柱面镜10的垂直面不会偏移，确保柱面镜10垂直于激光光源，调整到合适的高度后，通过升降杆14外壁穿设的螺栓顶到链接杆13的T型棱131外壁上，对柱面镜10的高度位置进行固定；而后准直物镜9将穿过针孔器4的激光点转变成平行光，该平行光垂直穿过柱面镜10并形成焦点，所述焦点通过聚焦镜头形成汇聚光，并通过显微镜11在显示屏12中显示，调整被测柱面镜记录显示器上影像位置，旋转被测柱面镜比对得两次图像偏差计算出偏中心差异，得到柱面101中心线的位置，检测中心母线是否在柱面镜10中心位置；原理是利用柱面镜10弧形面的成像原理，得到中心母线的位置差异，如果两者重合，则证明柱面101两侧对称，且中心母线在柱面镜10的中心，反之亦然。

3)测量轴心点

通过在柱面镜10外侧套设一个圆环19，所述圆环19中心设有丝线191，旋转圆环19，确保丝线191与柱面镜汇聚光倾斜交叉，交叉角度为90度，并形成交叉点，转动柱面镜夹具17，观察显示屏12上的交叉点的轨迹，判断轴心点的偏差，得出轴心点是否在中心，或柱面镜10外缘是否位于柱面镜中心；原理是利用柱面镜10的成像特点，被检测柱面镜前端提供平行光入射到被检测件，用丝线191在成像交叉截断点，用显微镜11观察成像的跳动，如果跳动轨迹为圆，那么柱面镜10外缘为标准圆，轴心点也在柱面镜10中心，反之亦然。

本发明通过设置的检测机构，提升测量的简便和高效，显微镜和显示屏的结合，使得检测结果更加准确，读取方便清晰，同时也提高了柱面镜的检测效率；原理：激光光源通过聚焦镜头转换成平行光，透过被检测工件，光线汇聚在母线平行方向，旋转被检测工件，观察显示屏上像的跳动，计算偏芯允许的最大格数，能快速准确的得出偏差值；利用圆环固定0.2mm铁丝截取光线上一点，观察像上的黑点跳动量就能得到柱面镜圆周面的偏差。

原磨边偏芯仪测量法：参照图17-18；

调整好柱面镜位置，在偏芯仪上观察到清晰的像，由于偏芯仪内部有暗视场亮线的刻划板，只能在竖直和水平方向上有偏芯像。

原机械式三坐标打点法：参照图14-16；

在柱面镜R面上打四个点(红点)，外径上也要打点。取四个点到平面的高度值分别为h1、h2、h3和h4，通过人为计算判断这个柱面镜水平方向和POWER方向的偏芯差异。图中虚线为母线，母线两边要对称，(h1-h3)/x求得一个偏转角度，来判断这个母线是否是在点1和点3的中心位置。

改进后的光学检测法即透射偏芯检测(自搭建设备)：参照图11-13；

用可调节测量工装6固定夹持柱面镜的外缘，观察像的跳动量，计算产品的偏芯(POWER)方向。

以下数据为三种检测方法精度对比：

综上所述，在光学检测法即透射偏芯检测(自搭建设备)下，柱面镜的偏芯量最小，检测结果更加准确，，同时也提高了柱面镜的检测效率。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.柱面镜中心偏差的光学检测机构，其特征在于：包括光学平台，所述光学平台上设有燕尾槽导轨，所述燕尾槽导轨上从左往右依次设有激光夹持架、针孔器夹持架、物镜夹持架、可调节测量工装及镜头夹持架，所述激光夹持架中夹设有激光器、针孔器夹持架中夹设有针孔器、物镜夹持架中夹设有准直物镜、可调节测量工装中夹设有柱面镜、镜头夹持架中夹设有显微镜，所述显微镜靠近柱面镜一侧设有聚焦镜头，所述显微镜电性连接有显示屏。

2.根据权利要求1所述的柱面镜中心偏差的光学检测机构，其特征在于：所述激光夹持架、针孔器夹持架、物镜夹持架、可调节测量工装及镜头夹持架均与所述燕尾槽导轨之间设置有高度调节器。

3.根据权利要求2所述的柱面镜中心偏差的光学检测机构，其特征在于：所述高度调节器包括链接杆、升降杆及滑动块，所述升降杆固定连接在所述滑动块上端面，所述升降杆中开设有三角形盲孔，且所述三角形盲孔每个边均开设有T型槽，所述链接杆上设有配合T型槽的T型棱。

4.根据权利要求3所述的柱面镜中心偏差的光学检测机构，其特征在于：所述升降杆外壁穿设有螺栓，所述螺栓与链接杆外壁相抵，所述链接杆通过所述螺栓固定。

5.根据权利要求4所述的柱面镜中心偏差的光学检测机构，其特征在于：所述可调节测量工装包括设置在链接杆上的圆柱空腔体和柱面镜夹具，所述柱面镜夹具包括圆柱体和圆柱体一侧设置的圆台，所述柱面镜夹具通过圆柱体穿设在所述圆柱空腔体中，所述圆台背离圆柱体一侧面沿圆周方向间距布设有若干弧形夹片，所述柱面镜夹设在所述弧形夹片中。

6.根据权利要求5所述的柱面镜中心偏差的光学检测机构，其特征在于：所述圆柱空腔体侧壁两端与链接杆通过螺栓连接。

7.根据权利要求6所述的柱面镜中心偏差的光学检测机构，其特征在于：所述弧形夹片外壁设为倾斜弧面，内壁为竖直结构，且远离圆台端面宽度小于紧贴圆台端面的宽度，每个所述弧形夹片远离圆台一端面设为台阶状结构，所述柱面镜夹设在所述台阶状结构中。

8.根据权利要求7所述的柱面镜中心偏差的光学检测机构，其特征在于：所述圆台圆周面上螺纹连接有中空夹紧罩，所述弧形夹片穿过中空夹紧罩并延伸出其外端面，所述中空夹紧罩内壁设置为与弧形夹片外壁配合的第一倾斜弧面，所述中空夹紧罩与圆台螺纹配合旋转将柱面镜夹紧在所述弧形夹片的台阶状结构中。

9.根据权利要求8所述的柱面镜中心偏差的光学检测机构的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)装调

将所述光学检测机构整体装调在光学平台上，调整系统使光学元件共轴；

2)测量中心母线

将待检测的柱面镜夹紧到可调节测量工装上，准直物镜将穿过针孔器的激光点光源转变成平行光，该平行光垂直穿过柱面镜并在柱面的截面方向形成焦点，所述焦点通过聚焦镜头形成平行光，并通过显微镜在显示屏中显示，图像显示像调整水平并记录位置，旋转被检测的柱面镜180°，比较两次图像的位置差异，计算出产品的偏芯值；

3)测量轴心点

通过在柱面镜外侧套设一个圆环，所述圆环中心设有丝线，旋转圆环，确保丝线与汇聚光倾斜交叉，形成交叉点，转动柱面镜夹具，观察显示屏上的交叉点的轨迹，判断轴心点的偏差。

10.根据权利要求9所述的柱面镜中心偏差的光学检测机构的检测方法，其特征在于：在步骤3)中，丝线与汇聚光倾斜交叉成90度。