楔角球面透镜的中心偏差和楔角检测仪及测量方法与流程

本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种楔角球面透镜的中心偏差和楔角检测仪及测量方法。

背景技术：

在光学理论中，光学元件的共轴性是大多数光学理论的前提和依据。但是由于实际的透镜生产工艺和生产条件的限制，在透镜加工、胶状或磨边过程中，会产生一定的质量缺陷，从而破坏了共轴条件，产生中心偏。

中心偏不仅破坏了理想光学的理论基础，造成光学系统成像质量的下降，而且在一定程度上影响了透镜测量设备对其他光学参数的测量。因此，研究中心偏的相关理论，并制定合理快捷的测量方法，对透镜生产和检测具有重要的意义。

对于球面光学透镜来说，光轴即两球面的球心的连线。机械中心轴就是透镜安装位置的对称轴。楔形球面透镜(也叫离轴透镜)是指理论光轴和机械中心轴不重合的球面透镜，楔角是指光轴和参考轴的夹角，其中，参考轴可为机械中心轴或楔形球面透镜其中一个面的光轴。传统偏心测量设备无法满足这种特殊透镜的楔角测量。

传统光学精密仪器组成大多只包括光学系统和精密机械系统，而并非有许多复杂电路的参与，如光电转换器件CCD、位移传感器光栅尺等，其中，也缺乏计算机软件后期图像的修正处理、智能化的计算处理以及数字化图像的实时显示。非智能化的操作使其对检测人员的操作水平要求相对较高，从而导致存在部分人为因素产生的测量误差。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题之一，在于提供一种楔角球面透镜的中心偏差和楔角检测仪，用来测量楔角球面透镜的中心偏差和楔角。

本发明的问题之一，是这样实现的：

一种楔角球面透镜的中心偏差和楔角检测仪，包括一上轴电动升降台、一上轴光电自准直仪、一二维电动平移台、一设备基座、一固定框架、一下轴光电自准直仪、一下轴电动升降台、一控制箱、一数据采集器、一光源、一第一光纤导管、一第二光纤导管及一电脑；

所述上轴光电自准直仪上设有一第一光源入射端及一第一图像输出端，所述下轴光电自准直仪上设有一第二光源入射端及一第二图像输出端，所述上轴电动升降台上设有一第一控制连接端及一第一Z轴数据输出端，所述下轴电动升降台上设有一第二控制连接端及一第二Z轴数据输出端，所述二维电动平移台上设有一第一XY轴数据输出端、一第二XY轴数据输出端及一第三控制连接端；

所述设备基座固定在所述固定框架顶部，所述二维电动平移台固定于所述设备基座顶部，所述二维电动平移台上设有一安放口，用于放置待测楔角球面透镜，所述设备基座上设有一与所述安放口相对的通孔；所述上轴电动升降台与所述下轴电动升降台相对地固定在所述设备基座的上下两侧，所述上轴光电自准直仪固定于所述上轴电动升降台上，所述下轴光电自准直仪固定于所述下轴电动升降台上，所述上轴光电自准直仪、所述安放口、所述通孔及所述下轴光电自准直仪成一直线排列；

所述第一光源入射端通过所述第一光纤导管连接至所述光源，所述第二光源入射端通过所述第二光纤导管连接至所述光源；所述第一控制连接端、所述第二控制连接端及所述第三控制连接端均通过所述控制箱与所述电脑相连接；所述第一XY轴数据输出端、所述第一Z轴数据输出端、所述第二XY轴数据输出端及所述第二Z轴数据输出端均通过所述数据采集器与所述电脑相连接；所述第一图像输出端及所述第二图像输出端均通过通讯总线与所述电脑相连接。

进一步地，还包括一样品夹持调节器，所述样品夹持调节器固定于所述安放口上方，用于夹持待测楔角球面透镜。

进一步地，所述数据采集器为数显表。

本发明要解决的技术问题之二，在于提供一种楔角球面透镜的中心偏差和楔角的测量方法，用来测量楔角球面透镜的中心偏差和楔角。

本发明的问题之二，是这样实现的：

一种楔角球面透镜的中心偏差和楔角的测量方法，所述测量方法需要提供上述的一种楔角球面透镜的中心偏差和楔角检测仪，所述测量方法具体包括如下步骤：

步骤1、在未放置待测楔角球面透镜的情况下，根据待测楔角球面透镜的曲率半径选择相对应的物镜，将物镜分别安装在所述上轴光电自准直仪及所述下轴光电自准直仪上；

步骤2、所述光源发出的光分别经所述第一光纤导管和所述第二光纤导管进入所述上轴光电自准直仪及所述下轴光电自准直仪，所述电脑通过所述控制箱控制所述上轴电动升降台及所述下轴电动升降台，使得所述上轴光电自准直仪及所述下轴光电自准直仪在Z轴方向运动，在所述电脑的显示区域上出现十字像，进行初始校准；

步骤3、在所述安放口内放上待测楔角球面透镜，所述电脑通过所述控制箱控制所述上轴电动升降台，使得所述上轴光电自准直仪在Z轴方向运动至待测楔角球面透镜上表面的曲率中心位置，找到上表面的曲率中心像；

步骤4、所述电脑通过所述控制箱控制所述下轴电动升降台，使得所述下轴光电自准直仪在Z轴方向运动至待测楔角球面透镜下表面的曲率中心，找到下表面的曲率半径像；

步骤5、所述电脑通过所述控制箱控制所述二维电动平移台在XY轴方向移动，来调节待测楔角球面透镜的位置，使得待测楔角球面透镜上表面的曲率中心像和下表面的曲率中心像均位于所述电脑的显示区域内；

步骤6、所述电脑根据所述上轴光电自准直仪和所述下轴光电自准直仪采集的十字像以及所述上轴电动升降台、所述下轴电动升降台和所述二维电动平移台采集到的位置数据，分别对待测楔角球面透镜上表面的球心点O1的坐标O1(x₁，y₁，z₁)和下表面的球心点O2位置的坐标O2(x₂，y₂，z₂)进行处理，并根据公式：计算出O1与O2的球心距离d；然后根据公式：

得出楔角θ的数值；

其中，Φ为待测楔角球面透镜已知的外径，R₁为待测楔角球面透镜上表面的曲率半径，R₂为待测楔角球面透镜下表面的曲率半径。

本发明的优点在于：本发明可广泛应用于楔形球面透镜加工过程中的中心偏差和楔角测量，兼顾方形柱面透镜及球面透镜中心偏差测量、非对称方形柱面透镜及球面透镜中心偏差测量。与传统光学检测设备相比，本发明利用上轴光电自准直仪和下轴光电自准直仪中高精度的工业CCD图像传感器并结合软件进行采集成像位置并计算，以两台共轴的光电自准直仪为基准，结合精密二维电动平移台和光栅尺，精确测量楔形球面透镜两曲面球心位置，从而对楔形球面透镜的两个球心距及楔角进行计算，极大地避免了测量过程中操作者自身条件的影响，大大提高了测量的准确性和可靠性。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1为本发明一种楔角球面透镜的中心偏差和楔角检测仪的结构示意图。

图2为本发明一种楔角球面透镜的中心偏差和楔角检测仪中样品夹持调节器、二维电动平移台及设备基座的具体结构示意图。

图3为本发明一种楔角球面透镜的中心偏差和楔角检测仪中部分端口的连接示意图。

图4为本发明一种楔角球面透镜的中心偏差和楔角的测量方法中楔形球面透镜的结构示意图。

图5为本发明一种楔角球面透镜的中心偏差和楔角的测量方法的测量原理示意图。

图中标号说明：

1-上轴电动升降台、2-上轴光电自准直仪、3-样品夹持调节器、4-二维电动平移台、41-安放口、5-设备基座、51-通孔、6-固定框架、7-下轴光电自准直仪、8-下轴电动升降台、9-控制箱、10-数据采集器、11-光源、12-第一光纤导管、13-第二光纤导管、14-电脑、15-楔角球面透镜；

A-第一光源入射端、B-第一图像输出端、C-第二光源入射端、D-第二图像输出端、E-第一控制连接端、F-第一Z轴数据输出端、G-第二控制连接端、H-第二Z轴数据输出端、I-第一XY轴数据输出端、J-第二XY轴数据输出端、K-第三控制连接端。

具体实施方式

为使得本发明更明显易懂，现以一优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

本发明的一种楔角球面透镜的中心偏差和楔角检测仪可以采用立式结构或者卧式结构，下面以立式结构来说明。

请参阅图1至图3所示，本发明的一种楔角球面透镜的中心偏差和楔角检测仪，包括一上轴电动升降台1、一上轴光电自准直仪2、一样品夹持调节器3、一二维电动平移台4、一设备基座5、一固定框架6、一下轴光电自准直仪7、一下轴电动升降台8、一控制箱9、一数据采集器10、一光源11、一第一光纤导管12、一第二光纤导管13及一电脑14；所述数据采集器10为数显表；

所述上轴光电自准直仪2上设有一第一光源入射端A及一第一图像输出端B，所述下轴光电自准直仪7上设有一第二光源入射端C及一第二图像输出端D，所述上轴电动升降台1上设有一第一控制连接端E及一第一Z轴数据输出端F，所述下轴电动升降台8上设有一第二控制连接端G及一第二Z轴数据输出端H，所述二维电动平移台4上设有一第一XY轴数据输出端I、一第二XY轴数据输出端J及一第三控制连接端K；

所述设备基座5固定在所述固定框架6顶部，所述二维电动平移台4固定于所述设备基座5顶部，所述二维电动平移台4上设有一安放口41，用于放置待测楔角球面透镜15，所述设备基座5上设有一与所述安放口41相对的通孔51；所述样品夹持调节器3固定于所述安放口41上方，用于夹持待测楔角球面透镜15；所述上轴电动升降台1与所述下轴电动升降台8相对地固定在所述设备基座5的上下两侧，所述上轴光电自准直仪2固定于所述上轴电动升降台1上，所述下轴光电自准直仪7固定于所述下轴电动升降台8上，所述上轴光电自准直仪2、所述安放口41、所述通孔51及所述下轴光电自准直仪7成一直线排列；

所述第一光源入射端A通过所述第一光纤导管12连接至所述光源11，所述第二光源入射端C通过所述第二光纤导管13连接至所述光源11；所述第一控制连接端E、所述第二控制连接端G及所述第三控制连接端K均通过所述控制箱9与所述电脑14相连接；所述第一XY轴数据输出端I、所述第一Z轴数据输出端F、所述第二XY轴数据输出端J及所述第二Z轴数据输出端H均通过所述数据采集器10与所述电脑14相连接；所述第一图像输出端B及所述第二图像输出端D均通过通讯总线与所述电脑14相连接。

该设备上下部分各装配一台光电自准直仪，分别用来检测楔形球面透镜15的上下两个曲面球心，光源11通过第一光纤导管12和第二光纤导管13进入上轴光电自准直仪2和下轴光电自准直仪7，可进行单光路或者双光路测量，光电自准直仪上具有工业相机CCD图像传感器，用来采集图像信息，将采集的球心十字线通过软件显示智能化的计算出楔形球面透镜15的中心偏差和楔角。

上轴电动升降台1和下轴电动升降台8包括移动导轨，移动导轨上含有线性编码器，用以控制上轴光电自准直仪2和下轴光电自准直仪7运动，并能实现测量过程中的Z轴方向的高精度定位，具体位置可在电脑14软件显示，并参与测量结果的计算处理；二维电动平移台4(包括移动导轨、步进电机和平面光栅尺)上带有线性编码器，用以控制待测样品(楔形球面透镜15)XY轴方向运动，并能实现测量过程中XY轴的高精度定位，具体数据显示于电脑14软件，并参与测量结果的计算处理，确保测量球心像的精确定位。光路系统组成含有上下两条光路系统，即反射测量光路和透射测量光路，可用于进行其他相应类型透镜参数的测量。通过USB(通用串行总线)与电脑14连接，将采集到的位置数据传输至电脑软件显示界面进行数据处理，准确得到成像的坐标位置。

如图1至图5所示，本发明的一种楔角球面透镜的中心偏差和楔角的测量方法，所述测量方法需要提供上述的一种楔角球面透镜的中心偏差和楔角检测仪，所述测量方法具体包括如下步骤：

步骤1、在未放置待测楔角球面透镜15的情况下，根据待测楔角球面透镜15的曲率半径选择相对应的物镜，将物镜分别安装在所述上轴光电自准直仪及所述下轴光电自准直仪上；

步骤2、所述光源发出的光分别经所述第一光纤导管和所述第二光纤导管进入所述上轴光电自准直仪及所述下轴光电自准直仪，所述电脑通过所述控制箱控制所述上轴电动升降台及所述下轴电动升降台，使得所述上轴光电自准直仪及所述下轴光电自准直仪在Z轴方向运动，在所述电脑的显示区域上出现十字像，进行初始校准；

步骤3、在所述安放口内放上待测楔角球面透镜15，所述电脑通过所述控制箱控制所述上轴电动升降台，使得所述上轴光电自准直仪在Z轴方向运动至待测楔角球面透镜15上表面的曲率中心位置，找到上表面的曲率中心像；

步骤4、所述电脑通过所述控制箱控制所述下轴电动升降台，使得所述下轴光电自准直仪在Z轴方向运动至待测楔角球面透镜15下表面的曲率中心，找到下表面的曲率半径像；

步骤5、所述电脑通过所述控制箱控制所述二维电动平移台在XY轴方向移动，来调节待测楔角球面透镜15的位置，使得待测楔角球面透镜15上表面的曲率中心像和下表面的曲率中心像均位于所述电脑的显示区域内；

步骤6、所述电脑根据所述上轴光电自准直仪和所述下轴光电自准直仪采集的十字像以及所述上轴电动升降台、所述下轴电动升降台和所述二维电动平移台采集到的位置数据，分别对待测楔角球面透镜15上表面的球心点O1的坐标O1(x₁，y₁，z₁)和下表面的球心点O2位置的坐标O2(x₂，y₂，z₂)进行处理，并根据公式：计算出O1与O2的球心距离d；然后根据公式：

得出楔角θ的数值；

其中，Φ为待测楔角球面透镜15已知的外径，R₁为待测楔角球面透镜15上表面的曲率半径，R₂为待测楔角球面透镜15下表面的曲率半径。

图2为楔形球面透镜示意图，O1、O2分别为楔角球面透镜15上表面和楔角球面透镜15下表面的曲率中心，其对应的坐标分别为(x₁，y₁，z₁)、(x₂，y₂，z₂)，d为楔形球面透镜15两曲面球心距，即O1与O2的距离，m1和m2分别为楔角球面透镜15上表面和楔角球面透镜15下表面的光轴，楔角指楔角球面透镜15下表面的光轴m2与参考轴的夹角，图中以楔形球面透镜15的上球面的光轴m1为参考轴，楔角θ为光轴m2与参考轴m1的夹角。因此，则有：

得出楔角θ的数值；

其中，Φ为待测楔角球面透镜15已知的外径，R₁为待测楔角球面透镜15上表面的曲率半径，R₂为待测楔角球面透镜15下表面的曲率半径。

综上可得，楔角θ为O1、O2坐标点参数x₁，y₁，z₁，x₂，y₂，z₂对应的函数方程，即可表示为θ＝f(x₁,y₁,z₁；x₂,y₂,z₂)。可见，只需测得O1和O2坐标位置，带入方程θ＝f(x₁,y₁,z₁；x₂,y₂,z₂)便可得到楔角θ大小。

图3为测量原理示意图，系统以两台光电自准直仪为基准，结合精密调节台和平面光栅尺，对楔形球面透镜的两个球心距及楔角进行测量。

测量时，首先两台光电自准直仪进行初始校准，初始化测量坐标。然后上轴光电自准直仪2自动测量第一个面(图中凹面)的O1位置，并记录其坐标值(x₁，y₁，z₁)。最后下轴光电自准直仪7结合二维电动平移台4自动测量第二面(图中凸面)的O2位置，并记录坐标值(x₂，y₂，z₂)。则两球心距计算所得，并可以根据已知的曲率半径R₁、R₂和楔形球面透镜外径Φ尺寸，由相关公式θ＝f(x₁,y₁,z₁；x₂,y₂,z₂)转化为楔角值。

本发明的优点如下：

本发明可广泛应用于楔形球面透镜加工过程中的中心偏差和楔角测量，兼顾方形柱面透镜及球面透镜中心偏差测量、非对称方形柱面透镜及球面透镜中心偏差测量。与传统光学检测设备相比，本发明利用上轴光电自准直仪和下轴光电自准直仪中高精度的工业CCD图像传感器并结合软件进行采集成像位置并计算，以两台共轴的光电自准直仪为基准，结合精密二维电动平移台和光栅尺，精确测量楔形球面透镜两曲面球心位置，从而对楔形球面透镜的两个球心距及楔角进行计算，极大地避免了测量过程中操作者自身条件的影响，大大提高了测量的准确性和可靠性。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。