專利名稱:雙光路零位法光電定心及測量裝置的制作方法
1、名稱雙光路零位法光電定心及測量裝置。
2、發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域：
:本發(fā)明是一種定心與檢測透鏡偏心差的裝置。用于光學(xué)另件磨邊、膠合和裝配等工藝過程中的定心或另件加工過程中的中心誤差檢測。該裝置也可用于角度高精度測量。
背景技術(shù)：
近代空間光學(xué)、微電子學(xué)和激光技術(shù)的發(fā)展，對光學(xué)另件精度的要求越來越高，各種高性能物鏡的光學(xué)設(shè)計對透鏡偏心差要求很嚴(yán)，達(dá)微米(或弧秒)數(shù)量級。因而世界各國很重視高精度定心方法與儀器的研究，光電法定心已為國外普遍采用。但迄今為止，國外研制生產(chǎn)的光電定心裝置，一般精度均在10″左右，還不能滿足高精度要求。如美國Bausch Lomb公司研制的透反射式激光干涉光電自動定中心裝配儀，定心精度為8″〔美國專利n°3，542，476〕;英國SIRA和Ealing-BecK公司研制生產(chǎn)的Sira-BecK光電定中心儀，精度可達(dá)10″〔Sira-Ealing BecK公司產(chǎn)品樣本〕;法國光學(xué)理論與應(yīng)用研究所研制的反射式光電定心儀，定心精度可達(dá)5″〔法國專利N°2 340 534〕;西德LOH光學(xué)機床廠生產(chǎn)的M2激光光電定中心裝置，精度為10″。以上所采用的方案，對偏心差訊號的光電變換及處理的方法，幾乎都是用四象限硅光電池作為接收元件，把光斑分割成四部分，直接放大對頂角二個象限的光電訊號之差，測得偏心差大小。當(dāng)采用直流放大器時，由于零飄和噪音影響，難以獲得高穩(wěn)定性與高靈敏度，這是已有技術(shù)存在的缺點。
4、發(fā)明的目的為克服已有技術(shù)的缺點，尋求高精度光電定心裝置，以滿足科研生產(chǎn)中高性能鏡頭對光學(xué)工藝的要求。例如大規(guī)模集成電路制造用的超微精縮鏡頭;平視場復(fù)消色差高倍顯微鏡，空間像機鏡頭等，其成像分辨率幾乎接近衍射極限，偏心差要求達(dá)1-2μm。本發(fā)明所提供的裝置可達(dá)到如上量級的精度要求。
5、發(fā)明的構(gòu)成本發(fā)明是一種用于透鏡定中心和測量透鏡中心誤差的光電變換裝置。應(yīng)用雙光路零位平衡法來實現(xiàn)光電定心和測量它由分光調(diào)制、光電變換、主電路和光柵數(shù)字顯示等部分所組成。圖1為光學(xué)系統(tǒng)圖。圖2為光、機、電總體結(jié)構(gòu)方框圖。圖1和圖2表示了本發(fā)明的工作原理、結(jié)構(gòu)及工作過程。
圖1中被測訊號現(xiàn)為透鏡偏心差訊號，也可以是其他被測對象的光訊號。它作為入射光束入射到分光稜鏡〔1〕的稜邊，被分成二束強弱不等的光束，沿著完全對稱的雙光路光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)過直角稜鏡〔2〕調(diào)制物鏡〔3〕，同時到達(dá)調(diào)制盤〔4〕上，對光束進(jìn)行機械調(diào)制。調(diào)制盤結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計成半園周邊有20個扇形槽，另半園有180°環(huán)形槽。因而當(dāng)調(diào)制盤被同步電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)時，二束光輪番地通過扇形槽孔，從而實現(xiàn)了二次調(diào)制，產(chǎn)生一個調(diào)幅訊號，波形如圖3所示。它由1000周的載波訊號〔1〕和25周的調(diào)制訊號〔2〕合成。再經(jīng)過反射鏡〔5〕、透鏡〔6〕、會聚稜鏡〔7〕，最后投射到硅光電池〔8〕上。此外，由光源〔9〕、聚光鏡〔10〕和光電三極管〔11〕組成光電參考訊號系統(tǒng)，光束穿過環(huán)形槽被調(diào)制，給出一個與被測訊號同頻率相位差180°的參考訊號，供相敏檢波用。由光源〔12〕，非球面準(zhǔn)直鏡〔13〕。指示光柵〔14〕、標(biāo)尺光柵〔15〕、五相硅光電池〔16〕組成光柵讀數(shù)頭光學(xué)系統(tǒng)。標(biāo)尺光柵隨同分光稜鏡一起移動，通過測量莫爾條紋強度的變化，可精確地測定分光稜鏡的位移。硅光電池的輸出訊號經(jīng)前置放大器預(yù)放大后，輸入到儀器外部的主電路系統(tǒng)即二次選頻放大。第一次調(diào)諧選頻放大，中心頻率為1000周，對載波訊號進(jìn)行有效放大，然后由濾波器濾掉1000周，再經(jīng)過一次低頻選頻放大，中心頻率為25周，對被測訊號即調(diào)制訊號，進(jìn)行有效放大。然后相敏檢波，得到表示偏心差大小與方向的直流訊號，由一個微安表指示。當(dāng)偏心差為零時，分光后的二束光強度相等，調(diào)制訊號為零，微安表指針指零，此時，分光稜鏡處于零位;有偏心差存在時，微安表指針偏離零點，直流放大后的訊號使伺服微動機構(gòu)驅(qū)動分光稜鏡移動到新的零位，使微安表指零，由光柵莫爾條紋數(shù)顯裝置指示稜鏡位移量。整個主電路系統(tǒng)是一個具有負(fù)反饋的閉環(huán)伺服系統(tǒng)。也可以通過圖2中的手動微動機構(gòu)使分光稜鏡作零位平衡移動，直到微安表指零，相應(yīng)的偏心差數(shù)值可由讀數(shù)鼓讀出，這時相當(dāng)于系統(tǒng)工作在開環(huán)狀態(tài)。如果是對透鏡進(jìn)行磨邊定心或膠合定心，是將透鏡固定在一個精密基準(zhǔn)軸上，一面轉(zhuǎn)動軸，一面調(diào)整透鏡的位置，測量被定心表面球心像的跳動，直到微安表指零，或達(dá)到光學(xué)設(shè)計給定的偏心差允許值為止，就認(rèn)為已定好中心，可以進(jìn)行磨邊或膠合。
所用的分光稜鏡具有鋒利的分光稜邊，夾角90°，由光學(xué)玻璃拋光鍍膜制成。采用對稱的雙光路分光調(diào)制光學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)中各個光學(xué)另件的鍍膜要求，應(yīng)保證最大限度地提高光電轉(zhuǎn)換的靈敏度。增透膜和反射膜的中心波長為8600
。
手動微動機構(gòu)即機械測微計，采用精密差動螺旋機構(gòu)，絲桿精度零級，讀數(shù)鼓格值1μm，空回小于1μm。
伺服微動機構(gòu)由可逆交流伺服電機，諧波齒輪減速箱和絲桿絲母，杠桿機構(gòu)組成。該伺服傳動機構(gòu)的特點是減速比大(1∶70);尺寸小(外形尺寸φ42mm×34mm)運動平穩(wěn)，可實現(xiàn)幾乎是無空回的可逆伺服傳動，能控制分光稜鏡在微米量級范圍內(nèi)移動。
光柵讀數(shù)頭采用了非球面準(zhǔn)直鏡代替常用的球面透鏡，可使結(jié)構(gòu)尺寸小(外形尺寸60mm×30mm)，照明均勻，莫爾條紋對比度好，輸出直流電平和交流電平高。光柵莫爾條紋數(shù)顯裝置的脈沖當(dāng)量為1μm。
6、發(fā)明與已有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點或效果(1)對偏心差訊號采用先分光后調(diào)制及光電轉(zhuǎn)換和電子學(xué)處理的方法，優(yōu)于國外普遍采用四象限硅光電池直接處理偏心差訊號的方法，能在電子學(xué)放大時，獲得高增益、低噪音，提高訊噪比，因而大大提高了定中心靈敏度與精度。
(2)與法國專利N°2 340 534比較，本發(fā)明是采用機械調(diào)制比電調(diào)制簡易方便，頻率穩(wěn)定性好。調(diào)制盤兼有三種功能同時產(chǎn)生載波訊號，調(diào)制訊號和參考訊號。以本發(fā)明為基礎(chǔ)的光電定心儀是測量球心反射像比測量表面反射像〔法國專利N°2，340，534〕更具優(yōu)點;靈敏度高，被測半徑范圍廣，也符合我國所制訂并為世界各國普遍采用的《透鏡中心誤差國家標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定。先分光后調(diào)制比先調(diào)制后分光，在電子學(xué)處理時，能更方便地采用二次選頻放大系統(tǒng)，以便有效地抑制噪音，提高測量靈敏度。
(3)采用對零式讀數(shù)即零位平衡法，降低了對放大器線性度要求和光源強度變化的影響，提高了儀器測量重復(fù)性。由于將電壓的模擬量測量轉(zhuǎn)化為對分光元件位移的數(shù)字量測量，因而提高了偏心差測量精度。
(4)測量數(shù)據(jù)的數(shù)字顯示，使定中心儀器實現(xiàn)了數(shù)字化和自動化。
(5)伺服微動機構(gòu)采用諧波齒輪傳動，實現(xiàn)很少空回的可逆伺服傳動，可滿足伺服系統(tǒng)動態(tài)特性要求。
(6)本發(fā)明可獲得的定心精度可達(dá)1μm;測量靈敏度小于0.1μm，(均方根誤差)。技術(shù)指標(biāo)高于現(xiàn)有國外同類光電定心儀器。
7、實現(xiàn)發(fā)明的最佳實施方案通常本發(fā)明裝置與一臺光學(xué)測量裝置可組合成一臺高精度光電測量儀器。例如，與自準(zhǔn)式平行光管組合，可組成光電測角儀;與光學(xué)定心儀組合，可組成光電定心儀。根據(jù)本發(fā)明的方法與構(gòu)思，設(shè)計試制成功了“數(shù)字光電定心儀”，已實際應(yīng)用生產(chǎn)。光學(xué)系統(tǒng)圖如圖4所示，主要由二大部分組成(1)光學(xué)測量裝置-是一臺測球心反射像的光學(xué)定心儀。為減少能量損失，采用了離軸光學(xué)系統(tǒng)。光源〔17〕經(jīng)聚光鏡〔18〕均勻照明光闌孔〔19〕，再經(jīng)全反射鏡〔20〕，準(zhǔn)光鏡〔21〕，平行出射，通過測量物鏡組〔22〕(包括變焦距物鏡)，使光闌園孔像聚焦于被測另件〔23〕的表面球心附近，按自準(zhǔn)原理，反射像對稱離軸地折回到分光稜鏡〔1〕的直角稜邊處，該處及場鏡〔25〕處于與光闌孔共軛位置，均位于準(zhǔn)光鏡焦面上?！?4〕為半透反射鏡，園孔像經(jīng)觀察物鏡組〔26〕放大后成像于網(wǎng)格分劃板〔27〕上。當(dāng)被測量另件球心和基準(zhǔn)軸不重合，軸回轉(zhuǎn)時，球心像跳動，由目鏡〔28〕可觀測跳動的幅度以估計偏心差大小。同時在分光稜鏡處的園形光斑由于跳動，園心偏離稜邊，光斑被分割成面積不等的二部分，即強度不等的二束光。這就是偏心差訊號的產(chǎn)生與分光過程。
(2)分光調(diào)制及光電變換裝置-光學(xué)系統(tǒng)圖同圖1，工作過程同前所述。這部分在結(jié)構(gòu)設(shè)計上分成6個小部件分光系統(tǒng)、調(diào)制盤部件、光電變換、光柵讀數(shù)頭、諧波齒輪減速箱、差動絲桿微動機構(gòu)。它們共組裝在一塊底板上，形成一個獨立的整體，便于單獨推廣應(yīng)用。二大部分用儀器底座連接與磨邊機床導(dǎo)軌或膠合定心儀導(dǎo)軌相配，用于磨邊定心或膠合定心。
儀器電路原理方框圖見圖5。
主電路系統(tǒng)和光柵數(shù)顯裝置分別裝成二個電器箱，它們是彼此獨立的二個電路系統(tǒng)。主電路的主要特點是二次選頻放大，二者中心頻率相差很遠(yuǎn)，通頻帶很窄，能有效地抑制噪音，不僅抑制了邊頻以外的噪音，還抑制了與二個中心頻率一致的噪音。光柵柵距0.01毫米，經(jīng)電路十倍頻后，可獲得脈沖當(dāng)量為1μm。該光柵數(shù)顯電路比較簡單實用。
作為本發(fā)明的一個應(yīng)用實例是光電定心磨邊機床。將數(shù)字光電定心儀安裝在一臺改裝后的萬能工具磨床上。主軸箱經(jīng)過精化設(shè)計，采用小孔節(jié)流式的液體靜壓軸承。軸系精度0.5μm，主軸前端有專門設(shè)計的四自由度透鏡微調(diào)偏心機構(gòu)，可使透鏡二個表面球心調(diào)整到與機械主軸重合。因為分光稜鏡上能測量直角坐標(biāo)中一個坐標(biāo)方向上的偏心差，所以必須使透鏡旋轉(zhuǎn)定中心。定心精度可達(dá)1μm。磨邊后另件不園度小于0.5μm。
權(quán)利要求
1.一種光電定心及測量裝置，由分光調(diào)制、光電變換、主電路及讀數(shù)部分組成。其特征在于分光元件為直角稜鏡，二次調(diào)制用機械調(diào)制盤，零位平衡裝置為伺服微動機構(gòu)和手動微動機構(gòu)，主電路為二次選頻放大電路，讀數(shù)部分采用機械測微計和光柵莫爾條紋數(shù)字顯示。
2.按照權(quán)利要求
1所述的光電定心及測量裝置，其特征在于分光稜鏡具有鋒利的分光稜邊，夾角為90°，由光學(xué)玻璃拋光鍍膜制成。
3.按權(quán)利要求
1所述的光電定心及測量裝置，其特征在于對光訊號進(jìn)行機械調(diào)制，調(diào)制盤半園周邊有扇形槽，另半園有一個180°的環(huán)形槽。
4.按照權(quán)利要求
1所述的光電定心及測量裝置，其特征在于讀數(shù)部分是格值為1μm的差動螺旋，光柵莫爾條紋數(shù)顯裝置的脈沖當(dāng)量為1μm，光柵讀數(shù)頭用非球面準(zhǔn)直鏡代替常用的球面鏡。
5.按照權(quán)利要求
1所述的光電定心及測量裝置，其特征在于零位平衡裝置的伺服微動機構(gòu)采用諧波齒輪減速箱，手動微動機構(gòu)采用精密差動螺旋。
專利摘要
本發(fā)明是一種定中心檢測透鏡偏心差的裝置。主要是為了提高光電定心法的靈敏度與精度。其主要技術(shù)特征是采取分光調(diào)制的方法，用普通硅光電池作為接收元件，并采用零位平衡法，通過測量分光元件位移的數(shù)字量來測定偏心差。本發(fā)明的目的是為了解決高精度鏡頭的磨邊、膠合定中心及鏡頭裝配定心，本裝置測量偏心差精度可達(dá)1μm。它也可作為精密測角裝置。
文檔編號G01B11/26GK85101621SQ85101621
公開日1986年8月20日 申請日期1985年4月1日
發(fā)明者周長新, 劉自能 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan