基于光学中心偏系统的定心车镜筒加工装置及其方法与流程

本发明属于定心车镜筒加工技术领域，具体涉及一种基于光学偏心系统的定心车镜筒加工装置及其方法，特别涉及一种综合使用卧式车床，三爪卡盘，万向卡头，光学偏心测量系统等用于镜组加工设备的定心车镜筒加工系统。

背景技术：

普通镜筒加工一般采用纯机械装置，加工精度比较低，且在许多应用场合中，对光学系统的性能要求越来越高，例如，大规模电路集成芯片的制作过程中，需要用到光刻机，刻出几十纳米宽的线，其中，光刻机的光刻镜头非常复杂，包含大约30多片透镜，而且对每片透镜的位置精度要求非常高。对于此类包含多片透镜的光学镜头的装调过程中，必须采用高精度的光学镜头辅助装调设备，辅助操作人员进行镜片装调与检测。

另外，在有些应用场合，对光学系统的一致性要求非常高，例如，民用领域的数码相机，包含多片镜片，同时，要求同型号镜头具有很高的一致性。对于这些光学镜片的镜筒装调，如果不使用光学镜头辅助装调设备，实时测量镜片的中心偏差，就难以保证其镜组的性能一致性。

综上所述，为了提高光学系统的综合性能和产品的一致性，就要求光学镜头和镜筒的装调具有很高的精度，并且装调过程严格可控。在光学镜头装调过程中，必须精确测量光学镜片的中心偏。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，解决在镜筒加工中镜片存在光学偏心，镜筒加工误差，使得安装到相机后相机成像质量差等问题，本发明提供一种基于光学偏心系统的定心车镜筒加工装置及其方法，该系统具有结构紧凑、操作简单、加工精度高，工作稳定可靠及人机交互界面等优点。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于光学中心偏系统的定心车镜筒加工装置，包括光学系统、图像采集系统及机械系统，其中，所述光学系统采用光学偏心测量系统；

所述机械系统包括卧式车床、万向卡头及车床车刀，所述万向卡头固定在所述卧式车床的床头内侧的转台上，待测的镜组固定在所示万向卡头上，所述车床车刀固定在所述卧式车床中间位置，所述光学偏心测量系统固定在所述卧式车床的床尾；

所述图像采集系统包括连接在光学偏心测量系统上的测量头，以及固定在所述测量头里面的光源和相机；所述图像采集系统连接控制系统和数据采集分析处理系统；

所述万向卡头、光学偏心测量系统及图像采集系统与所述卧式车床的轴线共轴，且所述万向卡头与图像采集系统位于同一水平轴线上。

进一步的，所述卧式车床的床头内侧设置转台，其上固连有三爪卡盘，所述万向卡头面向床尾方向固定在所述三爪卡盘上。

进一步的，所述万向卡头依次由夹盘、平移调整座及球面调整座连接组成，所述平移调整座上设有倾斜调整螺钉；其中，所述夹盘与所述卧式车床的床头内侧固连，所述球面调整座连接待测的镜组。定心万向卡头该工具用于定心修切的专用工装，它与卧式车床配合，实现对高精度光学镜头镜筒的修切装配工作。镜组通过万向卡头以及三爪卡盘固定在卧式车床上面，通过调节万向卡头来调节镜组的位置以及倾斜角度。

进一步的，所述卧式车床的床体上从床头与床尾设有丝杠，所述车床车刀固定在所述丝杠上，在丝杠上方设置有导轨，位于所述车床车刀与床尾之间，所述车床车刀和卧式车床通过丝杠以及相应的导轨连接，光学偏心系统与卧式车床通过导轨连接，并沿导轨相对运动。

进一步的，所述光学偏心系统调焦范围从+∞调到+441mm，从－∞调到－289mm，为了满足盲区即－289mm～+441mm内的定心测量，仪器配有七组可换附加物镜；还配有带孔物镜和刻有十字丝的反射镜各一块，用于仪器的自检和调整；测量偏心精度达到3μm，测量透镜组直径最大达320mm，测量透镜组高度达400mm，以单面曲率半径为41.01mm的透镜为例进行各种误差计算，得到系统的整体误差为δ＝26.183″，符合系统对精度的要求。

一种基于光学中心偏系统的定心车镜筒加工装置的方法，包括以下步骤：

1)将待定心的光学镜组固定到万向卡头上，使用光学中心偏系统检测并调整万向卡头，使定心修切的光学球心与卧式车床的轴线共轴；

2)将需要定心的镜组的镜筒的外圆和端面车削到需要的尺寸精度要求；

3)点亮测量头的光源，使其发出一束光，经测量头中的透镜组后，聚焦到待测镜组的透镜的球心像处，待测透镜反射的光经测量头光路汇聚到ccd相机的靶面上，这个反射光就包含着透镜组中心偏的信息；

4)运用图像采集卡，将ccd相机采集的模拟图像转换成数字图像传送到计算机中去，随后对其进行图像处理，判断出反射像的位置。

进一步的，所述光学偏心系统的系统控制软件，采用labview编程，分为电机控制、自动调焦、图像采集与处理、最佳光轴拟合和数据处理五个部分，通过该软件系统，得到准确的中心偏。

进一步的，所述步骤4)判断出反射像的位置后的具体处理方法为：如果待测镜组不存在中心偏，当转台旋转时，计算机计算出来的反射像就不会改变；若待测镜组存在中心偏，则其光轴与转台的旋转轴之间存在夹角，当转台旋转时，反射像的位置随之做画圆运动，根据中心偏差控制卧式车床的车床车刀来车削镜筒，使其不存在中心偏。

光学偏心系统选择了基于旋转式自准直反射法测量原理进行中心偏测量，通过光学系统得到镜组的偏心值，以此来调节镜组位置，车床通过该偏心值来加工镜筒。本发明利用光学中心偏测量系统通过车床加工镜筒，保证镜筒外圆旋转轴与光轴平行，光学定心加工是一种基于光学成像原理，联系光学件光轴、配合机械件中心轴以及车床旋转轴三者，通过车削技术实现光学件关系光轴与配合机械件中心轴的高同轴度。

有益效果：本发明提供的基于光学偏心系统的定心车镜筒加工装置及其方法，与现有技术相比具有以下优点：结构紧凑、操作简单、加工精度高，工作稳定可靠；其中光学中心偏系统具有工作稳定，效率高和精度高等特点，适合于大部分的光学镜组中心偏的测量和调校。

附图说明

图1为定心车镜筒加工系统机械结构见图；

图2为万向卡头机械结构简图；

图3为系统软件流程图。

具体实施方式

本发明为一种基于光学中心偏系统的定心车镜筒加工装置及其方法，特别涉及一种综合使用卧式车床，三爪卡盘，万向卡头，光学偏心测量系统等用于镜组加工设备的定心车镜筒加工系统。该加工系统采用光学偏心系统的光学成像原理，包括卧式车床，三角卡盘，万向卡头，光学偏心测量系统；卧式车床安装在光学偏心系统的左侧，通过丝杠连接车刀装置以及光学偏心系统；镜组通过万向卡头以及三爪卡盘固定在卧式车床上面，通过调节万向卡头来调节镜组的位置以及倾斜角度；光学偏心系统选择了基于旋转式自准直反射法测量原理进行中心偏测量。通过光学系统得到镜组的偏心值，以此来调节镜组位置，车床通过该偏心值来加工镜筒。本发明利用光学中心偏测量系统通过车床加工镜筒，保证镜筒外圆旋转轴与光轴平行，光学定心加工是一种基于光学成像原理，联系光学件光轴、配合机械件中心轴以及车床旋转轴三者，通过车削技术实现光学件关系光轴与配合机械件中心轴的高同轴度。本发明的定心车系统具有结构紧凑、操作简单、加工精度高，工作稳定可靠等优点。

实施例

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明的定心车镜筒加工系统包括：卧式车床2安装在光学偏心系统8的左侧，三爪卡盘3安装在卧式车床2的左侧，万向卡头4安装在三爪卡盘3右侧，镜组5固定在万向卡头的右侧，车床车刀6和光学偏心系统8通过丝杠1以及导轨7连接，光源11和相机接口10固定在测量头9里面。

如图2所示，万向卡头4是用于光学定心修切的专用工装，主要由夹盘12、倾斜调整螺钉13、平移调整座14、球面调整座15组成。它与卧式车床2配合，实现对光学镜头镜筒的修切装配工作。该万向卡头是根据本发明目的专门设计的，主要用于装调镜组5，通过手动调整倾斜调整螺钉13、平移调整座14、球面调整座15微调镜组倾斜度以及平移，调整精度更高。

计算机控制卧式车床2的精密转台和丝杠1及直线导轨7，在转台上安装三爪卡盘3以及万向卡头4，该工作台用于对待测透镜的初始位置进行微调，使待测透镜的中心轴与转台的转轴重合；在三爪卡盘3固定着万向卡头4，用于固定待测镜头以及调节待测镜头的位置；在丝杠1以及直线导轨7上装着光学测量头9，用于测量透镜组5的中心偏。

将万向卡头4固定在卧式车床的三爪卡盘3上，使用工艺连接件，将待定心的光学镜组5固定到定心万向卡头4上，使用光学中心偏系统8检测并调整定心万向卡头4，使定心修切的光学球心与机床的轴线共轴，然后，将需要定心的镜筒的外圆和端面车削到需要的尺寸精度要求。

光学偏心系统8调焦范围从+∞调到+441mm，从－∞调到－289mm(该尺寸指工作距离)，为了满足盲区(－289mm～+441mm)内的定心测量，仪器配有七组可换附加物镜。此外，还配有带孔物镜和刻有十字丝的反射镜各一块，这两个附件用于仪器的自检和调整。测量偏心精度可达到3μm，测量透镜组直径最大可达320mm，测量透镜组高度可达400mm，以单面曲率半径为41.01mm的透镜为例进行各种误差计算，得到系统的整体误差为δ＝26.183″，符合系统对精度的要求。光学偏心系统调焦范围大，附加物镜齐全，对任何中短半径及长半径的光学镜组均可适用，光学偏心系统可以根据不同场合选择目镜测量，倍率可灵活改变，大倍率测量精度高，小倍率视场大，找像更容易。

本发明装置的工作方法，具体如下：点亮测量头的光源，使其发出一束光，经测量头中的透镜组后，聚焦到待测透镜的球心像处，然后待测透镜的反射的光，经测量头9光路汇聚到ccd相机10的靶面上，这个反射光就包含着透镜组中心偏的信息。运用图像采集卡，将ccd相机10采集的模拟图像转换成数字图像传送到计算机中去，随后对其进行图像处理，判断出反射像的位置。如果待测镜头不存在中心偏，当转台旋转时。计算机计算出来的反射像就不会改变；若待测透镜存在中心偏，则其光轴与转台的旋转轴之间存在一定的夹角，当转台旋转时，反射像的位置随之做画圆运动，然后根据中心偏差控制卧式车床来车镜筒，使其不存在中心偏。

本发明的定心车镜筒加工系统使用定心万向卡头，该工具用于定心修切的专用工装，它与卧式车床配合，实现对高精度光学镜头镜筒的修切装配工作。

如图3所示，本发明中使用的光学偏心系统的系统控制软件，采用labview编程，实现了系统测量的自动化和良好的人机交互界面，系统软件的编程分为电机控制、自动调焦，图像采集与处理、最佳光轴拟合和数据处理五个部分，通过该软件系统，得到准确的中心偏。

本发明的定心车系统采用一体化设计，包括光学系统、图像采集系统、机械系统、控制系统、数据采集分析处理系统，使得加工精度更高。光学偏心系统8调焦范围大，附加物镜齐全，对任何中、短半径及长半径的光学镜组均可适用。光学偏心系统8可以根据不同场合选择目镜测量，倍率可灵活改变，大倍率测量精度高，小倍率视场大，找像更容易。

对上述实施例的装置进行相应的中心偏量计算，统计结果如表1所示。

表1测量结果

通过以上数据可知，最佳光轴拟合的优化效果明显，中心偏量有较大幅度的减小，有效的减少了系统误差，该系统比直接机械加工镜组镜筒精度要高，且装配简单，可重复性好。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。