一种柱面镜光学定轴系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光学定轴领域，尤其涉及一种确定柱面镜光轴的系统及方法。
【背景技术】
[0002]柱面镜是非球面的一个特例，具有特殊的光学成像特性。高精度的柱面镜和柱面系统在线聚焦系统、电影摄像镜头、激光打印机等方面的应用越来越广泛，这些应用需要相应高精度的装调手段来保证光学系统的光轴一致性。
[0003]柱面镜的成像特性:因为柱面透镜不是旋转对称的，所以柱面镜没有球心点，只有球心线。平面波经过柱面透镜也不会形成焦点，而会形成一条焦线。理论上柱面镜不存在所谓光轴，但在实际应用中是多个柱面镜组合使用，要求各柱面镜的平面相互平行，其交线相互正交，各正交点必须在一条直线上且与柱面镜的平面垂直，所有实际柱面镜的装调过程中会用到柱面镜的虚拟光轴。
[0004]如果柱面光学系统不能满足如上装调要求，则会导致柱面系统光学质量下降甚至不能使用。所以柱面镜光轴的确定是柱面光学系统装调中亟待解决的重要技术难点。
[0005]现有的柱面镜定轴方法是，如图1所示，包括车床回转轴1，姿态调整工装2，镜框3，柱面镜4，光学定心仪5，CXD相机6和PC机7，利用光学定心仪5寻找控制该柱面镜平面的自准直反射像跳动量，再利用千分表9控制柱面镜母线在水平和垂直方向的变化量，保证柱面镜的定轴精度。
[0006]这种方法的缺点:1、此方法采用千分表接触式测量，操作过程容易划伤柱面镜镀膜面；2、多次调整柱面镜姿态时，接触式测量的复位精度无法保证，造成累积误差；3、以柱面镜外形公差确定其光轴位置，光轴精度无法保证，即用机械精度无法保证光学精度；
【发明内容】
[0007]为了解决现有的确定柱面镜光轴基准的方法易导致光学元件划伤及光轴基准精度低等技术问题，本发明提供一种柱面镜光学定轴加工方法及设备。
[0008]本发明的技术解决方案:
[0009]柱面镜光学定轴系统，其特殊之处在于:包括姿态调整工装、镜框、第一光学定心仪、第一光学定心仪、第一 CXD相机、第二 CXD相机、第二 PC机及第二 PC机；
[0010]所述姿态调整工装固定在车床回转轴上，所述镜框固定在姿态调整工装上，镜框内固定有柱面镜，所述第一光学定心仪位于车床回转轴的一端，且朝向柱面镜的平面，第一光学定心仪与第一 CCD相机的一端连接，所述第一 CCD相机的另一端与第一 PC机连接；所述第二光学定心仪位于镜框的出射窗口的正前方，且第二光学定心仪朝向柱面镜的柱面，第二光学定心仪与第二 CCD相机的一端连接，所述第二 CCD相机的另一端与第二 PC机连接。
[0011]柱面镜光学定轴方法，包括以下步骤:
[0012]I】寻找柱面镜的平面自准直反射像点:
[0013]1.1】将第一光学定心仪调焦到无穷远位置，发出平行光，经柱面镜的平面反射，成在第一光学定心仪上的像点即为柱面镜的平面自准直反射像点；
[0014]1.2】将找到的平面自准直反射像点通过第一 CXD相机显示在第一 PC机上；
[0015]2】寻找柱面镜的柱面镜焦线像:
[0016]2.1第一光学定心仪发出的平行光透过柱面镜形成柱面镜焦线，将第二光学定心仪调焦到柱面镜的焦线位置，此时成在第二光学定心仪上的像即为柱面镜的一次柱面镜焦线像，通过第二 CCD相机在第二 PC机找到柱面镜的一次柱面镜焦线像，并读取此时柱面镜一次柱面镜焦线像在第二光学定心仪上的位置LI ;
[0017]2.2】车床转轴旋转180度，第二光学定心仪保持不变，成在第二光学定心仪上的像即为柱面镜的二次柱面镜焦线像，通过第二 CCD相机在第二 PC机找到柱面镜的二次柱面镜焦线像，并读取此时柱面镜二次柱面镜焦线像在第二光学定心仪上的位置L2 ;
[0018]2.3】将第二光学定心仪的测微目镜十字丝调整在(Ll+L2)/2位置；
[0019]3】调整姿态控制工装的水平和俯仰状态，通过第一 C⑶相机在第一 PC机上观察平面自准直反射像点，同时通过第二 CCD相机在第二 PC机上观察一次柱面镜焦线像和二次柱面镜焦线像；直至柱面镜的自准直反射像点的运动轨迹由划大圆逐渐变为划小圆甚至接近静止不动，并且柱面镜的一次柱面镜焦线像和二次柱面镜焦线像的中心与测微目镜的十字丝的中心重合，此时柱面镜的光轴与车床回转轴重合。
[0020]本发明所具有的优点:
[0021]1、本发明完全采用光学非接触式测量方式，寻找柱面镜的平面自准直反射像和柱面自准直反射像(柱面球心交线反射像)，通过姿态调整工装改变柱面镜空间姿态，控制两像在内调焦定心仪内的跳动量，保证光轴与机械旋转轴的重合精度。
[0022]2、通过2台内调焦定心仪寻找柱面镜的平面自准值反射像和柱面镜焦线像，旋转车床主轴并调整姿态控制工装使平面反射像不晃动，柱面镜焦线像旋转对称，其光轴即可确定(此时柱面镜光轴和车床主轴重合)，车削结构件相关部位，保证其与光轴的同心度和垂直度。
【附图说明】
[0023]图1为现有的柱面镜定轴系统的结构示意图；
[0024]图2为本发明的柱面镜定轴的系统示意图；
[0025]其中附图标记为:1-车床回转轴，2-姿态调整工装，3-镜框，4-柱面镜，5-光学定心仪，6-CXD相机，7-PC机，8-车刀，9-千分表，10-第一 PC机，11-第一 (XD相机，12-第一光学定心仪，13-第二光学定心仪，14-第二 CXD相机，15-第二 PC机。
【具体实施方式】
[0026]如图1所示柱面镜光学定轴系统，包括姿态调整工装2、镜框3、第一光学定心仪
12、第二光学定心仪13、第一 CXD相机11、第二 CXD相机14、第一 PC机10及第二 PC机15 ；
[0027]姿态调整工装固定在车床回转轴I上，镜框固定在姿态调整工装上，镜框内固定有柱面镜，第一光学定心仪位于车床回转轴的一端，且朝向柱面镜的平面，第一光学定心仪与第一 (XD相机的一端连接，所述第一 (XD相机的另一端与第一 PC机连接；第二光学定心仪位于镜框的出射窗口的正前方，且第二光学定心仪朝向柱面镜的柱面，第二光学定心仪与第二 CXD相机的一端连接，所述第二 CXD相机的另一端与第二 PC机连接。
[0028]柱面镜光学定轴方法，包括以下步骤:
[0029]I】寻找柱面镜的平面自准直反射像点:
[0030]1.1】将第一光学定心仪调焦到无穷远位置，成在第一光学定心仪上的像点即为柱面镜的平面自准直反射像点；
[0031]1.2】将找到的平面自准直反射像点通过第一 CXD相机显示在第一 PC机上；
[0032]2】寻找柱面镜的柱面镜焦线像:
[0033]2.1】将第二光学定心仪调焦到柱面镜的焦线位置，成在第二光学定心仪上的像即为柱面镜的一次柱面镜焦线像，通过第二 CCD相机在第二 PC机找到柱面镜的一次柱面镜焦线像，并读取此时柱面镜一次柱面镜焦线像在第二光学定心仪上的位置LI ;
[0034]2.2】车床转轴旋转180度，第二光学定心仪保持不变，成在第二光学定心仪上的像即为柱面镜的二次柱面镜焦线像，通过第二 CCD相机在第二 PC机找到柱面镜的二次柱面镜焦线像，并读取此时柱面镜二次柱面镜焦线像在第二光学定心仪上的位置L2 ;
[0035]2.3】将第二光学定心仪的测微目镜十字丝调整在(L1+L2) /2位置，此时成在第二光学定心仪上的像即为柱面镜的柱面镜焦线像；
[0036]3】调整姿态控制工装的水平和俯仰状态，通过第一 C⑶相机在第一 PC机上观察平面自准直反射像点，同时通过第二 CCD相机在第二 PC机上观察柱面镜的柱面镜焦线像；直至柱面镜的自准直反射像点的运动轨迹由划大圆逐渐变为划小圆甚至接近静止不动，并且柱面镜的柱面镜焦线像与测微目镜的十字丝的中心重合，此时柱面镜的光轴与车床回转轴重合。
[0037]4】此时柱面镜的光轴已经确定，即柱面镜光轴和高精度车床回转轴重合；此时加工柱面镜结构框相关尺寸，保证结构外圆与柱面镜光轴同轴度优于0.007mm,保证结构端面与柱面镜光轴垂直度优于0.01mm。
【主权项】
1.柱面镜光学定轴系统，其特征在于:包括姿态调整工装、镜框、第一光学定心仪、第一光学定心仪、第一 CXD相机、第二 CXD相机、第二 PC机及第二 PC机； 所述姿态调整工装固定在车床回转轴上，所述镜框固定在姿态调整工装上，镜框内固定有柱面镜，所述第一光学定心仪位于车床回转轴的一端，且朝向柱面镜的平面，第一光学定心仪与第一 CCD相机的一端连接，所述第一 CCD相机的另一端与第一 PC机连接；所述第二光学定心仪位于镜框的出射窗口的正前方，且第二光学定心仪朝向柱面镜的柱面，第二光学定心仪与第二 CXD相机的一端连接，所述第二 CXD相机的另一端与第二 PC机连接。2.柱面镜光学定轴方法，包括以下步骤: I】寻找柱面镜的平面自准直反射像点: 1.1】将第一光学定心仪调焦到无穷远位置，发出平行光，经柱面镜的平面反射，成在第一光学定心仪上的像点即为柱面镜的平面自准直反射像点； 1.2】将找到的平面自准直反射像点通过第一 CXD相机显示在第一 PC机上； 2】寻找柱面镜的柱面镜焦线像: 2.1第一光学定心仪发出的平行光透过柱面镜形成柱面镜焦线，将第二光学定心仪调焦到柱面镜的焦线位置，此时成在第二光学定心仪上的像即为柱面镜的一次柱面镜焦线像，通过第二 CCD相机在第二 PC机找到柱面镜的一次柱面镜焦线像，并读取此时柱面镜一次柱面镜焦线像在第二光学定心仪上的位置LI ; 2.2】车床转轴旋转180度，第二光学定心仪保持不变，成在第二光学定心仪上的像即为柱面镜的二次柱面镜焦线像，通过第二 CCD相机在第二 PC机找到柱面镜的二次柱面镜焦线像，并读取此时柱面镜二次柱面镜焦线像在第二光学定心仪上的位置L2 ; 2.3】将第二光学定心仪的测微目镜十字丝调整在(Ll+L2)/2位置； 3】调整姿态控制工装的水平和俯仰状态，通过第一 CCD相机在第一 PC机上观察平面自准直反射像点，同时通过第二 CCD相机在第二 PC机上观察一次柱面镜焦线像和二次柱面镜焦线像；直至柱面镜的自准直反射像点的运动轨迹由划大圆逐渐变为划小圆甚至接近静止不动，并且柱面镜的一次柱面镜焦线像和二次柱面镜焦线像的中心与测微目镜的十字丝的中心重合，此时柱面镜的光轴与车床回转轴重合。
【专利摘要】本发明涉及一种柱面镜光学定轴系统及方法，其中系统包括姿态调整工装、镜框、第一光学定心仪、第一光学定心仪、第一CCD相机、第二CCD相机、第二PC机及第二PC机；姿态调整工装固定在车床回转轴上，镜框固定在姿态调整工装上，镜框内固定有柱面镜，第一光学定心仪位于车床回转轴的一端，且朝向柱面镜的平面，第一光学定心仪与第一CCD相机的一端连接，第一CCD相机的另一端与第一PC机连接；为了解决现有的确定柱面镜光轴基准的方法易导致光学元件划伤及光轴基准精度低等技术问题，本发明完全采用光学非接触式测量方式，保证光轴与机械旋转轴的重合精度。
【IPC分类】B23Q17/24, B23B25/06
【公开号】CN104972147
【申请号】CN201510354285
【发明人】付兴, 杜琛, 王鹏, 宋冲, 侯晓华
【申请人】中国科学院西安光学精密机械研究所
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年6月24日