（物理电子学专业论文）导引头物镜中心偏测试方法的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文= = = = = = = = 2 2 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = 一 两要光学中心偏是光学仪器制造误差中一项对光学装配质量影响较大，同时也较难控制的误差。在光学系统中，中心偏的存在从根本上破坏了光学设计的理论基础一共轴理论，导致成像的像散性和畸变的不对称性。光学中心偏测量仪是检测光学系统，特别是精密光学系统( 如投影光刻机物镜、航测镜头、标准望远镜等) 中心偏不可缺少的测量仪器，它在光学透镜胶合、光学系统装校和检测中都起着重要作用。本项目根据中国空空导弹研究院的要求，研制一台用于红外导引头光学系统的中心偏自动测试仪。本测试仪基于球心反射像自准直原理，利用旋转法对光学系统中心偏进行测量，并用c c d 接收信号，设计了一个调焦全自动、被测透镜自动旋转的控制系统。该控制系统可以自动记录重要参数；打印报表；同时可以实施控制和分析，确定中心偏量。论文首先简单介绍了中心偏测量的意义，分析了中心偏产生的原理，介绍了国内外中心偏测量先进工艺，阐述了本课题的来源和要求。接着讨论了中心偏自动测试仪的总体方案、光学测量原理、中心偏的计算，对影响测量精度的关键因素进行了分析，还介绍了仪器结构。然后介绍了软件的设计，详细介绍了中心偏测量数值计算处理软件以及界面设计。随后论述了本系统仪器的装调与检验，仪器的准备调试工作，测定方法，进行了精度分析。最后对本系统的开发和调试进行了总结。关键词：中心偏自准直反射全自动华中科技大学硕士学位论文= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一一=a b s t r a c to p t i c a ld e c e n t r a l i o nb e i n go p t i c sm a n u f 如t l l r i n ge n 。ri sag r e a t e ri m p a c to nt h ew h o l es e t so fo 曲c a la s s e m b l yq u a l 咄b u ta l s or n o r cd i 街c u l tt oc o n t r o lm ee r m r i no d t i c a ls y s t e m s ，t 1 1 ee x i s t e n c eo fd e c e n t r a t i o nb e i n gf h d a m e n t a l l yu n d e m = l i n e dt h et h e o r e t i c a lb a s i so fo p t i c a ld e s i g t l - at o t a ia x l e 也e o 彤a n d1 e dt om ei m a g i n go fac a s u a ls e x u a la s y 蛐e t d cd i s t o n i o n s 0 p t i c a lt e s t i n gd e c e n 订a t i o ni sb e i n gg a u g e so p t i c a ls y s t e m s ，e s p e c i a u yp r e c i s i o no p t i c a ls y s 钯m s ( s u c ha sp r o j e c t i o np h o t 0 1 i m o 铲a p h ym a c h i n e so b j e c t i v el e n s ，r i a lc a m e r a s t a i l d a r dt e l e s c o p e ，e t c ) d e c e n i r a t i o nb e 血gi n d i s p e n s a b l em e a s u 眦n e n te q u i p m e n t ，o p t i c a il e l l sl 锄i n a t i n gi t ，a n dt h eo 埘c a ld e t e c t i o ns y s t e mi n s t a l l e di nt h es c h o o lp l a ya ni m p o r t 吼tr o l e 1 1 1 ep r o j e c to ft h er e s e a r c hi n s t i t u t eu n d e rm ec h i n e s ea i r - t o a i rm i s s i l e s ，i n 胁e d9 1 l i d a l l c ef o rt h cd e v e l 叩m c n to f t h ed e c e 腑a t i o db e m gt i l ef i r s to p t i c a is y s t e ma u t o m a 廿c a l l yt e s t i l l gd e v i c e t h et e s t i n gd e v i c eb 髂e do nc o r ep r i n c i p l e so fr e n e c t i o na sf 幻mp r o s p e c t i v es 缸a i 曲t ，m eu s eo fo p t i c a ls y s t e m sr o t a r yl a wd e c e n t r a d o nb e i n gm e a s u r e d ，a n dr e c e i v es i 印a l su s i n gc c dd e s 啦af l l l l ya u t o m a t i ca d j u 蛐e n tf o c a l l e n g t h ，t 1 1 ec o n 仃o ls y s t e ma l l o w sl e 璐a u t o m a t i cr o t a t i o n t h ec o m r o ls y s t e mc a i la u t o m a t i c a j i yr e c o r di m p o n a mp a r a n l e t c r s ；p r i n ts t a t e m e m s ；a tt l l es 锄et i l n ec o n t r o l sa 1 1 da n a 】y s i st od e t e m l i n et l l ev o l u m eo ft l l ed e c e n 咖i o ns i d e 1w i l lf i r s tg i v eab r i e fi n 扛d d u c t i o nt ot h es i g n i f i c a i l c eo ft h ed e c e m r a t i o nb e i n gm e a s u r e d ，a n a l y z e dd e c e n t a t i o nb e i n gg e n c r a t e dp r i i l c i p l e sb e i n gi m m d u c e da tt l l ed e c e n 拓a i o no fa d v a n c e dm e a s u r e m e mt e c h n i q u e so nt h es u b j e c to fs o u r c e sa i l dr e q u i r e m e n t s c h 印t e ri io ft l l em a i nd e c e n t r a t 如nb e i n ga l n o m a t i ct e s t i n gd e v i c ed e s i 弘e dp r o g r 眦m e si i 岫d u c e dr c l 啦c t i v e l yd e c e n t r 砒i o nb e i n gi i l 伽d u c e da _ u t o m a n ct e s t i n gd e v i c eo v e r a l lp r o 掣a m m e ，o p t i c a lm e a s l l r e m e mp r i n c i p l e s ，t l l ec e n t e rb e i i l gc a l c m a t e di m p a c tm e a s l l r e r n e n ta c c u r a c yo ft 1 ek e yf a c t o r sa n a l y s e d a l s oi m r o d u c e da p p 盯a t u ss 乜l l c 岫c h a p t e ri i ii n t r o d u c e ds o 胁艘d e s 蟾n d e c e n t r a t i o nb e i n gi m o d u c e dd e t a i l e dm c a s l l r e m e n t st e 衄sp r o c e s s i i 培s o 丘w a r ea n di n c e r f a c ed e s i g l l c h a p t e ri vd e a l s 谢t l it l l e 胁s f - e ra n di i l s t a l l a t i o no ft h es y s t e me q l l i p m e n tt e s te q u i p m e n tf o rd e b u g g i n g ，t e s t i n gm e t h o d sa n da c c t l r a c ya l i a l y s i s f 证a l l yo nt h ed e v e l o p m e n ta n dd e b u g g i n go ft h es y s 钯i np r o v i d e sas l l 】n m a r yk e v w o r d s ：d e c e n 仃a t i o ns e l f c o l l i m a t er e n e c tf u l la u t o m a t i s ml i独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：z 私日期：瓣，月惦日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在年解密后适用本授权书。本论文属于不保密口。( 请在以上方框内打“”)学位论文作者签名：聋秀在日期：咖二年厂月心日指导教师签名：j 拗日期：彳年厂月- 仁日华中科技大学硕士学位论文1 1中心偏测量的意义1 绪论透镜的中心偏是透镜的光轴和几何轴的不重合度。目前光学零件图所注明的透镜中心偏“c ”，就是透镜光心离开其几何轴的距离。光学系统的成象质量受到加工和装调过程中误差水平的限制。当光学系统的各元件相互来准直而使系统缺乏旋转对称性，这样就会产生新的象差。具有中心偏的透镜使轴上像点的波面失去了对称性，从而产生慧差、像散、倍率色差，使鉴别率下降。未准直的光学系统可能是由于某个光学面对其顶点中心偏或是绕顶点对光轴有一小的倾角，或者两者兼而有之。当一个或多个元件有中心偏或是倾斜，都会使整个光学系统不再有一个对称轴。然而当这个系统的一个光学元件的顶点只是沿光轴偏离一个距离后，这时系统仍保持对称性。光学系统中的一个面的倾斜或是偏心一方面会导致象沿垂直于光轴方向的漂移，另一方面也会引入一些新的象差。小量的偏心或是倾斜并不会改变系统的球差。然而如果球差并不为零，将会引入与象高无关的彗差，即轴向彗差。由此可见，中心偏给光学系统的象差带来了很大的影响。1 。1 2 中心偏产生的原理光学系统光轴一致性是光学系统成像质量的基本要求。在光学仪器的装配中，通常是靠透镜外圆来定位的。在透镜的加工过程中，由于人为、工艺、机器、环境等因素的影响，透镜的外圆几何中心轴线与透镜的光轴( 透镜两表面曲率中心的连线) 并不重合。这样靠透镜外圆定位只能保证透镜几何轴线的一致性，并不能保证光轴的一致性。因此，在装配前需要对透镜进行定中心磨边，以减小或消除透镜的偏心差。( 1 ) 中心偏的定义目前，我国对透镜偏心差是这样定义的i 透镜的几何轴线与光轴的偏差程度叫偏心差( 如图1 1 所示) 。由偏心差定义及图1 1 可以看出，目前这种传统的定义只包含了偏心差的特殊情况，并不代表偏心差的一般情况。华中科技大学硕士学位论文c( a )( b )图1 1( a ) 无偏心差透镜的偏心差( b ) 有偏心差( 2 ) 目前透镜偏心差的控制方法：透镜偏心差是由边厚差引起的。一块存在边厚差的透镜可以看成是由一块无边厚差的透镜，再附加上一块楔形镜组成( 如图l 一2 所示) 。ct图1 2 边厚差与偏心差的关系 ：笔l g 舭a所以苦= 要加警d式中t 一透镜边厚差；r 一球面曲率半径d 一透镜外圆直径；c 一透镜偏心差目前，在透镜的加工过程中，通常采用控制透镜边厚差来减小偏心差。边厚差的华中科技大学硕士学位论文控制主要在对透镜两表面的粗磨加工过程中进行的。抛光后通过定心磨边来矫正偏心差，由于粗磨后透镜两表面的位置已基本确定，而精磨和抛光对透镜表面位景的改变是极其有限的。这种通过在透镜表面粗磨加工过程中控制边厚差来减小偏心差相对来说有一定的盲目性。抛光后透镜的偏心差往往还是比较大的，甚至在定中心磨边时出现图1 3 所示的情况，这会给定心磨边带来一些不利的影响。如磨边量较大、易发生崩边、透镜外圆产生锥度、椭圆度等疵病，甚至外圆尺寸过小而使零件报废。定心接头( 3 ) 偏心差与中心偏的关系o l图1 3 透镜定心磨边图1 4 中心偏与偏心差的关系如图1 4 所示，首先按下述定义透镜表面中心偏和偏心差。中心偏：透镜两表面的曲率中心到透镜外圆几何中心轴线的距离，用e 表示。华中科技大学硕士学位论文偏心差：透镜两表面中心偏的代数和的绝对值，用c 表示。当透镜两表面曲率中心分布在透镜外圆几何中心轴线同侧时，c = j e l e 2 j 。当透镜两表面曲率中心在透镜外圆几何中心轴线异侧时，c = 陋+ 8 2 i 。对于一定的p 1 、p2 值，我们进行讨论：1 ) 当透镜两表面的曲率中心在其几何轴线异侧时( 图1 4 a ) ，c 值最大。这时定心磨边需要的磨削量大，易产生磨边疵病，这样不好。2 ) 当透镜两表面的曲率中心在其几何轴线同侧时( 图1 4 b ) ，c 值最小。这时定心磨边时需要的磨削量较小。可减少磨边疵病的发生。3 ) 当透镜两表面的曲率中心在其几何轴线同侧，且臼= p 2 o 时( 图l 一4 c ) ，c = o ，这时只要e 的值较小时，有可能不需要对透镜进行定心磨边。若e 值较大，需要定心磨边时，磨边情况也较理想。4 ) 当透镜两表面曲率中心在其几何轴线上时，p l = p 2 = o ，这是成型透镜偏心差最理想的情况。由上面的讨论可以看出：在透镜的加工中要控制好中心偏的大小和方向，才能有效地控制偏心差。1 。1 3 中心偏测量的一般方法中心偏测量一般在中心偏测量仪或定中心仪上测量【”。通常用的设备如下：( 1 ) 常用的定中心仪光学测量原理如图卜5 所示，光组3 是我们要检查的透镜，在光组2 的物方焦平面上放置一个十字线的分划板1 经过光组2 和要检查的透镜组3 ，十字象成在被检透镜的象方焦平面上。如果被检透镜的光轴有中心偏差，那末十字线成象在b 点而不是成象在一。处。令百i ：为一卵，b 点再经过光组4 成象后，十字线的象成在b 7 处，令曰7 f7 = 叩7 ，根据物象公式：象的大小= ( 显微物镜横向放大率) ( 物的大小)即而显微物镜的横向放大率由上两个公式可以得到玎7 = 叩卢= 等4华中科技大学硕士学位论文_ f ( 1 2 )卜十字分划板2 一准直物镜3 一被测透镜4 一显微物镜5 一测量分划板操作时待测透镜装在仪器工作台的三爪卡盘上。三爪卡盘的中心与准直管的光轴精确地重合，胶合透镜定中心时，只需将上面的正透镜相对下面的负透镜旋转，直至准直管十字分划线的象在目镜中观察不到其在移动，或其移动在显微镜的分划板上的公差范围内，即完成胶合透镜的定中心。如要测量中心偏就是测出旋转时划园的直径。( 2 ) 反射型小型多功能中心偏测量仪“”此仪器由成都光电所研制，测量原理为自准直原理。光学系统如图卜6 。 ， j8。_ 戥殛j 壑j j 盆l图卜6 反射型小型多功能中心偏测量仪光路图1 光源2 聚光镜3 十字分划板4 内调焦物镜5 附加透镜6 转向反射镜7 测量分划板8 保护玻璃9 测微目镜l o - 显微透镜光源1 发出的光波通过聚光镜2 照明有十字线的分划板3 ，通过内调焦物镜组4 和附加物镜5 后入射到被测透镜组上，由被测透镜表面反射，又一次通过物镜，返回十字分划板。十字线分划板像通过显微物镜1 0 和转向反射镜6 成像在测量分划板上，由测量显华中科技大学硕士学位论文微镜读出像的位置，计算出偏心量。调焦由测量头上下移动，手轮转动内调焦系统，变化光学系统放大倍率以求得清晰的像。放大倍数的确定由一整套调焦指示光学系统完成，它是一个计量显微系统。每次精确调焦时，内调焦物镜的活动组移动，调焦指示系统的分划尺随之移动，人眼通过指示系统的目镜可读出分划尺的移动量( 已转化成放大倍率) ，再手工记录放大倍率数值，并输入计算系统。当被测球面中心在调焦范围之外者，采用更换物镜进行，仪器配有九组附加物镜以满足不同物距的要求。仪器采用立式。( 3 ) 激光反射法中心偏测量”1长春光机学院采用激光法对红外热像镜组的中心偏进行了测量实验，测量系统采用c 0 2 激光作光源，自准直内调焦望远镜为成像光学系统，t g s 热释电热像仪接收信号。系统的光路及构造示意图如图卜7 所示。在图卜7 光路中除了1 3 和1 4 为可见光镜片外，其余透镜和反射镜均为红外透镜或红外反射镜，所用的红外镜片均为锗镜。c 0 2 激光由l 发出，经反射镜2 和衰减片3 ，由4扩束为发散光束，经反射镜5 进入测量镜筒。聚焦镜6 将发散光束聚焦并照亮指标板7 ，指标板是一块正面吸收、漫反射，背面全反射，中间开有十字线孔的金属板，其放置与光路成1 。的倾斜，为的是使经透射光路的指标像由被测镜面反射回来时能经显微镜8和反射镜9 ，被热像仪1 0 接收。1 6 和1 7 构成可调焦望远镜的物镜，1 7 为固定组，1 6 为可伸缩调焦组，焦点位置由连动的调焦标尺1 2 标出( 同时还可标出放大倍率) 。为了使读数值精确，设置了可见光源1 l 来照亮调焦标尺，经两倍显微镜1 3 和反射镜1 4 到达c c d 摄像仪1 5 ，读取标尺值。当由内调焦镜组出射的指标调焦在被测镜组的某一被测面曲率中心时，在该面上指标清晰明亮，经该面反射回内调焦望远镜系统时，反射光束带着该被测面球心与系统光轴的偏离信息，通过物镜1 7 ，1 6 和指标板7 、显微镜8 和反射镜9 进入热像仪。由于被测系统1 9 是可绕系统基准轴旋转的，当转动被测系统时，热像仪中的指标像因带有中心偏量信息而在视场中画弧( 大多数情况下只能看到圆的一部分) 找到圆弧，6华中科技大学硕士学位论文= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一：=显微镜8 可提供2 1 0 倍的可换件，以便容易地捕捉到中心偏比较大的指标像圆弧。指标像汇聚在哪个面上，在测量前是由系统设计者给出的，调焦距离指示值正是那些被测面顶点到系统顶点的距离。1 。图卜7 激光反射法中心偏测量光路卜c o 。激光器2 一反射镜3 一衰减片4 一凹透镜5 一反射镜6 一凸透镜7 一分光十字分划板8 一耦合物镜9 一反射镜l o 一热像仪1 l 一可见光光源1 2 一调焦分划板1 3 一显微镜1 4 一反射棱镜1 5 一c c d 摄像头1 6 一调焦物镜1 7 一固定物镜1 8 被洲透镜一个面1 9 - 被测透镜2 0 旋转工作台2 卜显示器2 2 一计算机1 4 课题来源及研究内容光学中心偏是光学仪器制造误差中一项对整机光学装配质量影响较大，同时也较难控制的误差。在光学系统中，中心偏的存在从根本上破坏了光学设计的理论基础一共轴理论，导致成像的像散性和畸变的不对称性。光学中心偏测量仪是检测光学系统，特别是精密光学系统( 如投影光刻机物镜、航测镜头、标准望远镜等) 中心偏不可缺少的测量仪器，它在光学透镜胶合、光学系统装校和检测中都起着重要作用。随着红外成像导引技术的发展，其导引头测试技术也成为当前国防军事发展的新需求。导引头光学头是其中的关键部件，其光学系统质量非常重要。光学系统成像质量除了像差设计保证外，最重要的是其镜头的加工和装配质量。7华中科技大学硕士学位论文本课题来源中国空空导弹研究院。本课题的任务是研制一套导引头光学系豌中心偏测量仪。要求测量红外导引头光学镜头每个面的中心偏，自动控制测量系统移动、自动控制被测件运动、自动采集数据、自动显示测量结果。课题的要求如下：( 1 ) 被测产品性能参数由透镜组件组成，光学面数：6 面；透镜球面半径范围：+ 1 咖+ 一；镜筒组合总高：4 5 ；入射通光口径：5 5 咖：( 2 ) 设备性能指标测试系统总体指标1 ) 中心偏测量精度：2 2 ) 在光学系统被测像面上的空间分辨率：0 0 2 咖c c d 摄像头图像象素：5 8 0 5 8 0图像采集卡1 ) n i 采集卡2 ) p c i 总线结构3 ) 基于n t 支持平台的驱动和开发程序包计算机系统1 ) p i 研华工控机2 ) 内存：2 5 6 m3 ) 显示器：1 7 ”纯平4 ) 主频：15 ) 硬盘：4 0 g激光打印机华中科技大学硕士学位论文打印机机型：h p l l l 5 以上转台及平台1 ) 转动范围：3 6 0 。2 ) 承载重量：1 0 k g3 ) 平台上放置平移台和光学系统，底座起支撑定位作用，产品夹具用于装夹固定产品，可以进行位黉调整，采用三爪夹具固定待测光学镜头。9华中科技大学硕士学位论文2中心偏自动测试仪的总体方案设计2 1 各种测量方法的比较前面( 1 ) 中所述方法是采用透射光照明j 主要用于胶合定中心，综合检查整个被检透镜组的光轴与测试仪器光轴是否重合；或者综合检查整个被检透镜组的光轴与镜筒外圆中心轴是否重合；或者是第一片透镜与仪器基准轴重合后，检查第二片透镜加入后光轴的变化，即第二片透镜相对于第一片的中心偏，它只能在透镜装配时或者是胶合时测量，不能对一个装配好了的透镜测量各个透镜之间的中心偏。这几种方法由于采用透射成像，无法对透镜的每一面测量中心偏。( 2 ) 所述的成都光电所研制的反射型小型多功能中心偏测量仪精度高，可以借鉴。但它是非自动化的，操作繁琐而且结构复杂，附加透镜太多。( 3 ) 采用激光法反射测量，这种方法虽然很好，但尚处于实验阶段，而且我们认为用激光作光源时狭缝十字的衍射可能对测量有影响，能量足够时最好不采用激光。本项目要求对透镜的每一面测量中心偏，只能采用反射式。2 2 1 可行性实验可行性实验的主要目的是确定系统能否找到被测透镜的球心像，反射式中心偏测量仪特别要注意的问题是反射的能量是否足够。根据菲涅尔公式，反射系数如式( 2 1 )0 = ( 押lc o s b 一玎2c o s 岛) “聆lc o s q + ”2c o s 岛)o = ( 胛2c o s b 一胛1c o s 吼) ( 2c o s b + 卯l式中，乙分别为垂直分量和平行分量的反射系数，射介质的折射率，岛、岛分别为入射角和折射角。设光束从空气垂直入射到玻璃上，h = 1 ，疗2 2 1 5 1 6 3 ，约为1 。代入式( 2 1 ) ，= ( m n 2 ) ( n j + ”2 ) = 一o 20 2 ( n 2 一_ ) ( 啊+ n 2 ) 2 0 2c o s 岛)( 2 1 )、栉：分别为入射介质与折b 、岛很小，c o s 鼠、c o s 吼1 0华中科技大学硕士学位论文有：i i 产r 2 = 0 0 4反射光光强i 与入射光光强i 。之比为0 0 4如果透镜由三分离透镜组成，忽略光的吸收，最后一个面的反射能量为：i i o = o 0 4 ( 卜o 0 4 ) ”2 = o 0 2 6透镜镀有增透膜，如果入射光的波长与增透膜的波长相同，反射光光强更低。如果不同，反射后能量是否足够要进行实验才能确定。我们要解决的是对于现在专用的测试对象，白光照明时反射能量是否足够。实验系统如图2 。1 ：r 一一曩：图2 1 可行性实验系统图1 一显微镜，2 一接收分划板，3 一分光镜，4 一负组透镜，5 一正组胶合透镜6 附加透镜，7 一被测透镜球面，8 一照明光源，9 一十字分划板光源8 为普通仪器灯泡，照明分划板9 。位于自准直仪准直物镜焦面上的十字线，通过准直物镜4 、5 成像在会聚物镜6 的焦面上，移动被测透镜，再微动它使透镜球心c 与十字像重合，光波在所对准的球面上返回，经分光镜到测微分划板上。此时通过自准直仪的目镜l ，在测微分划板2 上看到反射的十字像。本测试实验的被测透镜为红外导引头光学透镜，镜头由三分离透镜组成。我们用目视观察找到了五个面的像，还有一个像可能因为成像位置太远，没找到。亦可能因能量不够，现我们用的是6 伏5 的仪器灯泡作光源，只要增加o 2 的能量就可满足。以华中科技大学硕士学位论文上证明对于红外导引头光学透镜测量，此方法是可行的。2 2 红外物镜中心偏自动测试仪的总体方案2 2 1 设备主要组成该设备由光学系统、c c d 光电器件、电转台、采集卡和计算机等组成( 如图2 2 ) 。图2 2 设备系统组成框图光源发出的光经光学系统后照射到被测件上，再对经被测件光学面反射回的光线进行汇聚，c c d 光电器件对汇聚的像点进行探测旧，采集卡将探测的数据进行采集并传输到计算机，由计算机对采集的数据进行处理并计算出被测光学组件的中心偏。2 2 一仪器结构( 1 ) 光学测量头如仪器结构示意图2 3 ：1 、附加物镜；2 、附加物镜转换器：3 、调焦标尺；4 、华中科技大学硕士学位论文调焦手轮：5 、c c d 摄像头；6 、c c d 摄像头调整锁紧螺钉；7 、照明分划切换插板；8 、仪器照明光源及电源( 2 ) 电控位移导轨图2 3 光学测量头结构示意图圈2 4 电控位移导轨实物图华中科技大学顽士学位论文= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 2 = = = = = = = = 一( 3 ) 测量转台图2 5 测量转台实物圈2 2 3 自动测量方案( 1 ) 调焦的自动控制方案：我国一般的中心偏测量仪的精确调焦方案都与成都光电所研制的小型多功能中心偏测量仪相似。测量头固定不动，移动内调焦光学系统的活动组，微调测量系统的放大倍率，使从被测球面返回的光束聚焦成像在分划板上。这种方法由于改变了放大倍率，必须通过一套调焦指示系统读出放大倍率并记录其数值，通常调焦指示系统不是自动显示的，一个光学镜组有几个面组成，读数和记录量很大。3 。本测量仪由于设计任务书中没有要求采用自动化的调焦指示系统，故可以采用软件判别，手动式调焦，机械游标读数来实现。但是，我们测量头的移动是计算机控制的。精调焦能否由计算机控制呢? 在一般的显微镜中，如万能工具显微镜，它测量时放大倍率是固定的，粗调和精调全由测量头移动来实现。我们在可性行实验时精确找像是用被测透镜移动进行的，没有改变测量系统的放大倍率，因此，中心偏测量的精调不改变放大倍率，而改用移动测量头来实现是可能的。由于我们的移动系统是自动化的，我们可以控制测量头左右移动实现精调焦，只须电动位移台的步距能足够小。像的清晰度由人眼判别改为自动判别，采用c c d 【1 0 1 成像系统采集信号，通过计算软件的数据处理，计算出十字像的位置在何处时像线最清晰【1 1j 。1 4华中科技大学硕士学位论文电荷耦合器件c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) 是一种新型的半导体成像器件，是在大规模集成电路工艺基础上研制而成的一种新型m o s 型集成电路芯片“”。它能存储由光产生的信号电荷。当对它施加特定时序脉冲时，其存储的电荷便能在c c d 内做定向传输而实现自扫描输出。它具有体积小、分辨力高、精度高、性能稳定、坚固、抗振动、抗电磁干扰等特点“。c c d 现已经广泛应用于工件尺寸测量、工件表面质量检测、物体热膨胀系数检测阻及图像传真、摄像机、智能传感器等方面“4 “。图2 6c c d 摄像头实物图光电测量系统的关键。本测试仪对十字丝像进行图像处理，求得清晰十字丝像，左右微调内调焦组，由十字线的最清晰位置确定调焦的正确性。本测量仪最后改用计算机控制的调焦方案，由图像处理软件给出要求，控制系统控制测量头左右移动，达到精确调焦。加进这种方法后，整个测试工作有可能全部自动化，只要启动可完成整个测量。( 2 ) 粗调位置的预先确定反射式光学中心偏测量仪下面球面的反射像的轴向位置与上面每一个球面的半径有关，与上面每一片透镜的焦距有关。仅仅靠调焦找像由于像分稚的位置不知，寻找很困难；同时，由于被检透镜的每个面都有像，经常发生误判，即使只有两片透镜，找到下面一片的两个像后，再加入一个镜片放在上面，前面找的两个像的位置就变了，最后有4 个像。找到了四个像，由于成像关系，像的前后位置与实际上的4 个球心位置的次序不一定致。每一个像对应的球面并不知道，所以要计算像的位置。根据被检透镜的参数，计算出其位置，移动测量头调焦对准。华中科技大学硕士学位论文( 3 ) 用图像处理判断象点位置是否准确“由于预先已输入被检测透镜的参数，可以推算出像点的大致位置。但如果要判断其准确的位置，还需要图形处理系统的自动判断。我们预先计算出粗略的位置，然后在此位置点以慢速前后移动导轨，c c d 接收到的十字像将会出现从边缘模糊到边缘清晰的不断转化。我们设计一个图像处理软件，自动判断出当导轨移动到何位置时其十字像最清晰。而此位置，就是我们要调节导轨所处的精确定位点“。2 2 _ 4 指标自准像形状的确定为了便于图像处理时识别出指标像的特征，一般都将指标像设计成特征明显的十字像。由于c c d 的接收面及光学系统的视场都是有限的，当被测透镜的中心偏过大，或者安装时被测透镜的光轴与基准轴不是完全重合时，指标自准像的划圆半径就会过大而超出视场之外，从而导致找不到像，故而将指标像设计成如图2 7 形状。由于各个十字之间的相对位置固定，只要在视场中出现一个十字，再知道它的相对关系，便可推断出中心十字线的位置。如果指标像仅是单个十字像，我们只要对图像微分，提取出十字线的边缘信息，再利用哈夫变换，分别提取出十字线的两条线，再求出他们的交点，便可确定十字线的中心位置。然而随着十字线的增多，以及这五个十字线有可能仅有其中的一部分在视场之内，给图像处理增加了一定的复杂性。但是，通过对图像初步提取，再利用已知的信息加以判断来消除误判，中心提取的正确性会大大增强。+ + + +图2 7 十字像图2 3 光学测量原理测量头光学系统如图2 8 。华中科技大学硕士学位论文图2 _ 8 实验系统光路图1 光源2 - 十字分划板3 一分光棱镜4 准直物镜5 会聚物镜6 转向反射镜7 被测透镜8 标尺分划板9 耦合成像透镜1 0 c c d 摄像头1 1 孔径光栏1 、2 、3 、4 、5 、8 、9 、1 0 共同组成光学测量头。其中光源l 为普通仪器灯泡，照明十字分划板2 。位于自准直仪准直物镜焦面上的十字线，通过准直物镜4 成像在会聚物镜5 的焦面上。光波在所对准的球面上返回，经分光镜到标尺分划扳8 上。此时通过耦合成像透镜9 ，反射的十字像在c c d 接收屏1 0 上成像。控制旋转台带动被被测透镜7 进行旋转，转动一定角度后停下采集图像，并对采集到的图像进行图像处理，提取出指标像的位置。如此测量软件依次取得三个点，拟合成一个圆，从而计算出指标自准像的划圆圆心和半径。根据划圆半径计算出该透镜面的实际偏心量。图2 9 光学测量头实物图华中科技大学硕士学位论文2 4 中心偏的计算2 4 1 测量中心偏的几种基本配置如图2 一l oa 测凸半径b 测负球心像剞附带褂c 测凹半径图2 1 02 4 _ 2 像点轴向位置的递推公式d 测正球心像中心偏的几种配置图2 1 1 光在单个球面上的折射p ：物点p ，：像点l ：物距l ：像距n ：空气折射率n ：镜体折射率c ：镜面球心r ：球面曲率半径h ：垂轴线段u 、u ：光线与光轴的夹角妒：光轴与法线的夹角单球面近轴光折射计算( 1 ) 物像关系“”近轴光折射定律应改为：刀，= 村( 2 2 )1 8华中科技大学硕士学位论文根据三角关系肝( 妒一“) = ( 妒一“)( 2 3 )因为姆c 训= 与“吲、船= 争= 争n p = 睾“p代入得到物像共轭关系式托二_ n丁一了2 _( 2 4 )= 篑( 2 _ 5 )( 2 ) 对于一个已知的共轴球面系统，利用近轴光学的基本公式，可以求出任意物点的理想像。设一个共轴球面光学系统由k 个面组成，其成像特性由下列结构参数确定：1 ) 各球面的曲率半径_ ，屹，2 ) 相邻球面顶点间的间隔西，吐以一其中峨为第一面顶点到第二面顶点间的沿轴距离，其余类推。3 ) 各面之间介质的折射率n ，”：，仇。其中确为第一面前( 即物方) 的介质折射率，仇+ 。为第k 面后( 即像方) 的介质折射率，拧：为第一面到第二面间介质的折射率，其余类推。由于某一面的像方空间就是其后一面的物方空间，因此，该面的像就是其后一面的物。据此有门2 = 胛：，行3 = 挖：，以女= n ：一1甜2 = 甜：，“3 = “：，一，“七= “：一ly 2 = 叫，_ y 3 = 必，y i = y ：一1( 2 6 )后一面的物距与前一面的像距之间的关系为：，2 = 巧一儡，3 = 巧一，厶= 一。一以一，( 2 7 )利用过渡公式，可以得到系统的横向放大率为各面放大率之乘积：= 届屁展( 2 8 )最后的像点位置亦可求出。1 9华中科技大学硕士学位论文上面我们讨论的都是透射。只有我们要测中心偏的那个面是反射。反射定理是折射成像定理中的特例。有：玎= 一在争孚= 竿帆l _ r ，一n可知：f kr 因此，我们可以省去第一面象点位置及放大倍率的计算。把被测面上面的面为第一个面，以 = r 一4 作为初始数据开始计算。2 4 3 中心偏的递推公式测定整组物镜各镜面的偏心大多数是采用自准反射旋转法。这种测量方法是把被测光学系统放置在仪器的基准轴工作台上，并使被测光学系统的光轴与基准轴轴线基本重合。首先把指标十字像投影到待测的第i 面曲率中心附近的位置上，然后考察指标自准像在仪器分划扳上的偏移情况。由指标自准像的偏移而得出各面球心的偏量。当基准轴工作台连同被测光学系统旋转时，即使第i 面没有中心偏，但第i 面之前的各面中存在有偏心的球面，也会观测到指标十字像的划圆。当测量第i 个面的中心偏时，我们令指标像只成像于轴向位置在第i 面的的球心附近的基准轴上。若各个透镜均没有中心偏，则光线在第i 个面上沿原路返回。故指标自准像尸与指标像_ p 重合。由于指标像在基准轴上，故在这种情况下当被测透镜绕着基准轴旋转时指标自准像不划圆。只要有一个透镜有中心偏，指标自准像p 与指标像p 便不重合，旋转时指标自准像便会绕着基准轴划圆运动。根据指标自准像的划圆半径的大小，便可计算出中心偏。假设在理想情况下，我们从第i 个面往第一个面推导，可依次得到放大率( 为测量第i 个面时第j 个面( _ ，f ) 在成像过程中的放大率) 。由于球面反射镜反射成像时有式寺+ ；= 吾和= 一等，且有指标像的轴向位置在第i 面的球心附近，故有2 ，所以由成像公式得= r ，肌。= 一1 。当测量第一个面时，入射光线仅经过第一个面的反射，然后直接进入测量头成指华中科技大学硕士学位论文标自准像，我们根据矢量图( 图2 1 2 ) 计算：丽土：帝辛币= 一万，所以当被测m 1透镜绕着基准轴。旋转时，划圆半径正= 历= 2 丽，所以石丽= o 5 五。厂、l彳押，1i( p )7p丝分1 心少图2 一1 2 中心偏矢量图图2 一1 3 前面的中心偏对后面的影响当测量第二个面时，光线首先经过第一个面的折射，再经过第二个面的反射，然后又经过第一个面的折射，进入测量头成指标自准像。考虑到第一个面的偏心对第二个面的影响，故有下式( 参见图2 一1 3 ) ：一1一一一【( g o x + o q o q ) + o q o 印。鸦，+ o 口= 夏脏，。一j 砸：竖型堕( 2 9 )7 吃1同理，可推得石瓦：竺：! 墨二( ! 二! i ! 兰型二竺i ! ( ! 二坠! ! 堡垒d 0 =。一、一-_-一o 霉( 1 一也1 ) o q 一哪i ( 1 一佩2 ) o q 一螺l 珥2 。嘎( f _ 2 ) ( 1 一佴) ) d q( 2 一l o )弼1 嘲2 一哪( ，j )式中，0 q 表示第i 面的偏心量；m ：，表示测量第二个面时第一面的横向放大率；豫。，m ，：分别表示测第三个面时第一、第二面的横向放大率。依次类推，先从第一面开始测出五然后求出i ，然后再测出疋，由疋及0 q 值求出0 0 2 。依次类推，最后测出正并由od 1 ，o d ：o d ( 。) 求出od f 。华中科技大学硕士学位论文2 4 4 测量方程设在c c d 上测得某面的中心偏的圆半径为r ，r 与实际偏心量e 的关系为：r = 2 p p 卢- 声”( 2 一1 1 )其中b 为该面中心偏经过位于其前面的被测透镜个面的放大倍数；为光学系统前部的放大倍率，即测量头会聚物镜焦距与准直物镜焦距之比：”为耦合透镜的放大倍率；式中的2 是因为反射引起的角放大。当光学测量头采用f7 = 2 2 0 的会聚物镜时，我们测得间隔线间隔为2 0 0 0 2 m ，间隔线有5 5 1 个象元，即每个象元代表2 5 5 l = 3 3 6um 。设测得圆半径占得象元数为n ，则式r = 2 口。p ”可写为：e ：业( 2 一1 2 )驺2 5 影响测量精度的关键因素的分析2 5 1 旋转轴线的误差精密机械中的轴系在旋转过程中要求有较高的回转精度。“_ 2 2 ”1 ，其精度一般用轴系的轴线位置变动量来表征。在理想情况下，轴身旋转的中心线应该与套简的中心线重合。可是由于轴心吻合度存在误差，就会产生轴线的误差。而旋转轴实际回转轴线的变动可分为轴向窜动s ，径向移动c ，轴线角度摆动y 。轴线的误差又分为两种，一种是径向间隙误差，另一种是轴的晃动产生的误差1 。( 1 ) 径向间隙误差( 图2 一1 4 )旋转轴在任一轴向位置时，旋转轴实际回转轴线的单径向偏移与旋转轴轴线角度摆动所引起轴心径向偏移之和为：c = c o + ，。r 非( 2 1 3 )式中c 0 为旋转轴旋转在任一轴向位置时，实际回转轴线的径向偏移；为轴线摆动角y 顶点至旋转轴端面之距离；f 表征旋转轴线对理论轴线的径向偏移程度。华中科技大学硕士学位论文理论轴线实际轴线圈2 1 4 径向间隙示意图( 2 ) 轴的晃动误差( 图2 1 5 )旋转轴实际回转轴线对转轴理论轴线的纯角度摆动量，称为晃动误差，即为定向误差，表征实际回转轴线对给定方向的偏移量。理论轴心实际轴心幽2 1 5 轴的晃动示意图2 5 。2 放大倍率误差的影响；因为用内调焦望远镜调焦时，当调焦透镜所处位置不同时，焦距不相同，物像距也不相同，放大倍率不同。放大倍率可以计算，但我们不可能对每一面进行校准，所以会带来较大的放大倍率的误差。因此我们采取使用一个固定放大倍率，准确定标，测量头中的调焦透镜位置固定不变，而测量头整体移动的方案来避免放大倍率误差对测量结果精度的影响。2 5 3 光轴的倾斜和位移的影响影响光电自准直系统精度的因素很多，包括信号源、光学机械、电学系统和环境因素的影响。作为一般的光电自准直仪，主要在实验室使用，环境相对稳定，其仪器误差主华中科技大学硕士学位论文要来自自身的信号源、光学机械、电学系统等。”。导轨的直线度不好，也就会产生光轴的倾斜或者位移。因此，c c d 所采集到的图像并不会完全处于中心位置”1 。如果任意取两点来计算偏移量，就会随之产生精度误差。在本测量仪的设计中，我们采取的是取圆直径来计算偏移量。不管中心偏移量有多大，我们旋转输入的光信号，其轨迹将形成一圆形。只要求出圆形的直径，就能得到其光学中心的偏移量“。因此，光轴位移产生的误差不会影响到精度的计算。2 5 4 瞄准读数精度对于瞄准读数来说，可以通过以下几个方面来提高其精度：( 1 ) 放大倍数放大倍数越大，所产生的图像也越大，越能精确的定位图像，精度也越高。( 2 ) c c d 摄像头的参数“1c c d 的像元越小，单位面积上接收的信号越多，精度越高。另外，c c d 像元的均匀性误差很小，可以忽略。( 3 ) 透镜成像质量光学透镜的成像质量越好，越能投出清晰的影像，其读数精度也将越高。在测量系统中，球差和畸变对透镜成像质量的影响最大，在光学设计中应重点考虑“。图2 1 6 作者与测试仪华中科技大学硕士学位论文3 1 系统功能模块图3 软件设计一个完整的测控系统应该是硬件和软件的结合体，两者相辅相成，缺一不可。硬件是仪器各项功能实现的母体部分，软件用来协调各硬件之间的工作关系，让硬件按照人为的意图执行各种操作。我们设计的系统集成软件功能模块图见图3 1 。集j 袁控制系坑光路设置li 控制景设置li 测量设置il 数据处理il 中心恫计算ll 退出3 2 数值计算处理软件图3 1 集成软件功能模块3 2 1 软件运行及开发环境本系统的开发环境为v c 。v i s u a lc + + 是微软公司推出的c + + 集成编译环境，以其优良的编译器和功能强大的m f c 可视化编程库在c + + 业界赢得了广泛的使用。通过m f c 可视化类库能够设计出优秀的人机交互界面，方便软件系统的操作使用。另外v i s u a lc + + 集成编译环境具有良好的编译调试功能，能对软件系统设计的质量提供了可靠的保证【3 2 j 3 3 j 3 4 j 3 引。3 2 2 计