專利名稱：透鏡光電自動定心裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型是一種透鏡自動定中心的裝置。用于透鏡磨邊自動定心，膠合自動定心以及鏡頭裝配過程中的定中心。
近代空間光學，微電子學，生物工程和激光技術的發(fā)展，對光學零件精度的要求越來越高。各種高性能物鏡成象分辨率要求達到衍射極限，其透鏡中心誤差要求達每秒數量級。為提高生產率，減輕勞動強度，還要求定心工藝過程自動化。因此，國內外都十分重視高精度定心儀器的研究，許多不同類型的光電定心儀應運而生。如英國Sira和Ealing－Beck公司生產的Sira－Beck光電定心儀，精度為10″(Sira和Ealing公司產品樣本)；美國BauschLomb公司研制的透反射式激光干涉光電自動定中心裝配儀，精度為8″(美國專利3，542，476)；法國光學理論與應用研究所研制的反射式光電定心儀，定心精度可達5″(法國專利N2，430，534)；中國科學院長春光學精密機械研究所研制的數字式光電定心儀，定心精度3″(中國專利CN85，101，621A)。上述前三種國外的定心儀所采用的方案，對中心誤差信號的光電變換及處理方法，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，差分放大對頂角兩個象限光電信號之差。由于直流放大器零飄與噪音的影響，難以獲得高穩(wěn)定性與高靈敏度。上述最后一種國產定心儀，采用了機械調制選頻放大，數字顯示，比國外同類型儀器精度與靈敏度和性能有了顯著的提高，但只是雙光路單坐標測量，不是四光路雙坐標測量，不能實現自動定心。
為了克服上述透鏡定心儀的缺點，滿足航攝鏡頭，衛(wèi)星照像機鏡頭等定心工藝的要求，本實用新型提供了一種精度比較高，完全自動的透鏡定心裝置。利用本實用新型定心的鏡頭成象分辨率達到衍射極限，中心誤差達1″－2″。在定心過程中能自動監(jiān)測并通過閉環(huán)伺服系統(tǒng)隨時自動調整偏心差。
本實用新型是一種采用光電法實現透鏡精密自動定心的裝置。它應用雙坐標閉環(huán)伺服微動系統(tǒng)自動調整透鏡的中心與基準軸的偏離，達到高精度定心，它由光學定心器，四束分光調制與光電變換系統(tǒng)，電子學放大及壓電陶瓷伺服微動機構等組成。


圖1為本實用新型的原理框圖。
圖2光學系統(tǒng)簡圖，給出了X和Y方向光路。圖中1四面體棱鏡，2直角棱鏡，3調制物鏡，4調制盤，5、9反射鏡，6、10透鏡，7、11會聚棱鏡，8、10光電元件。
圖3為光電變換后的電信號波形圖。
圖4為空氣軸承裝配車床結構示意圖。圖中13光電定心儀，14縱向溜板，15刀架，16橫向溜板，17主軸，18變速器，19磨頭架，20立柱，21卡盤。
定心的光學元件，通過一個反射式光學定心器，測出定心透鏡球心反射象，作為偏心信號(圖形光斑)，經四面體棱鏡分成四束。機械調制盤把四束光調制成具有一定頻率調幅信號，經過光電元件轉換成電信號。電信號經過電子學放大系統(tǒng)，反饋給壓電陶瓷伺服機構，對被定心光學元件進行調整。電子學放大系統(tǒng)包括前置放大(三極管二極放大)，調諧選頻放大，濾波，雙T選頻放大，檢波，直流放大等。
圖2是光學系統(tǒng)簡圖。四面體棱鏡1把從光學定心器輸出的偏心差信號分成四路，X向兩路，Y向兩路，空間相差90°，每兩路相差180°。經過四個直角棱鏡2和調制物鏡3，同時到達調制盤4上。調制盤結構形狀為半圓均勻開二十個槽，另半圓有180°環(huán)形槽。因此，當同步電機驅動調制盤旋轉時，X向與Y向的兩束光依次輪番通過機械調制盤，分別獲得一組調幅信號。其后兩組光束分別經過反射鏡5、9，透鏡6、10，會聚棱鏡7、11，最后分別會聚于光電元件8、12上并由此分別輸出一組調幅電信號，波形如圖3所示，A為載波信號，B為調制信號。電信號通過前置放大和電子學放大，對X向和Y向的兩套壓電陶瓷伺服機構(壓電陶瓷微動計)給出反饋直流電壓。利用壓電陶瓷的變形(伸長與縮短)，自動推動定心透鏡承座沿X向或Y向作向前或向后的微動，實現自動定心。定好心后，偏心信號趨于零，反饋壓電趨于零，伺服機構停止工作。如果系統(tǒng)工作在開環(huán)狀態(tài)，可以用直流高壓電源對壓電陶瓷饋電，或者用與陶瓷串聯的機械測微計，調整透鏡承座位置，由微安表(μA)指示偏心差大小與方向，直到微安表指零。完成定心后，電氣系統(tǒng)自動給出脈沖信號，接通上下兩個電磁吸盤磁繞組。由電磁吸力固定上承座與中間承座，使透鏡位置固定(透鏡與承座膠結成一體)。
所用的分光元件為四面體棱鏡，具有四個鋒利的分光棱邊，二面角為90°，由光電玻璃拋光鍍膜制成。采用的對稱四光路分光調制光學系統(tǒng)中，各光學元件所鍍的增透膜與反射膜應保證最大限度的提高通過的光能并且對稱，中心波長為8600
。
所用的壓電陶瓷伺服微調偏心裝置是一個具有四個自由度的微調偏心機構，既可使透鏡承座沿X軸與Y軸作平移，又可使其繞X軸與Y軸作轉動。以此分別調整透鏡兩個球面的球心與一個精密旋轉基準軸重合，在旋轉中自動定中心。壓電陶瓷微動計采取壓電陶瓷與機械測微頭串聯的方式，使得可適應大小不同范圍的微動。機械測微計為差分螺旋，格值1μm，測量范圍可達±2mm，壓電微動范圍0.004μm－4μm。
四自由度微調偏心機構是以轉動為基礎的平移機構，透鏡承座固結在上層平移銜鐵上，由兩個壓電陶瓷微動計推動它在中間承座(上磁軛)作兩個垂直方向上的平行移動。由四個對稱分布成90°的彈簧的推挽作用限制其方向與復位。中間承座與轉動銜鐵一起壓在球面支承座(下磁軛)上通過兩個壓電陶瓷微動計推動，繞兩個正交軸旋轉。透鏡與鏡框外圓用室溫固化膠連結，在機床上自動定好心后，用金鋼石車刀車鏡框外圓，既完成一組鏡頭的定心。
本實用新型對偏心差信號采用四面體棱鏡分光，并進行機械調制后再光電轉換進行載波選頻放大方案，可提高訊噪比，能夠在X－Y兩個坐標上同時獲得偏心差信號，以便實現X－Y雙坐標同時自動調偏心。由于伺服微調偏心差機構采用壓電陶瓷微動計比用伺服電機驅動絲桿－－絲母機構靈敏度高幾個數量級，而且動態(tài)性能好，工作穩(wěn)定。本實用新型可以實現自動定心，提高工作效率，實現遠距離操作，甚至無人操作自動監(jiān)測。具有四自由度的微調偏心機構，可先后對透鏡兩個球面調偏心，因而不用在透鏡承坐上車精密定位基面，減少了此工序帶來的誤差。本實用新型為立式安裝工作，解決了大型精密鏡頭(如φ300mm)的定中心。
實現本實用新型的最佳實施方案根據本實用新型設計的光電自動定心立式空氣軸承裝配車床結構示意圖如圖4所示。機床采取組合式結構形式，空氣軸承主軸17由電機及球形無級變速器18驅動(變速范圍320－2800轉／分)，刀架15由橫向溜板16與縱向溜板14帶動作進給運動，完成車外圓，車端面，倒角等工序，立柱20上固定光電定心儀13，可以上下移動，對準球心反射像的位置，側面裝有空氣磨頭架19，用于光學零件的磨邊或磨端面，也可以磨金屬鏡筒。磨頭還作上下往復運動。變速器18與機床底座分開，考慮隔振。在主軸13上端固定有卡盤21，用于安裝壓電陶瓷伺服微調偏心裝置。
本機床用于對偵察衛(wèi)星照像機鏡頭，航射物鏡等大型精密鏡頭的裝配定中心，也可以用于膠合定中心或磨邊定中心。加工范圍最大工件尺寸φ400
300mm；半徑R－∝至＋∝；機械加工精度零件外圓不圓度≤0.5μm；透鏡定中心精度2μm；空氣軸承回轉精度0.1μm；角度幌動0.5″；徑向與軸向剛度 10Kg／μm；負載50Kg。用金剛石車刀切削，可實現微進給，進給速度，橫向0.05－10mm／轉；行程200mm；縱向5μmμ～10μm／轉，行程300mm。
權利要求1.一種透鏡光電自動定心裝置由光學定心器，光電轉換系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)組成的，其特征在于光電轉換系統(tǒng)是由四面體分光棱鏡、機械調制盤、光電元件及電子學放大器等組成的，伺服系統(tǒng)為四自由度壓電陶瓷微調偏心機構。
2.根據權利要求1所述的透鏡光電自動定心裝置，其特征在于四面體分光棱鏡具有四個鋒利的分光棱邊，二面角為90°，由光電玻璃拋光鍍膜制成。
3.根據權利要求2所述的透鏡光電自動定心裝置，其特征在于偏心差信號分成四路，X向兩路，Y向兩路，光電轉換后同時進行電子學放大，輸給伺服系統(tǒng)。
4.根據權利要求1所述的透鏡光電自動定心裝置，其特征在于壓電陶瓷微調偏心機構采用壓電陶瓷與機械測微計串聯，機械測微計是格值為1μm的差分螺旋。
5.根據權利要求4所述的透鏡光電自動定心裝置，其特征在于壓電陶瓷微調偏心機構是以轉動為基礎的平移機構，轉動機構為球面支座，平移機構為彈簧推挽無導向直線位移機構。
6.根據權利要求1所述的透鏡光電自動定心裝置，其特征在于透鏡座調好偏心后的定位裝置采用雙向電磁吸盤。
專利摘要本實用新型是一種透鏡自動定中心的裝置。主要是為了解決透鏡自動定心的精度與靈敏度。其主要技術特征是采用四面體棱鏡作二坐標分光、調制，通過測量X、Y兩個方向的偏心差信號，反饋至壓電陶瓷伺服微調機構，自動調整透鏡偏心差。本實用新型的用途主要用于大型精密透鏡的膠合、裝配、自動定中心。
文檔編號G02B7/02GK2031931SQ8820101
公開日1989年2月1日 申請日期1988年1月26日 優(yōu)先權日1988年1月26日
發(fā)明者周長新 申請人:中國科學院長春光機所