透鏡光電自動定心裝置的製作方法

2023-11-05 09:43:42 1

專利名稱：透鏡光電自動定心裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型是一種透鏡自動定中心的裝置。用於透鏡磨邊自動定心，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，生物工程和雷射技術的發展，對光學零件精度的要求越來越高。各種高性能物鏡成象解析度要求達到衍射極限，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公司研製的透反射式雷射幹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製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製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採用的方案，對中心誤差信號的光電變換及處理方法，幾乎都是用四象限矽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。由於直流放大器零飄與噪音的影響，難以獲得高穩定性與高靈敏度。上述最後一種國產定心儀，採用了機械調製選頻放大，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解析度達到衍射極限，中心誤差達1″－2″。在定心過程中能自動監測並通過閉環伺服系統隨時自動調整偏心差。
本實用新型是一種採用光電法實現透鏡精密自動定心的裝置。它應用雙坐標閉環伺服微動系統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，四束分光調製與光電變換系統，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光學系統簡圖，給出了X和Y方向光路。圖中1四面體稜鏡，2直角稜鏡，3調製物鏡，4調製盤，5、9反射鏡，6、10透鏡，7、11會聚稜鏡，8、10光電元件。
圖3為光電變換後的電信號波形圖。
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)，經四面體稜鏡分成四束。機械調製盤把四束光調製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，反饋給壓電陶瓷伺服機構，對被定心光學元件進行調整。電子學放大系統包括前置放大(三極體二極放大)，調諧選頻放大，濾波，雙T選頻放大，檢波，直流放大等。
圖2是光學系統簡圖。四面體稜鏡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°。經過四個直角稜鏡2和調製物鏡3，同時到達調製盤4上。調製盤結構形狀為半圓均勻開二十個槽，另半圓有180°環形槽。因此，當同步電機驅動調製盤旋轉時，X向與Y向的兩束光依次輪番通過機械調製盤，分別獲得一組調幅信號。其後兩組光束分別經過反射鏡5、9，透鏡6、10，會聚稜鏡7、11，最後分別會聚於光電元件8、12上並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為調製信號。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向作向前或向後的微動，實現自動定心。定好心後，偏心信號趨於零，反饋壓電趨於零，伺服機構停止工作。如果系統工作在開環狀態，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。完成定心後，電氣系統自動給出脈衝信號，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稜鏡，具有四個鋒利的分光稜邊，二面角為90°，由光電玻璃拋光鍍膜製成。採用的對稱四光路分光調製光學系統中，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並且對稱，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。壓電陶瓷微動計採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範圍的微動。機械測微計為差分螺旋，格值1μm，測量範圍可達±2mm，壓電微動範圍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，在工具機上自動定好心後，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採用四面體稜鏡分光，並進行機械調製後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。由於伺服微調偏心差機構採用壓電陶瓷微動計比用伺服電機驅動絲杆－－絲母機構靈敏度高几個數量級，而且動態性能好，工作穩定。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測。具有四自由度的微調偏心機構，可先後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。工具機採取組合式結構形式，空氣軸承主軸17由電機及球形無級變速器18驅動(變速範圍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，用於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與工具機底座分開，考慮隔振。在主軸13上端固定有卡盤21，用於安裝壓電陶瓷伺服微調偏心裝置。
本工具機用於對偵察衛星照像機鏡頭，航射物鏡等大型精密鏡頭的裝配定中心，也可以用於膠合定中心或磨邊定中心。加工範圍最大工件尺寸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；空氣軸承迴轉精度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，伺服系統組成的，其特徵在於光電轉換系統是由四面體分光稜鏡、機械調製盤、光電元件及電子學放大器等組成的，伺服系統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，其特徵在於四面體分光稜鏡具有四個鋒利的分光稜邊，二面角為90°，由光電玻璃拋光鍍膜製成。
3.根據權利要求2所述的透鏡光電自動定心裝置，其特徵在於偏心差信號分成四路，X向兩路，Y向兩路，光電轉換後同時進行電子學放大，輸給伺服系統。
4.根據權利要求1所述的透鏡光電自動定心裝置，其特徵在於壓電陶瓷微調偏心機構採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，其特徵在於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，其特徵在於透鏡座調好偏心後的定位裝置採用雙向電磁吸盤。
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。其主要技術特徵是採用四面體稜鏡作二坐標分光、調製，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於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 優先權日1988年1月26日
發明者周長新 申請人:中國科學院長春光機所