反射式中心仪的原理和精度分析

反射式中心仪的原理

和精度分析

一. 中心偏的概念

二. ZDRC 反射式中心仪原理和透射中心仪的原理以及它们的区别

三. 精度分析

一． 中心偏的概念

光学系统是有多个透镜组成， 每个透镜有两个球面， 每个球面有自己的球心， 理论上要求光学系统装配完成后每个球心都落在一根线，这根线就是所谓的“光轴”。

     上图为一光学系统， 共有六片透镜， 其中两个是双胶合镜，一共有12个球心， 假定胶合面的胶合定中已经完成，则有10个球心， 如果10个球心均已经落在一条轴线上（绿色），这个轴就是光轴。

如果装配用的金属件和镜片磨边外圆相配的圆相互之间是同心的，同心圆的连线是机械轴。它是一个基准轴。

每个镜片的磨边外圆和它的光轴都是重合的，如图1。装配到镜座内是无间隙的，那么装完后的透镜

是无偏心的。

       图1

镜片的磨边外圆和它的光轴是不重合的，如图2。那么装完后的透镜是有偏心的。

图2

在单个透镜每个面的偏心量的大小是以磨边的外圆为基准的。

在图2中就是dC1 和 dC1  ， 这里的偏心量是以线量来表示的。如果要以角量来表示，需要各自除以半径，分别是：

这里r 线量到角量的转换系数。

从这里可以看出，一个透镜每个面具有不同的偏心量。

二． ZDRC 反射式中心仪原理和透射中心仪的原理以及它们的区别

  （1）反射中心仪原理

图3  反射法测量凹面偏心

图4  反射法测量凸面偏心

图3是反射法测量偏心的原理，

1． LED灯照射到十字分划板上，分划板上十字的通过显微物镜，置换物镜成像在凹面透镜的球心，球心经过凹面反射成像原路返回。

2． 如像图5a 所示，凹面的球心落在磨边外圆的球心上，则分划板上的十字经过凹面反射成像落在球心上，当被测凹面饶磨边外圆的旋转中心旋转时，反射像是不转的，严格的说反射像的转动半径为零。也就是无偏心。

3． 如像图5b 所示，凹面的球心不落在磨边外圆的球心上，则分划板上的十字经过凹面反射成像不落在球心上，当被测凹面饶磨边外圆的旋转中心旋转时，反射像是转的，说明有偏心存在，转动半径的大小代表了偏心的大小。

   反射法测量的原理就是要测出转动半径的大小。当偏心存在时， 被测透镜绕基轴旋转时，十字像跟着旋转，被置换物镜，显微镜物镜放大成像在刻线分划板上， 刻线分划板按型号和精度的要求再成像在CCD上，使监视器上的十字线跟着旋转。

   图4是反射法测量凸面偏心的示意。

系统中置换物镜的作用 ¾ 系统中不同的置换物镜是为了满足测量透镜工作的要求，当测量透镜上表面为凸面时，置换透镜焦距必须大于透镜表面半径。图6为示意说明。

（2）透射中心仪原理

图7是透射式中心仪的示意图

图7  透射法测量透镜偏心

透射式中心测量是用透射光照明被测透镜，观察被测透镜焦点的偏心情况。

1． 照明系统照射到十字分划板， 准直透镜

经分划板的像成像在无穷远，通过被测透镜将十字分划线成像在透镜的焦点上。

2． 如果透镜存在偏心，此时焦点的位置偏离

透镜磨边外圆的轴上，如图8所示。十字分划线成的像也偏离磨边外圆的轴。当透镜绕基轴旋转时， 十字分划线跟着旋转，旋转半径的大小代表了偏心量。

3． 其后的系统和反射中心仪类同，是放大

和CCD接收的部分。

在单个透镜偏心量的大小是以磨边的外圆为基准的。

在图8中就是df这里的偏心量是以线量来表示的。如果要以角量来表示，需要各自除以透镜的焦距。

（3）透射式和反射式中心仪的比较

我们要明白的是用焦点的偏心来代表透镜的偏心其实质意义上与反射照明有什么不同？

（1）．以下是单块透镜的焦距公式

从上面的公式我们可以看出，透镜的焦距是和它的2个半径均有关的量。因此，焦点的偏心量实际上是透镜2个面偏心量的综合效果。因此它无法区分每个面的偏心量的大小。

（2）一个光学系统成像质量的好坏是和每个面的偏心量大小有关的， 同样大小的偏心量对光学系统成像质量的影响是不同的， 也就是权重不同。所以用焦点的偏心量来衡偏心是和光学设计的要求不一致的。

（3）有时， 当用透射式中心仪检测出偏心为零时，用反射式中心仪仍然能检出偏心来。其原因主要有以下两点：

a． 当透镜的两个面偏心方向不同时，有时相互补偿， 使得焦点位置无偏心，当然这是偶尔遇上的， 但人们在做透镜的胶合是更容易出现这种情况， 如果用透射定中， 下面的一片基片存在偏心，然后你胶合上片， 透射发现无偏心，实际上是两片各自的偏心相互补偿，这是非常有害的。而如果用反射式是不会出现这种情况的。

b． 透射检测时， 当平行光照明被检镜时如果光学系统通过‘节点’，这时透镜绕基轴旋转时，即使有偏心存在，其像也不转，这种巧合也很偶然。

图8

德国著名光学测试设备公司(Trioptic)对透射中心仪和反射中心仪作了总结。

1）反射中心仪接收了透镜每个透镜球面的反射像，偏心反映了单面的偏心。

透射式中心仪接收了透镜焦点像，偏心反映了整个透镜的偏心，用透射方法是无法区分透镜那个表面的偏心。

2）在某些场合， 虽然透镜是偏心的，但是用透射的方法是无法测量到偏心的。

 用反射式的测量方法测得的偏心是无可置疑地严格得到面的倾斜和偏心的误差。

3）反射方法是全面和正确的偏心误差的测量方法，但在有些场合是较难操作的。

  透射方法在很多情况下也能得到较好的结果。

我们的认为是在光学系统要求质量高的情况下， 必须用反射式定中， 在要求低时照明系统用透射式定中即可。

三． 精度分析

在这里我们要对杭州志达光电公司的反射式中心仪作一精度分析。

透镜旋转一周时，十字分划线在监视器上量为偏心量，而我们要测量的是分划线的旋转直径所对应的偏心量，这个旋转直径在我们的监视器上以多少格来表示。所以关键要知道一格代表的偏心量。

我们来看一格代表的偏心，在系统中固定分划板的格值为0.1mm（见图9），假定系统中用了10倍的显微物镜，那么这一个对应显微物镜的前方对应的量就是0.1/10=0.01mm, 如果置换物镜是用焦距f ￠=80mm的物镜, 置换物镜前方,也就是反射测量面的球心位置也是0.01mm, 我们知道固定分划线是通过球面的反射来,  反射光线和入射光线是2倍的角度关系, 所以它代表的量是0.1/(10′2)=0.005mm, 再着, 偏心量是以半径衡量的, 所以需要继续被2除, 既为0.1/(10′2′2)=0.0025mm, 也就是2.5mm。

同样的道理，在10倍显微物镜，置换物镜焦距f ￠=80mm时一格的偏心量为0.1/(10′2′2)=0.0025mm =2.5mm。

(1) 当置换物镜采用f￠ =180mm，此时每个代表的

精度底， 2.5mm/b₂

<b₂ = 80/180 = 0.444>;

(2) f￠ =360mm，此时的b₂ = 80/360 = 0.222

以上是监视器上每格所对应的偏心量2.5mm, 仪器的灵敏读一般视为一格的1/3。它们对应的量为2.5mm/3。我们的仪器和国外多个公司作了对比标定，测出的量和其它仪器是一致的。这样灵敏度的量可以作为精度的量2.5mm/3 » 0.8 mm

图9

谢 谢!