摘要：介绍一种新型的电视内调焦定心仪的原理、结构、主要技术参数、仪器的特点和应用。
引 言
目前在光学零件的磨边、胶合、检验以及装校中,经常碰到较长的曲率半径(R=500mm以上),以往的定心仪焦距较短、倍率较低,经常不能满足长曲率半径光学零件定心、测试和调整的精度要求。我们在内调焦望远镜的基础上,设计了一种新型的电视内调焦定心仪。
1 仪器的工作原理
1.1 光学系统原理
定心仪的光学系统如图1所示。灯泡5发出的光,经聚光反射镜6和聚光镜4照明球面反射镜分划板3,分划板的十字线经调焦镜2和固定组1成象于无穷远处。如果改变调焦镜的位置,那么分划板的象可以从+∞调到+441mm,从-∞调到-289mm(该尺寸指工作距离)。如果某一被检光学表面的球心正好处于同分划板象重合的位置时(平面则可以认为是半径为无穷大的球面),光线将被该镜面反射,反射光又经过内调焦系统后成象在球面分划板的表面上,该象再经过显微物镜7和转向反射镜8成象于CCD摄象机靶面(或目镜分划板)上,观察者通过监视器或目镜可看清这个象。如果被检光学表面的球心有一微小的变动量a,见图2 ,则反射象改变2a,这个量经定心仪系统放大后为δ,则球心的变化量为
式中γ—面倾角,(′);a—被检光学表面球心到基准轴的距离,(mm);R—被检光学表面球半径,(mm);β—定心仪的放大倍率;βi—内调焦系统放大倍率;βc—转象显微物镜放大倍率;f′0—内调焦系统出射平行光时的焦距,(mm);f′t—内调焦系统出射平行光时与转象显微物镜的组合焦距,(mm)。
为了适应不同精度的测量和不同场合下的使用,转象显微物镜可以更换,CCD摄象机与目镜之间也可以方便地更换。目镜可选用双向测微目镜、单向测微目镜或定中心目镜。测微目镜的精度为0.01mm,定中心目镜分划板格值为0.2mm。用CCD摄象机测量时,监视器屏幕上显示有电信号产生的测量分划线,分划线格值也是0.2mm。调焦指示系统见图1,13是调焦指示刻尺,刻尺与调焦镜联动,刻尺上分别刻有调焦镜不同位置时内调焦系统的倍率和工作距离。
为了满足盲区(-289mm~+441mm)内的定心测量,仪器配有七组可换附加物镜。此外,还配有带孔物镜和刻有十字丝的反射镜各一块,这两个附件用于仪器的自检和调整。
1.2 电气工作原理
电视内调焦定心仪电气部分是用电视方法产生测量分划线和井字线,并用井线来设置和显示被测件的公差带。它主要由CCD摄象机、分划线和井线产生器、监视器三部分组成。被检光学表面的反射象成在CCD摄象机靶面上并转换成电信号,和测量分划线及井线信号叠加起来,显示在监视器屏幕上。可以用分划线测量反射象的偏差量,也可以用井线设置公差范围。
图3和图4分别给出了电视内调焦定心仪的监视器屏幕示意图和电气原理框图。同步发生器输出的行同步脉冲HS触发两个垂直线位置脉冲产生器,产生两个延迟时间为755μs的位置脉冲,用它们分别触发垂直线宽脉冲形成器,形成两个0.1μs的垂直线宽脉冲。
场同步脉冲VS触发两个水平线位置脉冲产生器,产生两个延迟时间为118ms的位置脉冲,用它们分别触发水平线宽脉冲形成器,形成两个宽度为52μs的水平线宽脉冲。
为了在监视器上显示分划线刻度,首先要把分划线的数据以点阵方式放进存储器中,然后通过计数与控制逻辑控制每个电视场,从存储器逐一读取各行各列上的不同位置的点阵数据,并经并串转换电路将分划线点阵信号加到混合器2。视频处理器将CCD摄象机输出的光学图象进行箝位放大,然后和混合器2输出的信号在混合器1叠加起来显示在监视器上。通过改变水平线和垂直线位置脉冲的延迟时间,可改变井线井口大小,从而改变公差带的设置范围。改变亮度调节电路的增益可改变井线和水平分划线的明暗程度。井线还可以黑白反转和取消。
2 仪器的主要技术指标
3 仪器的特点
1)调焦范围大,附加物镜齐全,对任何中、短半径及长半径的光学零件均可适用,不仅可以用于滚边、胶合、检验、装校,而且还可以作为中等精度的定线仪器;
2)可以根据不同场合选择目镜测量和电视测量,目镜测量精度高,电视测量直观、方便、劳动强度低;
3)倍率可灵活改变,大倍率测量精度高,小倍率视场大,找象更容易;
4)目标采用暗背景亮线,对比度好,亮度连续可调,适用于高增透膜光学零件和胶合零件的定心、检验以及面数较多的光学系统的装校定心、检验;
5)看不见表面象,可以避免找错象;
6)电视测量时,公差带标记(#线)的每条线在监视器上的位置独立可调,线条亮度可调,并能黑白反转和取消。
4 仪器的典型应用
电视内调焦定心仪可做为平行光管、测微自准直仪、长工作距离显微镜、内调焦望远镜,在光学车间或光学实验室的光学装配、调整、检验等方面得到广泛应用。
(1)做测微自准直仪或平面的滚边定心、胶合定心等,此时仪器应调焦于无穷远。做测微自准直仪时,被测角按下式计算:
(2)做内调焦望远镜使用,可作为中等精度的定线仪器,也可用于各种球面镜及球面镜和镜头之间的共轴调整。
(3)不加附加物镜直接测量-∞~-289mm ,+441mm~+∞范围内的各种透镜球心象。
(4)加附加物镜测量-289~+441mm范围内的各种透镜球心象,此时内调焦系统调到无穷远位置,静止法和旋转法测量的公式分别同(8)和(9)式,但
如果被测面与仪器之间还有光学系统,不能直接用上述公式计算,还要考虑中间光学系统的倍率和偏心对测量的影响,详见参考文献[3,4]。
结束语
电视内调焦定心仪的调焦范围在同类仪器中是最大的,公差带设定功能属国内首家研制,是传统的通过目镜读数的磨边定心仪的理想换代产品。该仪器已使用在航天工业总公司八三五八所的双光路磨边定心机床上,效果很好。
致谢：感谢航天工业总公司八三五八所回长顺高级工程师对该项工作的大力支持。
参考文献
1 魏全忠等.OEA-1电视自准直仪的研制及应用.光学技术,1998, (3 ):25
2 王肇勋.ZX-3型内调焦对心器研制工作报告.光学工程,1984,11(5):11~24
3 王肇勋.整组物镜各面偏心差的测量.光学工程,1980,7(1):1~11
4 王肇勋,魏全忠.整组物镜各面偏心差的测量(续).光学工程,1984,11(5):32~40
本文作者：魏全忠 叶华寿
