Способ центрирования линз Советский патент 1992 года по МПК G01M11/00 

Изобретение относится к технологии оптического приборостроения, предназначено для центрирования линз и может быть использовано в производстве оптических деталей и узлов, а также при сборке оптических систем и позволяет увеличить производительность при центрировании линз.

Известны способы для центрирования линз, в которых на линзу посылают пучок когерентного излучения, наблюдают интерференционную картину отраженных пучков лучей и юстируют линзу относительно базовой оси.

Недостатком известных способов является снижение чувствительности измерения

децентрировки поверхностей линз при установке их на вращающийся шпиндель вследствие влияния даже незначительных колебаний последнего на качество интерференционной картины. Это не позволяет поп- учать достаточную точность обработки оправленных оптических узлов и деталей. Кроме toro, интерференционные способы центрирования сложно реализовать в автоматизированном производстве.

Известны устройства для центрирования линз, в которых используется способ центрирования, включающий выставление относительно оси вращения шпинделя по- зиционно-регистрирующей системы с обра 1ел ел о

00 О

зованием эталонной оси, проецирование на позиционно-регистрирующую систему отраженных от поверхностей линзы пучков сёета и совмещение их с эталонной осью сдвиговыми и касательными движениями линзы.

В известном способе реализуется возможность автоматизации процесса центрирования, однако он имеет существенные недостатки. Прежде всего это влияние на точность центрирования вибраций, тепловых деформаций корпуса и поперечных смещений позиционно-регистрирующей системы. Кроме того, в погрешность центрирования аддитивной составляющей входит погрешность выставления эталонной оси относительно оси вращения шпинделя.

Известен также способ, включающий операции определения положения проекций центра качания поворотной части патрона и центров кривизны двух поверхностей линзы на оси вращения шпинделя, последовательного формирования изображения марки в автоколлимационную точку первой и второй поверхностей, совмещения центров кривизны первой и второй поверхностей линзы с осью вращения шпинделя.

Однако необходимость совмещения центра кривизны одной из поверхностей линзы с плоскостью центра ТЙчГаНйя поворотной части патрона при помощи специ- .альной переходной оправки существенно снижает точность обработки оправленных линз и оптических узлов ввиду недостаточной жесткости консольной системы патрон - оправке - линза, особенно при большой длине консоли. Допустимый диапазон изменения длины переходной оправки ограничивает диапазон радиусов поверхностей центрируемых линз. Кроме того, в этом способе не учитывается влияние радиальных смещений центра качания поворотной части патрона относительно оси вращения шпинделя, что также снижает точность центрирования.

Наиболее близким по техническому решению является способ центрирования, который включает в себя операции определения положения проекций Центра качания поворотной части патрона и центра кривизны двух поверхностей линзы на ось вращений шпинделя, определения радиальных координат центра качЗШя Новоротной части патрона, побледбйа ёлЪного формирования изображения марки в автоколлимационных точках поверхностей линзы, определения радиальных координат центра кривизны этих поверхностей, расчета радиальных координат промежуточной точки из математических выражений«--Ґ- Ґ-t fK - o-A,

- ± Ј-|ЗГ(,

и перемещения центра кривизны второй поверхности линзы в эту точку, совмещения центров кривизны первой и второй поверхностей линзы с осью вращения шпинделя.

Однако операция определения радиальных координат центра качания поворотной части патрона является весьма трудоемкой, соизмерима по времени с совокупностью остальных операций, входящих в

способ центрирования, что ведет к снижению производительности технологического процесса центрирования. Кроме того, при использовании односторонне расположенного автоколлиматора возникает погрешность в определении радиальных координат центра кривизны одной из поверхностей линзы, расположенной дальше от автоколлиматора, в результате влияния оптического клина, что влечет за собой и погрешность в

результатах расчета радиальных координат промежуточной точки.

Из этого следует, что для высокой точности центрирования необходимо неоднократно повторять весь ряд операций по

известному способу центрирования, что приводит к удлинению технологического процесса и уменьшению производительности.

В случае, когда радиальные координаты

центров кривизны поверхностей линзы и расчет координат промежуточной точки осуществляется с учетом влияния оптического клина, требуется сложная вычислительная техника, что ведет к дополнительным затратам на оснащение обрабатывающего оборудования этой вычислительной техникой, затратам, связанным с эксплуатацией ЭВМ (машинное время), а также удлиняет технологический процесс центрирования

вследствие необходимости постоянного просчитывания величины погрешности измерений.

Целью изобретения является повышение производительности при центрировании.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу центрировки, содержаще му операции определения положения проекций центра поворотной части патрона и центров кривизны двух поверхностей линзы на ось вращения шпинделя, последовательного формирования изображения мар- ди автоколлимационного микроскопа в автоколлимационные точки поверхностей линзы, определения радиальных координат центров кривизны этих поверхностей, расчета радиальных координат промежуточной точки, перемещения одного из центров кривизны поверхностей линзы в промежуточную точку и совмещения центров кривизны первой и второй поверхностей линзы с осью вращения шпинделя, вместо операции определения радиальных координат центра качания поворотной части патрона, перед операцией определения положения центра поворотной части патрона и проекций центров кривизны двух поверхностей линзы на оси вращения шпинделя, совмещают центр качания поворотной части патрона с осью вращения шпинделя, а после операции формирования изображения марки автоколлиматора и автоколлимационные точки поверхностей линзы вводится операция совмещения центра кривизны первой поверхности линзы, ближайшей к автоколлиматору, с осью вращения шпинделя, причем контроль перемещения в расчетную промежуточную точку и совмещения центров кривизны двух поверхностей линзы с осью вращения шпинделя осуществляют по автоколлимационной точке поверхности, ближайшей к автоколлиматору.

На фиг.1 изображено положение центра качания поворотной части патрона после установки патрона на шпиндель; на фиг.2 - положение центра качания поворотной части патрона после его совмещения с осью вращения шпинделя; на фиг.З - схема пространственного расположения центров кривизны поверхностей центрируемой линзы; на фиг.4 -- схема совмещения центра кривизны поверхности линзы, ближайшей к автоколлиматору, с осью вращения шпинделя; на фиг.5 - схема установки центра кривизны в промежуточную точку по первому варианту; на фиг.6 -схема установки центров кривизны на ось Z (ось вращения шпинделя) по первому варианту; на фиг.7 - схема установки центра кривизны в промежуточную точку по второму варианту; на фиг.8 - схема установки центров кривизны поверхностей линзы на ось Z по второму варианту.

На фиг.1-8 обозначены: 1 - линза, 2 - шпиндель, 3 - патрон, 4 - поворотная часть патрона, 5 - сдвиговая часть патрона.

Способ центрировки заключается в следующем.

Устанавливают патрон 3, имеющий поворотную часть 4 и сдвиговую часть 5 на шпиндель 2 (фиг.1), затем совмещают центр

качания поворотной части 4 патрона 3 с осью вращения шпинделя 2 (фиг 2).

По первому варианту линзу 1 устанавливают на шпиндель 2 при помощи патрона 3

с поворотной частью 4 и сдвиговой частью 5. Определяют координату Zu центра качания Ц поворотной части 4 патрона 3, координаты Zi и 22 центров кривизны Oi и 02 первой и второй поверхностей линзы 1

(фиг.З). Последовательно формируют изображение марки автоколлимационного микроскопа б в автоколлимационную точку первой поверхности линзы 1, ближайшей к автоколлимационному микроскопу 6, а затем - в автоколлимационную точку второй поверхности линзы 1, дальней от автоколлимационного микроскопа 6, при этом центр кривизны Oi первой поверхности линзы 1 приводами поворотной части 4 и сдвиговой

части 5 патрона 3 совмещают с осью вращения шпинделя 2, а для центра кривизны Ог второй поверхности линзы 1 определяют радиальные координаты - Х2, Y2 (фиг.4). Затем с учетом исходного пространственного положения центра качания Ц поворотной части 4 патрона 3 и центров кривизны Oi и 02 поверхностей линзы 1, из условия выставления оптической оси линзы, проходящей через центры кривизны Oi и 02 параллельно

оси, рассчитывают координат ы промежуточной точки П - Хп и Yn.

5

Хп

Yn

Z2-ZU

Z2-Zi

о

Z2-ZU Z2-Zi

X2;

Y2.

0)

(2)

Далее формируют изображение марки

автоколлимационного микроскопа 6 в автоколлимационную точку первой поверхности линзы 1 и центр кривизны Oi этой поверхности приводами поворотной части 4 патрона 3 перемещают в точку П с

координатами Хп, Yn (фиг.5). Затем сдвиговой частью 5 патрона 3 совмещают центр кривизны Oi первой поверхности линзы 1 с осью Z (фиг.6), выводя при этом на ось Z также центр кривизны 02 второй поверхности линзы 1.

По второму варианту центрирования линзы 1 совмещение центра качания поворотной части 4 патрона 3 с осью вращения шпинделя (фиг,1, 2), определение исходных

пространственных координат центра качания Ц поворотной части 4 патрона 3 и центров криаизны Oi и Оз поверхностей линзы 1 (фиг.З), а также совмещение центра кривизны Oi первой поверхности линзы 1 с осью Z

и определение радиальных координат центра кривизны 02 (фиг.4) осуществляют аналогично первому варианту.

После совмещения центра кривизны Oi с осью Z и определения координат центра кривизны 02 определяют координаты Хп и Yn промежуточной точки П:

Z2-ZU

--()

Yn

fz2-zu Iz2-z, )

Y2.

Центр кривизны Oi первой поверхности линзы 1 перемещают сдвиговой частью 5 патрона 3 в промежуточную точку П (фиг.7), а затем совмещают поворотной частью 4 патрона 3 с осью Z, при этом центр кривиз- ны 02 второй поверхности линзы 1 также выводится на ось Z (фиг.8).

Проанализировав формулы (1), (2) и (3), (4), можно записать обобщающие формулы, пригодные для расчета радиальных координат X и Y промежуточной точки П по первому и второму вариантам выполнения

способа:

Z2-Zu

v . + / Ј2 - Јц х

Хп (z2-zi ;Х2Yn. ч- V, Yn Z2-Zi ) Y2

,-

где знак - берется при последовательности центрирования: радиальная юстировка, угловая юстировка;

знак + - при последовательности центрирования: угловая юстировка, радиальная юстировка.

Предлагаемый способ был испытан в установке прецизионной обработки элементов высокоразрешающих объективов при совмещении центров кривизны двух поверхностей линзы в оправе с осью вращения шпинделя.

При этом патрон 3 был выполнен со сферической направляющей поворотной части 4 {фиг.1).

Автоколлимационный микроскоп 6 содержал автоколлимационную трубку со светоделителем, образующим боковой оп- тический канал позиционно-чувствительной регистрирующей системы в виде линейного фотометрического клина с установленным за ним фотоприемником.

5

10

15

20

25

30

35

40

50

ча&

Шпиндель 2 был оснащен устройством измерения углового положения для измерения радиальных координат центров кривиз-, ны поверхностей центрируемых линз.

Исходя из того, что данный способ позволяет центрировать линзы с широким диапазоном радиусов их поверхностей на одном патроне, который стационарно закреплялся на шпинделе устройства, центр сферической направляющей, выполненной в патроне 3 по оптической технологии с погрешностью формы 0,1 мкм, при установке патрона 3 на шпиндель 2 выставлялся на ось вращения шпинделя. Для этой цели брали измерительную головку прибора MHUtron, имеющую чувствительность мм, и обкатывали по образующей сферической направляющей патрона 3 и затем перемещениями патрона добивались, чтобы децентрировка сферической направляющей составляла величину, соизмеримую с величиной радиального биения шпинделя. В нашем случае эта величина была равна 5- 10 мм. После этого установили центрируемую линзу 1.

Принимая за начало координат точку О, можно записать:

ZK - L + R; Zi - Н + li,

о

где L - расстояние от вершины сферической направляющей поворотной части 4 до опорной поверхности латрона 3;

R - радиус сферической направляющей:

Н - высота патрона;

2ц, Zi - соответственно координаты центра кача ния Ц поворотной части 4 патрона 3 и центра кривизны i-й поверхности линзы 1 на оси Zi;

li - расстояние от базового торца К патрона 3 до центра кривизны 1-й поверхности линзы 1.

L, R и Н были измерены в процессе изготовления патрона универсальными измерительными средствами.

Z4 - L + R - 24,9 + 602.3 - 627,2 мм; Zi - Н + Н - 102,94 + 353,1 - 456,04 мм; Za-H+te-102,94-И 686,6-1789,54 мм.

Далее проецировали изображение марки автоколлимационного микроскопа б в автоколлимационную точку первой поверхности линзы 1, ближайшей к автоколлиматору, и, наблюдая изображение марки, перемещениями поворотной части 4 и сдвиговой части 5 патрона 3 совмещали центр кривизны этой поверхности с осью вращения шпинделя (фиг.4). После этого строили изображение марки автоколлимационного микроскопа 6 в автоколлимационную точку второй поверхности линзы, дальней от автоколлиматора, и определяли радиальные координаты центра кривизны этой по- верхности:

Х2-0.016; Y2 0,03.

Затем рассчитывали координаты про- межуточной точки по известным формулам, но с учетом проведенных операций совмещения центра качания поворотной части 4 патрона 3 и центра кривизны первой поверхности линзы 1 с осью вращения шпинделя, т.е.:

ДУЦ 0; Xi 0;Yi 0.

Для последовательности угловая юсти- ровка - радиальная юстировка:

Хп - -$-Iй- Х2 -0,0139;

Z2 - Zl

Yn - ц Y2 -0,0261. Ј3. - Zi

Для последовательности радиальная юстировка - угловая юстировка:

Хп - 0,0139; Yn - Q,0261.

Выбрав для центрировки последовательность угловая юстировка - радиальная юстировка, строили изображение марки ав- токоллимационного микроскопа 6 в автоколлимационную точку первой поверхности линзы 1, ближайшей к автоколлиматору, и перемещали центр кривизны этой поверхности в точку Л с координатами Xn. Yn при- водами поворотной части 4 патрона 3 {фиг.5), а затем приводами сдвиговой части 5 патрона 3 привели на ось вращения (фиг.6). При этом децентрировка поверхностей линзы 1 при чувствительности поэици- онно-чувствительной регистрирующей системы автоколлимационного микроскопа 60,0001 мм не превысила 0,001 мм, что в значительной мере определяется погрешностями вращения шпинделя и измеритель- ной системы.

Для сравнения провели центрировку этой же линзы по известному способу. При этом центр качания поворотной части 4 пат50

5 0

5

0

5

0 0 5

рона 3 оставался выставленным на ось вращения шпинделя.

Формировали изображение марки автоколлимационного микроскопа 6 в автоколлимационную точку первой поверхности линзы, измеряли радиальные координаты центра кривизны этой поверхности:

Xi - -0,009; Yi 0,030.

Далее формировали изображение марки автоколлимационного микроскопа в автоколлимационную точку второй поверхности и определяли радиальные координаты центра кривизны этой поверхности:

Х2 - 0,012; Y2 0,005.

По результатам измерений рассчитали координаты промежуточной точки для последовательности центрирования угловая юстировка - радиальная юстировка:

Хп -0,0063 мм; Yn 0,0268 мм.

После этого приводами поворотной части 4 патрона 3 перемещали центр кривизны второй поверхности линзы в точку с координатами Хп и Yn, а затем приводами сдвиговой части совмещали с осью вращения шпинделя.

Для контроля вновь проецировали изображение марки автоколлимационного микроскопа в авт околлимационную точку первой поверхности линзы и измеряли де- центрировку этой поверхности. Величина децентрнровки составила 0,0028 мм.

Сравнивая полученное значение с результатами, полученными при центрировании по предлагаемому способу, можно сделать вывод, что оптический клин вызывает значительную погрешность при определении радиальных координат поверхностей, рассматриваемых через оптическую среду. И для того, чтобы добиться соизмеримых величин децентрировки, полученных двумя способами центрирования, технологический цикл по известному способу необходимо повторить как минимум еще один раз.

Технико-экономическая эффективность изобретения.

В известном способе центрировки линз точность центрировки определяется точностью совмещения центров кривизны двух поверхностей линзы с осью вращения шпинделя. Однако при односторонне расположенном автоколлиматоре при рассмотрении автоколлимационной точки от второй поверхности линзы, расположенной дальше

от автоколлиматора, даже при незначительной децентрировке первой поверхности, ближайшей к автоколлиматору, возникает явление оптического клина, вызывающее погрешность в определении радиальных координат центра кривизны второй поверхности и, как результат, погрешность в расчете координат промежуточной точки, а это, в свою очередь, ведет к несовпадению одновременно двух центров кривизны центрируемой линзы с осью вращения шпинделя.

Следовательно, для высокой точности центрирования технологический цикл, описанный в известном способе, необходимо повторять неоднократно, пока методом последовательного приближения не добьются необходимой точности центрирования. Это ведет к удлинению технологического процесса центрирования и уменьшению производительности.

Возможно реализовать известный способ, используя математические программы, учитывающие влияние оптического клина на результаты измерений децентрировок, однако это потребует оснащения технологиче- ского оборудования сложной вычислительной техникой, что повлечет дополнительные финансовые затраты на приобретение и эксплуатацию этой техники.

В предлагаемом способе за счет совмещения центра кривизны первой поверхности линзы, ближайшей к автоколлиматору, с осью вращения- шпинделя, добиваются то- го, что световой пучок падает по нормали к первой поверхности, что исключает влияние оптического клина и позволяет определить действительные значения радиальных координат центра кривизны второй поверхности линзы, а следовательно, и более точно рассчитать координаты промежуточной точки, что позволит совместить оба центра кривизны линзы с осью вращения шпинделя за один технологический цикл и повысит производительность при центрировке линз.

Введенная в предлагаемом способе центрировка линз совмещения центра качания поворотной части патрона с осью вращения шпинделя позволяет избавиться от весьма трудоемкой операции определения радиальных координат центра качания поворотной части патрона и, следовательно;

повысить производительность способа.

Кроме того, предлагаемый способ позволяет производить центровку линз на любом токарном станке, на котором соосно со шпинделем устанавливается автоколлимационный микроскоп, что расширяет возможность применения способа в условиях промышленного производства и не требует больших финансовых затрат по его оснащению.

Ф о р му л а и з об р ете н и я

Способ центрирования линз, закрепленных в патроне с поворотной частью, связанном со шпинделем станка, включающий операции определения положения проекций центра качания поворотной части патрона и центра кривизны двух поверхностей линзы на ось вращения шпинделя, формирования изображения марки автоколлима- торэ в автоколлимационные точки

поверхностей линзы с измерением радиальных координат промежуточной точки, в которую перемещают центр кривизны одной из поверхностей линзы, совмещения, центров кривизны первой и второй поверхностей линзы с осью вращения шпинделя, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности, перед определением координаты центра качаний центр качания поворотной части патрона

совмещают с осью вращения шпинделя, а после операций формирования изображения марки автоколлиматора в автоколлимационные точки поверхностей с осью вращения шпинделя совмещают центр кривизны первой поверхности линзы, ближайшей к автоколлиматору, расчет координат промежуточной точки осуществляют после измерения радиальных координат второй поверхности линзы перед совмещением

центров кривизны первой и второй поверхностей линзы с осью вращения шпинделя.

Фй-f

Использование: технология оптического приборостроения. Сущность изобретения: способ центрирования линз осуществляется путем совмещения центра качания поворотной части (4) патрона (3) с осью вращения шпинделя (2) перед операцией определения координаты центра качания и проекций центра кривизны двух поверхностей линзы (1) на оси вращения шпинделя и совмещения центра кривизны поверхности линзы, ближайшей к автоколлиматору, с осью вращения шпинделя , после бперации формирования изображения марки автоколлимационного микроскопа в автоколлимационные точки поверхностей линзы с последующим определением радиальных координат центра кривизны второй поверхности линзы, определением радиальных координат промежуточной точки, перемещением центра кривизны первой поверхности линзы в эту точку и совмещением центров кривизны первой и второй поверхностей линзы с осью вращения шпинделя. 8 ил. сл С

2 XI з f/ $i

Z Ъ Ч 5 {

JtAW-

«

2 X 3 Ч Si

iQjL

V

Фиг.6

Фиг. 7

л

д

А

tt)uti