技术领域：
本发明属于光学检测技术领域，涉及一种透镜中心误差测定系统及测定方法。
背景技术：
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随着光学产业的快速发展，光学系统的结构越来越复杂，对分辨率、孔径、视场、畸变等技术指标也不断提高，因此各个领域内对光学系统的要求也越来越高。然而，由于各种原因使得光学透镜在生产过程中产生了中心误差，导致系统像差增大，并对成像质量产生严重影响。因此在光学透镜的加工中，对透镜中心误差的测量就有了十分重要的意义。
目前，透镜中心误差的表示方法包括了面倾角、偏心差、球心差和边厚差等。面倾角指光学表面定心顶点处的法线与基准轴的夹角；偏心差指透镜几何与光轴在透镜中心处的偏离量，对于薄透镜即透镜几何中心对光心的偏离量；球心偏指透镜光学表面的曲率中心对基准轴的偏离量；边厚差指透镜边缘厚度的差值。
其中，透镜中心偏误差的测量方法包括了三坐标测量法、干涉法、自准直法等。三坐标测量法为接触式测量方法，接触式测量会给元件造成一定的损伤，为了减小损伤采用分点逐步测量无法准确测量出中心偏误差的大小，而且测量周期较长；干涉法的测量结果精度较高，但光学系统较为复杂，对待测件的反射率有一定的要求，使该方法有一定的局限性，不易推广；自准直测量方法适用于球面透镜的测量，其光学系统较为简单，所用光学器件较少，但其测量精度、测量灵敏度会受到ccd/cmos相机以及图像处理算法的影响。
目前使用较为广泛的仪器采用干涉法和自准直法。干涉法仪器结构复杂，体积大，装配和调整困难；自准直法主要包括了自准直光路以及ccd相机，测量方法是通过ccd相机上的光斑位置计算待测透镜反射光或者透射光的偏移量，完成透镜中心误差的测量。1997年，文献“solidstatedivision.one:two2dimensionalpsds”，hamamatsuphotonicskk将点激光倾斜照射到透镜中心，在相对待测透镜光轴对称的另一侧放置ccd。旋转透镜并由ccd记录光斑的圆形轨迹，通过计算该圆形轨迹的直径，得到中心误差。2013年，文献“基于psd的透镜定心仪的研究”，通过psd测定弥散斑的位置来确定透镜偏心的大小和方向。专利文献1(专利文献1，专利号cn204831226u)所记载的，将一束平行光入射待检测透镜，在透射/反射位置，安装接收的光学系统以及成像ccd，探测像点。测量时，让待测透镜旋转，如果待测透镜存在中心误差时，像点轨迹呈一定半径的圆环，其中圆环直径和待测透镜中心偏呈相应的几何关系，进而反算出待测透镜的中心误差。以上方法都是根据ccd像面上接收的光斑位置直接进行定量计算得到透镜中心误差，测量结果会直接受到相机成像质量的影响，并且容易受到环境因素的干扰，与图像处理算法的好坏也密切相关。
技术实现要素：
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本发明的目的在于提供一种透镜中心误差测定系统及测定方法，其克服了现有技术中存在的完全依赖图像处理技术对透镜中心误差进行测量的问题，实现了对透镜中心误差高精度、非接触的测量。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种透镜中心误差测定系统，其特征在于：包括沿光轴竖直方向依次设置的激光光源、整形透镜、分束棱镜和透镜装调机构，透镜装调机构上设置有待测透镜，分束棱镜的一侧设置有视频监视器，分束棱镜的另一侧设置有平面反射镜；透镜装调机构包括用于设置待测透镜的透镜支架，透镜支架下方设置有xy位移平台和旋转台组成的组合平台，组合平台上设置有与透镜支架连接的竖直位移装置。
竖直位移装置包括位移杆、光栅尺、位移传感器或纳米位移台。
一种采用权利要求1所述系统的透镜中心误差测定方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：对装置进行校准：
将平板或平面反射镜放置在透镜装调机构上，调整竖直位移装置，使平板或平面反射镜表面反射的光斑与平面反射镜反射到视频监视器中的光斑重叠，完成校准；
步骤二：将待测透镜安装在透镜装调机构上；
步骤三：打开激光光源，激光光源经过整形透镜后调整为发散角更小的点光源；激光到达分束棱镜后，一束光到达平面反射镜，经平面反射镜的反射，最终到达视频监视器的中央，记为一号光斑；另一束光落在待测透镜上，经待测透镜上表面和下表面的反射，视频监视器接收到待测透镜上表面和下表面的反射的光斑，分别记为二号和三号光斑；通过视频监视器上呈现的三个光斑的相对位置，对待测透镜的倾斜进行调整；
步骤四：观察视频监视器上光斑位置，当待测透镜仅存在中心误差时，记录三个竖直位移装置的顶点空间坐标，在空间形成一个面；此时调整三个竖直位移装置的高度，并在透镜装调机构水平两个方向上进行移动，使待测透镜上下表面反射的两个光斑与视频监视器中央平面反射镜反射的光斑重叠，此时记录三个竖直位移装置顶点的空间坐标，形成新的一个平面；通过计算两个面的夹角，得到待测透镜的中心误差。
步骤四中，待测透镜中心误差和倾斜误差的判断方法如下：
如果视频监视器上接收到由待测透镜上下面表面以及平面镜反射的光斑，重叠于视频监视器的正中心，且当旋转待测量部带动待测透镜沿其中轴旋转时，三个重叠的激光点位置不发生变化，表明待测透镜不存在中心误差和倾斜误差；
如果视频监视器上接收到的待测透镜上下表面反射至视频监视器上的两个光斑独立存在，且偏离平面反射镜反射到视频监视器中心的光斑，当旋转测量部带动待测透镜沿其中轴旋转时，两个光斑会绕着视频监视器的中心旋转，表明待测透镜仅存在倾斜误差；
如果视频监视器上接收到由待测透镜上下表面反射至视频监视器上的两个光斑独立存在，且偏离平面反射镜反射到视频监视器中心的光斑，当旋转测量部带动待测透镜沿其中轴旋转时，两个光斑的位置不发生变化，表明待测透镜仅存在中心误差。
步骤四中透镜中心误差x的计算方法如下：
由两个空间平面方程对应的法向量即可求出两平面的夹角：
公式(3)所得到的θ即为中心误差x；
其中，将待测透镜放置在透镜装调机构上，在视频监视器上可以观察到透镜不存在倾斜，此时三个顶点的坐标分别为a(x1,y1,z1)、b(x2,y2,z2)、c(x3,y3,z3)；
经过调整竖直位移装置使视频监视器中三个光斑重合，此时三个顶点的坐标分别为a1(x4,y4,z4)、b1(x5,y5,z5)、c1(x6,y6,z6)；
由坐标系中的坐标分别可以得到两个状态时的空间平面方程，空间平面方程分别对应的空间法向量为
与现有技术相比，本发明具有的优点是：
1、本发明系统在进行测量时使用的是点光源，进一步使用整形透镜对点光源的发散角进行了调整，使光斑直径对结果的影响降到最小，并且透镜装调机构中竖直位移装置在竖直方向上的移动可实现透镜在空间中的大幅度调整，所以对待测透镜的表面曲率没有要求。
2、本发明系统是通过记录透镜存在中心误差时微位移装置顶点坐标和三个光斑重合时微位移装置顶点坐标，利用空间几何关系计算两个空间平面的夹角得到透镜中心误差。而整个过程主要是通过三个位移装置的微位移来实现透镜中心误差的测量，测量精度较高。
3、本发明系统中视频监视器只是对测量系统进行反馈，辅助系统中微位移装置的调整，完成透镜中心误差的测量，并不以监视器中光斑的相对位置直接作为测量依据。测量结果不受视频监视器的影响，摆脱了图像分辨率以及相机自身对测量结果的影响。
4、本发明整体结构比较简单，对环境的要求较低，只需要三个微位移装置的移动量，就可以很容易的测定得到透镜中心误差。
附图说明：
图1为本发明透镜中心误差测定系统的结构示意图；
图2为本发明中透镜装调机构的结构示意图。
图3为透镜中心误差示意图；
图4为透镜存在中心误差时微位移装置顶点坐标示意图；
图5为三个光斑重合时微位移装置顶点坐标示意图。
图中：1-激光光源，2-整形透镜，3-分束棱镜，4-视频监视器，5-待测透镜，6-透镜装调机构，7-平面反射镜，6-1-透镜支架，6-2-竖直位移装置，6-3-组合平台。
具体实施方式：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明为一种透镜中心误差测定系统，如图1所示，包括沿光轴竖直方向依次设置的激光光源1、整形透镜2、分束棱镜3和透镜装调机构6，透镜装调机构6上设置有待测透镜5，分束棱镜3的一侧设置有视频监视器4，分束棱镜3的另一侧设置有平面反射镜7。
参见图2，透镜装调机构6包括用于设置待测透镜的透镜支架6-1，透镜支架6-1下方设置有能在水平两个方向进行移动以及带动测量部进行绕轴旋转的组合平台6-3，组合平台6-3上设置有与透镜支架6-1连接的竖直位移装置6-2。透镜支架6-1用来放置待测透镜5，竖直位移装置6-2可以在竖直方向进行微位移。其中竖直位移装置6-2可以为位移杆、光栅尺、位移传感器、纳米位移台等，可以在竖直方向上进行微位移的移动和测量。组合平台6-3可以实现在水平xy两个方向手动或电动的微位移移动，以及利用电动机带动测量部进行绕轴旋转。
本发明还包括一种透镜中心误差测定系统的测定方法，具体包括以下步骤：
步骤一：对装置进行校准。
在整个装置使用之前需要对测量装置进行校准。校准时，可以将平板(或者平面反射镜)放置在透镜装调机构6上，此时调整竖直位移装置6-2使平板表面反射的光斑以及平面反射镜7反射到视频监视器4中的光斑重叠(或者调整竖直位移装置6-2使放置在透镜装调机构6上的平面反射镜反射的光斑以及平面反射镜7反射到视频监视器4中心的光斑重叠)。即可认为装置完成校准。
步骤二：将待测透镜5安装在透镜装调机构6上；
步骤三：打开激光光源1，激光光源1经过整形透镜2后调整为发散角更小的点光源；激光到达分束棱镜3后，一束光到达平面反射镜7，经平面反射镜7的反射，最终到达视频监视器4的中央，记为一号光斑；另一束光落在待测透镜5上，经待测透镜5上表面和下表面的反射，视频监视器会接收到待测透镜上表面和下表面的反射的光斑，分别记为二号和三号光斑；通过视频监视器上呈现的三个光斑的相对位置，对待测透镜5的倾斜进行调整；
步骤四：观察视频监视器4上光斑位置，当待测透镜仅存在中心误差时，记录三个竖直位移装置6-2的顶点空间坐标，在空间形成一个面；此时调整三个竖直位移装置6-2的高度，并在透镜装调机构6水平两个方向上进行移动，使待测透镜5上下表面反射的两个光斑与视频监视器4中央平面反射镜7反射的光斑重叠，此时记录三个竖直位移装置6-2顶点的空间坐标，形成新的一个平面；通过计算两个面的夹角，就会得到待测透镜的中心误差。
步骤四中，待测透镜中心误差和倾斜误差的判断方法如下：
如果视频监视器4上接收到由待测透镜5上下面表面以及平面镜7反射的光斑，重叠于视频监视器4的正中心，且当旋转待测量部带动待测透镜5沿其中轴旋转时，三个重叠的激光点位置不发生变化，表明待测透镜5不存在中心误差和倾斜误差；
如果视频监视器4上接收到的待测透镜5上下表面反射至视频监视器4上的两个光斑独立存在，且偏离平面反射镜7反射到视频监视器4中心的光斑，当旋转测量部带动待测透镜5沿其中轴旋转时，两个光斑会绕着视频监视器4的中心旋转，表明待测透镜5仅存在倾斜误差；
如果视频监视器4上接收到由待测透镜5上下表面反射至视频监视器4上的两个光斑独立存在，且偏离平面反射镜7反射到视频监视器4中心的光斑，当旋转测量部带动待测透镜5沿其中轴旋转时，两个光斑的位置不发生变化，表明待测透镜5仅存在中心误差。
步骤四中透镜中心误差的计算方法如下：
如图3所示，透镜中心误差定义为光学表面定心顶点处的法线与基准轴的夹角。
如图4和图5空间坐标系所示，图中三条直线分别代表透镜装调机构6上的三个竖直位移装置6-2，三条线段在坐标系中xoy平面的位置也就是三个竖直位移装置6-2在透镜装调机构6上所在的对应位置；三条线段顶端黑色的点代表三个竖直位移装置6-2顶端在真实空间中所处的位置。
图4和图5的区别在于，图4代表将待测透镜5放置在透镜装调机构6上，在视频监视器4上可以观察到，待测透镜5不存在倾斜，此时三个顶点的坐标分别为a(x1,y1,z1)、b(x2,y2,z2)、c(x3,y3,z3)；图5代表经过调整竖直位移装置6-2使视频监视器中三个光斑重合后的状态，此时三个顶点的坐标分别为a1(x4,y4,z4)、b1(x5,y5,z5)、c1(x6,y6,z6)。
根据图4和图5坐标系中的坐标分别可以得到两个状态时的空间平面方程：
ax by cz d＝0(1)
a1x b1y c1z d1＝0(2)
此时空间平面方程(1)、(2)分别对应的空间法向量为
由以上两个空间平面方程对应的法向量即可求出两平面的夹角
公式(3)所得到的θ即为中心误差x。
以上所述仅是本发明的优选实施例，并非用于限定本发明的保护范围，应当指出，对本技术领域的普通技术人员在不脱离本发明原理的前提下，对其进行若干改进与润饰，均应视为本发明的保护范围。
1.一种透镜中心误差测定系统，其特征在于：包括沿光轴竖直方向依次设置的激光光源(1)、整形透镜(2)、分束棱镜(3)和透镜装调机构(6)，透镜装调机构(6)上设置有待测透镜(5)，分束棱镜(3)的一侧设置有视频监视器(4)，分束棱镜(3)的另一侧设置有平面反射镜(7)；透镜装调机构(6)包括用于设置待测透镜(5)的透镜支架(6-1)，透镜支架(6-1)下方设置有xy位移平台和旋转台组成的组合平台(6-3)，组合平台(6-3)上设置有与透镜支架(6-1)连接的竖直位移装置(6-2)。
2.根据权利要求1所述的一种透镜中心误差测定系统，其特征在于：竖直位移装置(6-2)包括位移杆、光栅尺、位移传感器或纳米位移台。
3.一种采用权利要求1所述系统的透镜中心误差测定方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：对装置进行校准：
将平板或平面反射镜放置在透镜装调机构(6)上，调整竖直位移装置(6-2)，使平板或平面反射镜表面反射的光斑与平面反射镜(7)反射到视频监视器(4)中的光斑重叠，完成校准；
步骤二：将待测透镜(5)安装在透镜装调机构上；
步骤三：打开激光光源(1)，激光光源(1)经过整形透镜(2)后调整为发散角更小的点光源；激光到达分束棱镜(3)后，一束光到达平面反射镜(7)，经平面反射镜(7)的反射，最终到达视频监视器(4)的中央，记为一号光斑；另一束光落在待测透镜(5)上，经待测透镜(5)上表面和下表面的反射，视频监视器(4)接收到待测透镜(5)上表面和下表面的反射的光斑，分别记为二号和三号光斑；通过视频监视器(4)上呈现的三个光斑的相对位置，对待测透镜(5)的倾斜进行调整；
步骤四：观察视频监视器(4)上光斑位置，当待测透镜(5)仅存在中心误差时，记录三个竖直位移装置(6-2)的顶点空间坐标，在空间形成一个面；此时调整三个竖直位移装置(6-2)的高度，并在透镜装调机构(6)水平两个方向上进行移动，使待测透镜(5)上下表面反射的两个光斑与视频监视器(4)中央平面反射镜(7)反射的光斑重叠，此时记录三个竖直位移装置(6-2)顶点的空间坐标，形成新的一个平面；通过计算两个面的夹角，得到待测透镜(5)的中心误差。
4.根据权利要求3所述的一种透镜中心误差测定方法，其特征在于：步骤四中，待测透镜中心误差和倾斜误差的判断方法如下：
如果视频监视器(4)上接收到由待测透镜(5)上下面表面以及平面镜(7)反射的光斑，重叠于视频监视器(4)的正中心，且当旋转待测量部带动待测透镜(5)沿其中轴旋转时，三个重叠的激光点位置不发生变化，表明待测透镜(5)不存在中心误差和倾斜误差；
如果视频监视器(4)上接收到的待测透镜(5)上下表面反射至视频监视器(4)上的两个光斑独立存在，且偏离平面反射镜(7)反射到视频监视器(4)中心的光斑，当旋转测量部带动待测透镜(5)沿其中轴旋转时，两个光斑会绕着视频监视器(4)的中心旋转，表明待测透镜(5)仅存在倾斜误差；
如果视频监视器(4)上接收到由待测透镜(5)上下表面反射至视频监视器(4)上的两个光斑独立存在，且偏离平面反射镜(7)反射到视频监视器(4)中心的光斑，当旋转测量部带动待测透镜(5)沿其中轴旋转时，两个光斑的位置不发生变化，表明待测透镜(5)仅存在中心误差。
5.根据权利要求3所述的一种透镜中心误差测定方法，其特征在于：步骤四中透镜中心误差x的计算方法如下：
由两个空间平面方程对应的法向量即可求出两平面的夹角：
公式(3)所得到的θ即为中心误差x；
其中，将待测透镜(5)放置在透镜装调机构上，在视频监视器(4)上可以观察到透镜不存在倾斜，此时三个顶点的坐标分别为a(x1,y1,z1)、b(x2,y2,z2)、c(x3,y3,z3)；
经过调整竖直位移装置(6-2)使视频监视器中三个光斑重合，此时三个顶点的坐标分别为a1(x4,y4,z4)、b1(x5,y5,z5)、c1(x6,y6,z6)；
由坐标系中的坐标分别可以得到两个状态时的空间平面方程，空间平面方程分别对应的空间法向量为
