光学定心主要包括透镜表面直接反射像定心法、球心自准反射像定心法、透射像定心法、电视定心法和激光干涉技术定心法。2.1透镜表面直接反射像定心法
这种定心方法的原理
如图所示。
图2.1表面反射像定心
定心接头轴线与机床的回转轴重合，并且接头端面精确地垂直于轴线。将透镜胶接于接头端面时，如果胶层非常均匀，则透镜表面“1”球心必然落在接头的轴线上。如果再使透镜表面的“2”的球心也置于接头轴上，则透镜实现了定心。利用透镜表面直接反射灯像的方法进行定心，故称透镜表面直接反射像法。
在保证定心接头轴线与机床的回转轴重合，且接头端面严格垂直于轴线的情况下，将透镜粘结在接头上，定心时，将一光源放在透镜前上方yA处，转动接头，根据非粘结面的光源反射像的跳动来移动透镜，使其光轴与夹头轴线重合。当像撞到上面，则将透镜沿着夹头端面向下移动；像转到下面，则反之，直至像不移动或在允许范围内，即完成定心。一般情况下，透镜粘接面的定心主要靠接头端面的修整精度来保证。
这种定心时用肉眼直接观察像的跳动，与表示中心误差的各参与量之间没有直接的关系，但它的大小反映出透镜中心误差的大小。这种定心法定心精度不高，一般为0.05mm左右。但所需要的设备简单，操作方便，适用于单件或小批量生产。2.2球心自准反射像定心法
2.2.1定心原理
图2.2球心自准反射像法定心原理
1—被定心透镜；2，3—自准显微镜的物镜组成部分；4—分化板。
从十字分划A发出的光线，由垂直放大率为β的光学系统对透镜的表面曲率中心成像，经被检面球心反射回来的十字像位于分划板上A/处。如果透镜的球心偏位c，转动透镜，十字像A/亦随之跳动，像的跳动量为4cβ。若分划板的分划值为b，则允许像A/的跳动格数为
m=4cβ/b
图2.3球心反射像定心仪的光学系统图
1—光源；2—聚光镜；3—分划反光镜；4—物镜；5—可换物镜；6—工件；
7—物镜；8—分划板；9—目镜组；10—接头。
将具有中心误差的透镜粘结在接头上，在确定了球心自准反射定心仪在磨边机上的位置后，观察透镜光学表面曲率中心。转动接头时，观察球心像的跳动量，如果跳动量大，则移动透镜，至球心像不动或跳动在允差范围内，即完成定心。
球心自准像定心法，定心精度较高，可达0.005mm，主要用于直径小、曲率半径小的透镜的定心。但由于视场较小，找像困难。另外，供定心仪移动的导轨与机床主轴的平行度要求太高。因此，在中等精度透镜高效生产中，主要采用机械定心法。
2.2.2成像校正点与定心仪位置的确定
1.校正点位置的确定
所谓校正点就是透镜表面的球心像。当透镜定心时，此像要随接头而移动，定心过程就是通过观测校正像的跳动来实现定心的。因此，首先必须找出球心像的位置（校正点），然后将定心仪物镜前焦点置于校正点上，才能正确观测像的跳动。
透镜表面的校正点与它的曲率中心置于同一纵向位置上，因为反射面的放大倍数是-1。
透镜后表面的定心，一般是靠接头端面的垂直度实现的，所以，通常情况不必用定心仪观测像的跳动。
定心时，首先必须找出透镜的校正点。对于透镜非粘结面，其校正点就是它的去曲率中心，而粘结面的校正点位置可用近轴球面折射公式计算。然后根据校正点到透镜非粘结面的距离，选择合适的物镜。选择的原则是：当物镜的物方焦点置于校正点上时，物镜与透镜非粘结面的距离x不小于10mm，以便于操作。
图2.4定心仪与透镜间的位置关系
2.自准显微镜轴向位置计算
用自准显微镜定心是观察与球面共心的光束所成的像（球心像）来校正透镜的偏心，也就是说将球心像作为自准显微镜的物。透镜的球心像又是由自准显微镜所成的像作为透镜的物所造成的。当球心像的像平面和自准显微镜的物平面（自准显微镜本身的像平面）相重合时，就能在自准显微镜中看到球心像了。
透镜球心像的位置可用折射球面的近轴折射基本公式求出，即
n//s/-n/s=(n/-n)/r
则
s/=n/rs/[nr+(n/-n)s]
式中：s/为像到折射面顶点的距离;
S为物体（发光点）到折射面顶点的距离；
n为第一种介质的折射率；
n/为第二种介质的折射率；
r为球形临界面的半径。
根据上述原理，下表给出了不同形状的透镜在不同的粘结情况下，自准显微镜轴向位置的计算方法。
透镜
类型
定心图示
校正粘结面
平凸
平凹
X1=L1+r2n//(n/-n)
X1—可换物镜面与透镜非粘结面间的距离；
L1—可换物镜第一面到物平面间的距离；
r2—球面曲率半径；
n/—空气的折射率；
n—玻璃的折射率。
符号规则：凸为“+”，凹为“—”。
双凹
双凸
正弯月
负弯月透镜
X1=L1+n/r2s/[nr2+(n/—n)s]
此时s=r1—d
r1—粘结凹面的半径（取负值）；
d—透镜中心厚度；
r2符号规则：凹为正，凸为负。
为了提高定心精度，减轻人眼疲劳，在球心自准定心法基础上，发展了光学电视定心法。这种方法采用自准显微镜观测定心透镜球心像的跳动，然后通过电视屏显示定心误差，因此，精度高、检测直观、效率也高。
2.3.1光学电视定心定心原理
图2.5光学电视定心光学系统
1—光源；2—聚光镜；3—分划板；4—分光镜；5—显微物镜；
6—定心透镜；7—摄像机；8—显示器。
在如图所示的光学电视定心装置中，在定心磨边机的导轨上装有自准显微测量系统。它由光源1、聚光镜2、分划板3、反光镜4、物镜5和电视摄像管7组成。待定心透镜6，用粘结胶粘在定心接头上。
在定心过程中，首先移动自准显微镜，使由物镜5射出的光线，聚集在定心透镜外表面的球心O1上。如果透镜无偏心，则射向定心透镜的光线沿法线方向射入，且反射光线按原路返回，并将分划板的十字丝成像于摄像管7的中心点O1/上。对物镜来说，O1/点与定心透镜第一面（非粘结面）的球心O1是共轭的。转动与机床回转轴有高度同轴性的定心接头时，球心O1的自准像，O1/不动，则表面定心透镜的光轴与机床的回转轴（即定位轴）重合；否则，如果透镜有偏心，转动定心接头时，自准像O1/将发生跳动，这时加热定心接头使粘结胶软化，将透镜的粘结面沿夹头端面作上下、左右移动，直到主轴回转时，在电视显示屏上的像无跳动或在允许的公差范围内跳动，即透镜实现定心。
2.3.2光学电视定心精度分析
采用光学电视定心法，其定心误差应包括透镜两表面定心误差的总和。但粘结面的定心精度已由夹头端面垂直度保证，因此透镜的定心精度是由非粘结面的定心精度决定的。
设电视摄像管的分辨率为N，显微镜的放大率为β，则通过电视系统所观察到的非粘结面球心，随主轴回转时的跳动量为（1/N）·（1/β）。由此可得定心透镜非粘结面球心离回转轴的垂直距离为C，则表示光学电视定心法的定心精度为
C=1/4Nβ
如上述分析可看出：光学电视定心法布球心自准像定心法的精度高，而且定心快，适用于高精度透镜大批量生产的定心，但定心效率仍未有机械定心法高。
2.3.3电视定心磨边机
如图所示为双光电路定心磨边机，可用于不透可见光材料透镜及一般透镜的外圆、端面整平、倒角等工序。在透镜两端各置一光学定中心仪，并连接显像装置观察，找正光轴后进行磨边。设备参数如下：
加工透镜的最大直径：Φ180mm；工件主轴中心高：136mm；
砂轮主轴与工件主轴中心线距离：70mm～180mm；工件主轴转速：63r/min、127r/min、254r/min；工件主轴往复速度：151p/min；工件主轴往复行程：0～40mm；砂轮主轴转速：3560r/min；砂轮规格：Φ150mm×Φ32mm×20mm；电机总功率：0.58kw；圆度：≤0.005mm；外圆与光学轴心同轴度：≤0.005mm。
透射像定心是通过观察透镜的透射像与几何轴的偏离来定心的。将透镜胶在接头上，接头的端面严格垂直于机床主轴，即几何轴。定心时，转动透镜，则通过透镜透射过来的十字分划像有跳动，其跳动量表示透镜像方焦点对基准轴的偏离量，反映出透镜几何轴与光轴在透镜光心处的偏离量。
1—光源；2—聚光镜；3—十字分划板；4—准直物镜；5—接头；6—工件；7—可调物镜；8—固定物镜；9—直角棱镜；10—分划板；11—目镜
透镜偏心差c由下式求出：
c=bn/2β
式中：β为物镜放大镜；
B为分划板实际格值；
n为跳动格数。
透射像定心法有个最大的不足，就是当透镜像方焦点对基准轴的偏离量为零，而光轴与基准轴仍有交角时，透镜实际存在的偏心差无法反映出来。
2.5.1激光定心仪
激光定心仪有三部分组成，即可调焦的激光器、二维的位置传感器、电子处理和显示部分。其测量原理是：从激光发出的光经可调焦的光学系统通过定心透镜，在透镜后用带可调千分尺的光电晶体转换器接收光点像，然后将光点像显示在显示器上。透镜是夹在两个空心夹具（接头）之间的，激光可以通过，而且是通过透镜的中心。通过转动透镜可以从光点在感光片商的移动确定偏心差是多少。
2.5.2激光定心原理及装置
激光定心装置中：
A、B—聚焦装置；C—反射镜；D—被定心透镜；E—聚焦旋钮；F—亮度旋钮；
M—转换器；S—红色指示灯；X—水平位移旋钮；Y—纵向位移旋钮；G—放大倍数旋钮；L—400mm。
在机械自动定心机床上，右边加上激光发生器，左边装置为激光转换仪（屏幕显示装置），被定心透镜夹持在左右两根高精度空心夹具上，紫红色的激光束从激光发生器中射出，通过A与B两块光学透镜聚焦（此两块透镜可根据被加工透镜曲率半径大小来调节焦距）。激光光束再通过反射镜C，成90度折射，通过右空心轴，再通过被定心透镜D，又通过左空心轴，直射到带可调千分尺的光电晶体转换器M上。
在光学晶体转换器M上，激光束瞬间被吸收并被转换成电子流，转换后的电流相当微弱，经放大后，紫红色的激光束转换成不刺眼的绿色亮点，随着被定心透镜D的旋转，在显示仪屏幕上显示的绿色光点作圆周轨迹旋转。如果在同一折射率条件下，则光点旋转轨迹直径小，透镜定心好。
屏幕X与Y坐标每格读数值：一大格分五小格，每小格为2mm。在透镜定心过程中为了看清屏幕上光点旋转轨迹，必须予以放大，它必须配合光电转换元件座上的附加千分尺M来进行调节。用这种方法就可以保证定心透镜最后的定心精度。
2.5.3精度分析
透镜通过激光束定心，在屏幕上按放大倍数显示读数，此读数不是真正的透镜面倾角的角秒精度值，要想得到精确角秒值，可用以下计算公式：
x=103000Φ/L﹒K(n-1)
式中：x—表面倾角；
L—被加工透镜到光电转换器的距离；
K—显示装置放大倍数；
n—透镜的折射率；
Φ—显示屏幕中绿光点旋转直径；
103000—计算系数。
在实际操作过程中，为更方便地得到表面倾角，一般可直接查表。而且查表数值与计算所得数值基本上吻合。