CN113031296B - 可快速装调的金属基自由曲面三反光学系统的装调方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可快速装调的金属基自由曲面三反光学系统的装调方法，该方法如下：将主镜安装固定在系统安装框架上，利用主镜三个定位基准确定主镜的位置和姿态；以主镜为基准建立全局坐标系；将次镜参照计算出的理论位置和姿态安装在系统安装框架上；确定次镜的三个定位基准在全局坐标系下的实际位置和姿态；计算次镜三个定位基准的实际位置与理论位置之间的偏差并将其作为次镜调整垫的理论厚度；在次镜与系统安装框架之间安装加工好的次镜调整垫，对次镜姿态进行微调并固定，完成次镜装调；三镜装调方法完成与次镜相同。本发明实现了反射镜设计、加工和装调基准的统一，实现了反射镜之间相对位置的高精度配准，进而保证了最终的成像质量。

Description

可快速装调的金属基自由曲面三反光学系统的装调方法

技术领域

本发明属于自由曲面光学系统，涉及一种金属基自由曲面三反光学系统的装调方法。

背景技术

相比于传统的光学系统，自由曲面光学系统提供了更多的设计自由度，同等条件下系统的像差校正能力更强，系统的结构更紧凑。但是，自由曲面光学系统失去了传统光学系统在结构上的旋转对称性，使得系统的研制难度显著增大，特别是在系统装调过程中，需要研制专门的检具实现对反射镜的定位。

同轴反射镜的光轴与反射镜的几何中心轴重合，利用这一特点，可以对反射镜进行快速准确的定位。离轴光学系统也有一个系统的光学基准轴，但是由于反射镜的机械轴相对与系统光学轴存在偏离量，往往需要借助外部的检具进行基准传递，或者在设计和制造过程中统筹考虑好光学基准、结构基准以及加工基准的传递，实现装调定位。自由曲面光学系统中，自由曲面反射镜与系统光轴之间的关系更为复杂，不是简单的偏离关系，反射镜的六个自由度都要进行准确的配准，才能保证最后系统的成像质量。

中国专利公报公开了“一种离轴四反镜头的初装定位方法”(CN201410219039.2)，所述的离轴四反镜头包括主反射镜、次反射镜、第三反射镜、平面反射镜，其中主反射镜和第三反射镜为离轴非球面反射镜。利用零位补偿器对离轴反射镜光轴方向进行校准,四杆定位为各反射镜空间位置的调整提供基准,多台经纬仪组网实现、反射镜组件的初装定位。该方法结合光轴外引和四杆定位技术保证了离轴四反镜头初装达到一定的精度，为光学系统计算机辅助装调建立一个合理的起始点；利用干涉仪和不同的零位补偿器配合，实现不同离轴反射镜之间偏离量的调整，最终将各反射镜的光学轴进行统一，实现准确定位。虽然这种方法经过改进后，也可以用于自由曲面光学系统的装调，但是装调过程繁琐复杂，无法实现快速装调，并且需要专门研制零位补偿器检具进行定位，成本较高。

中国专利公报公开了的“可快速装调的金属基离轴三反光学系统及其装调方法”

(CN202010064183.9)，所述的离轴三反光学系统中，主镜、三镜为离轴反射镜，次镜为同轴反射镜，三块反射镜的光轴重合；主镜和A辅助定位圆柱固定在主三镜安装框架上，且主镜背部的A垂直定位平面贴靠主三镜安装框架的定位平面，底部V型定位面卡在A辅助定位圆柱上；三镜安装固定在主三镜安装框架上，其顶部V型定位面卡在A辅助定位圆柱下面；次镜通过安装在次镜定位框架上；入射光线依次经过主镜、次镜和三镜反射后汇聚到像面。该系统的装调方法利用了离轴三反光学系统反射镜光轴统一的特性，结合金属反射镜特有的制造工艺流程，通过有效的基准传递，实现了离轴光学系统的快速装调。但是这种技术方案仅适用于有统一基准光轴的离轴光学系统，而自由曲面光学系统中每个自由曲面反射镜都有自己单独的基准光轴，反射镜之间相对位置关系更为复杂，因此这种方法无法用于自由曲面光学系统。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可快速装调的金属基自由曲面三反光学系统的装调方法，该方法能够实现自由曲面反射镜设计、制造和装调基准的有机统一，从而为后续光学系统的精调快速建立一个初始点。

为了解决上述技术问题，本发明的可快速装调的金属基自由曲面三反光学系统的装调方法如下：

将主镜安装固定在系统安装框架上，利用三坐标测量机测量出主镜的三个定位基准，即背部基准、位置基准和零位基准的空间位置，结合主镜镜面中心到背部基准的距离确定主镜的位置和姿态；以主镜镜面的AO点为原点，以主镜的X、Y、Z三个方向轴建立坐标系，作为系统的全局坐标系；其中AO点为通过主镜通光几何中心且与主镜的背部基准垂直的轴线与主镜镜面的交点；根据光学系统的设计数据计算出次镜和三镜的三个定位基准，即背部基准、位置基准和零位基准在全局坐标系下的理论位置和姿态；将次镜参照理论位置和姿态安装在系统安装框架上，利用三坐标测量机测量出次镜的三个定位基准的位置并计算出三个定位基准在全局坐标系下的实际位置和姿态；计算次镜三个定位基准的实际位置与理论位置之间的偏差并将其作为次镜调整垫的理论厚度；将次镜调整垫加工到理论厚度，将次镜卸下，在次镜与系统安装框架之间安装加工好的次镜调整垫，通过安装螺钉对次镜姿态进行微调并固定使其趋近理论姿态，完成次镜装调；三镜装调方法完成与次镜相同；所述主镜、次镜、三镜的背部基准用于约束镜体绕X向转动、绕Y向转动和沿Z向移动，位置基准用于约束镜体沿X向移动和沿Y向移动，零位基准用于约束镜体绕Z向转动。

所述的主镜的背部基准通过测量系统安装框架上的主镜安装平面获得。

所述主镜的通光孔径为圆形，其背部基准、位置基准和零位基准分别为主镜背部平面基准AA、主镜外圆柱面基准AB和主镜零位平面基准AC。

所述次镜的通光孔径为矩形，其背部基准、位置基准、零位基准分别为次镜背部平面基准BA、次镜侧面平面基准BB和次镜零位平面基准BC、次镜零位平面基准BC。

所述三镜的通光孔径为矩形，其背部基准、位置基准、零位基准分别为三镜背部平面基准CA，三镜侧面平面基准CB和三镜零位平面基准CC、三镜零位平面基准CC。

所述三个反射镜，即主镜、次镜、三镜的加工方法如下：

工装为圆形的平板，其上具有与反射镜安装孔相匹配的螺纹连接孔；将工装安装到单点金刚石车床后，利用单点对其外圆和安装平面进行加工，加工后的外圆轴线与安装平面垂直；利用螺钉将反射镜与工装连接在一起，连接过程借助三坐标测量机监控工装的中心轴与反射镜的几何中心位置，利用反射镜上的安装孔与螺钉之间的间隙实现反射镜与工装之间的微量调整，使反射镜的几何中心与工装的中心轴对准；将连接好反射镜的工装安装到单点金刚石车床上，缓慢转动单点金刚石车床的主轴，监控工装外圆的跳动量，使工装的中心轴与单点金刚石车床的主轴对准；以反射镜零位基准水平状态作为单点金刚石车床的Z轴基准零位，利用单点金刚石车床的慢刀伺服功能对反射镜的镜面进行加工。

本发明实现了反射镜设计、加工和装调基准的统一；设计阶段利用不同的基准组合，实现自由曲面反射镜6个自由度的完全限定；加工阶段发挥金属反射镜的制造优势，结合单点金刚石车削的慢刀伺服车削技术，直接加工出自由曲面，加工前利用反射镜的定位基准与金刚石车床的基准进行对准，实现设计基准向制造基准的传递；装调阶段通过预先控制各反射镜间定位基准的相互关系，实现了反射镜之间相对位置的高精度配准，进而保证了最终的成像质量。

本发明能够充分发挥金属反射镜一体化设计的优势，同时结合金属镜特有的制造工艺，实现了自由曲面反射镜设计、制造和装调基准的有机统一，给出了金属基自由曲面光学系统的设计和初装定位方法，为后续光学系统的精调快速建立一个初始点。与原有技术相比，本发明的优点在于：反射镜的定位无需通过专用的检具实现，简化了自由曲面三反光学系统的装调复杂度，有效提高了系统装调效率，降低了制造成本。

附图说明

图1是本发明的可快速装调的金属基自由曲面三反光学系统示意图。

图2是主镜基准分布。

图3是次镜基准分布。

图4是三镜基准分布。

具体实施方式

如图1所示，本发明涉及的可快速装调的金属基自由曲面三反光学系统包括三个反射镜，即主镜1、次镜2、三镜3、系统安装框架4、次镜调整垫4-1、三镜调整垫4-2；入射光线依次经过主镜1、次镜2和三镜3后，汇聚到像面5，实现成像；三个反射镜均为自由曲面反射镜，每个反射镜有自己独立的坐标系；次镜调整垫4-1、三镜调整垫4-2通过螺钉安装在系统安装框架4上，次镜2和三镜3分别通过螺钉安装在次镜调整垫4-1、三镜调整垫4-2上。

本发明每个反射镜都有三个定位基准，包括约束绕X向转动、绕Y向转动和沿Z向移动的背部基准，约束沿X向移动和沿Y向移动的位置基准，约束绕Z向转动的零位基准。三个定位基准组合实现自由曲面反射镜6个自由度的完全约束，根据反射镜通光口径的形状的差异，所选择的定位基准形式有所不同。

所述的主镜1有三个定位基准：主镜背部平面基准AA、主镜外圆柱面基准AB和主镜零位平面基准AC分别作为背部基准、位置基准和零位基准；主镜外圆柱面基准AB和主镜零位平面基准AC垂直于主镜背部平面基准AA；通过主镜通光几何中心且与主镜背部平面基准AA垂直的轴线，与主镜镜面的交点定义为AO点；其中主镜零位平面基准AC可以为主镜顶部平面基准或者底部平面基准。

主镜1的通光孔径为圆形，主镜背部平面基准AA可以约束两个旋转方向(绕X向和绕Y向转动)和一个平移方向(沿Z向移动)的自由度；主镜外圆柱面基准AB可以约束两个平移方向(沿X向和沿Y向移动)的自由度；主镜零位平面基准AC可以约束一个旋转方向(绕Z向转动)的自由度。

次镜2有三个定位基准：次镜背部平面基准BA、次镜侧面平面基准BB和次镜零位平面基准BC；其中，次镜背部平面基准BA作为背部基准，次镜侧面平面基准BB和次镜零位平面基准BC共同作为位置基准，次镜零位平面基准BC作为零位基准，三个基准相互垂直；通过次镜通光几何中心且与次镜背部平面基准BA垂直的轴线，与次镜镜面的交点定义为BO点；其中次镜零位平面基准BC可以为次镜顶部平面或者底部平面。

次镜2的通光孔径为矩形，次镜背部平面基准BA可以约束两个旋转方向(绕X向和绕Y向转动)和一个平移方向(沿Z向移动)的自由度；次镜侧面平面基准BB可以约束一个平移方向(沿X向移动)；次镜零位平面基准BC可以约束一个平移方向(沿Y向移动)的自由度和一个旋转方向(绕Z向转动)的自由度；次镜侧面平面基准BB也可以作为限制绕Z向转动自由度的零位平面基准。

三镜3有三个定位基准：三镜背部平面基准CA，三镜侧面平面基准CB和三镜零位平面基准CC；三镜背部平面基准CA作为背部基准，三镜侧面平面基准CB和三镜零位平面基准CC共同作为位置基准，三镜零位平面基准CC作为零位基准，三个基准相互垂直，通过三镜通光几何中心且与背部平面基准CA垂直的轴线与反射镜镜面的交点定义为CO点；其中三镜零位平面基准CC可以为三镜顶部平面或者底部平面。

三镜3的通光孔径为矩形，三镜背部平面基准CA可以约束两个旋转方向(绕X向和绕Y向转动)和一个平移方向(沿Z向移动)的自由度；三镜侧面平面基准CB可以约束一个平移方向(沿X向移动)；三镜零位平面基准CC可以约束一个平移方向(沿Y向移动)的自由度和一个旋转方向(绕Z向转动)的自由度；三镜侧面平面基准CB也可以作为限制绕Z向转动自由度的零位平面基准。

主镜1、次镜2和三镜3不限于上述形状，其中主镜也可以是矩形或者其他形状，次镜2和三镜3也可以采用圆形或其他形状。

反射镜光学基准与加工定位基准统一的加工方案：(1)、反射镜单点加工前的工装准备：工装是一个圆形的平板，工装上具有与反射镜安装孔相匹配的螺纹连接孔，工装安装到单点金刚石车床后，利用单点对其外圆和安装平面进行加工，获得高精度的形状精度，加工后的外圆轴线与安装平面严格垂直。(2)、反射镜与工装的连接：利用螺钉将反射镜与工装连接在一起，连接过程借助三坐标测量机监控工装的中心轴与反射镜的几何中心位置，利用反射镜上的安装孔与螺钉之间的间隙实现反射镜与工装之间的微量调整，使反射镜的几何中心与工装的中心轴对准；3、工装与单点金刚石车床的对准：将连接好反射镜的工装安装到单点金刚石车床上，缓慢转动单点金刚石车床的主轴，监控工装外圆的跳动量，使工装的中心轴与单点金刚石车床的主轴对准；4、反射镜与单点金刚石车床的的对准：自由曲面反射镜需要利用单点金刚石车床的慢刀伺服功能进行加工，加工前需要设定一个绕Z轴的基准零位，本发明以反射镜零位基准水平状态设定为单点金刚石车床的Z轴基准零位限定Z轴转动；5、自由曲面加工：利用单点金刚石车床的慢刀伺服功能，通过主轴C轴与移动轴X轴、Z轴的联动功能，完成三个反射镜自由曲面加工；通过加工程序可以准确控制并获得反射镜镜面中心点到背部基准的距离。

快速定位的装调方案：装调过程需要借助便携式的三坐标测量机来完成，如Faro公司的测量臂；利用三坐标测量机确定反射镜三个定位基准的空间位置，并结合慢刀伺服加工过程给出的反射镜镜面中心到背部基准平面的准确距离，可以准确的获得反射镜的位置和姿态信息，装调过程如下：

(1)、将主镜1安装在系统安装框架4上，利用三坐标测量机可以测量出主镜1三个定位基准的位置，其中主镜背部平面基准AA可以通过测量系统安装框架4上的主镜安装平面获得；结合主镜1镜面中心到背部基准的距离确定主镜1的位置和姿态；以主镜镜面的AO点为原点，以主镜1的X、Y、Z三个方向轴建立坐标系，作为系统的全局坐标系；(2)、结合三反光学系统的设计数据，可以计算出次镜2、三镜3三个定位基准在全局坐标系下的理论位置和姿态；(3)、将次镜2直接安装在系统安装框架4上，利用三坐标测量机可以测量出次镜的三个定位基准的位置并计算出次镜三个定位基准在全局坐标系下的实际位置和姿态；(4)、计算次镜三个定位基准的实际位置与理论位置之间的偏差并将其作为次镜调整垫4-1的理论厚度；(5)、将次镜调整垫4-1加工到理论厚度，将次镜卸下，在次镜与系统安装框架4之间安装加工好的次镜调整垫4-1，通过安装螺钉对次镜姿态进行微调并固定使其趋近理论姿态，完成次镜装调；(6)、重复步骤(3)～(5)完成三镜装调。

Claims (6)

1.一种可快速装调的金属基自由曲面三反光学系统的装调方法，其特征在于该方法如下：

将主镜(1)安装固定在系统安装框架(4)上，利用三坐标测量机测量出主镜(1)的三个定位基准，即背部基准、位置基准和零位基准的空间位置，结合主镜(1)镜面中心到背部基准的距离确定主镜(1)的位置和姿态；以主镜镜面的AO点为原点，以主镜(1)的X、Y、Z三个方向轴建立坐标系，作为系统的全局坐标系；其中AO点为通过主镜通光几何中心且与主镜的背部基准垂直的轴线与主镜镜面的交点；根据光学系统的设计数据计算出次镜(2)和三镜(3)的三个定位基准，即背部基准、位置基准和零位基准在全局坐标系下的理论位置和姿态；将次镜(2)参照理论位置和姿态安装在系统安装框架(4)上，利用三坐标测量机测量出次镜的三个定位基准的位置并计算出三个定位基准在全局坐标系下的实际位置和姿态；计算次镜三个定位基准的实际位置与理论位置之间的偏差并将其作为次镜调整垫(4-1)的理论厚度；将次镜调整垫(4-1)加工到理论厚度，将次镜卸下，在次镜与系统安装框架(4)之间安装加工好的次镜调整垫(4-1)，通过安装螺钉对次镜姿态进行微调并固定使其趋近理论姿态，完成次镜装调；三镜装调方法完成与次镜相同；所述主镜(1)、次镜(2)、三镜(3)的背部基准用于约束镜体绕X向转动、绕Y向转动和沿Z向移动，位置基准用于约束镜体沿X向移动和沿Y向移动，零位基准用于约束镜体绕Z向转动。

2.根据权利要求1所述的可快速装调的金属基自由曲面三反光学系统的装调方法，其特征在于所述的主镜的背部基准通过测量系统安装框架(4)上的主镜安装平面获得。

3.根据权利要求1所述的可快速装调的金属基自由曲面三反光学系统的装调方法，其特征在于所述主镜(1)的通光孔径为圆形，其背部基准、位置基准和零位基准分别为主镜背部平面基准AA、主镜外圆柱面基准AB和主镜零位平面基准AC。

4.根据权利要求1所述的可快速装调的金属基自由曲面三反光学系统的装调方法，其特征在于所述次镜(2)的通光孔径为矩形，其背部基准、位置基准、零位基准分别为次镜背部平面基准BA、次镜侧面平面基准BB和次镜零位平面基准BC、次镜零位平面基准BC。

5.根据权利要求1所述的可快速装调的金属基自由曲面三反光学系统的装调方法，其特征在于所述三镜(3)的通光孔径为矩形，其背部基准、位置基准、零位基准分别为三镜背部平面基准CA，三镜侧面平面基准CB和三镜零位平面基准CC、三镜零位平面基准CC。

6.根据权利要求1所述的可快速装调的金属基自由曲面三反光学系统的装调方法，其特征在于所述三个反射镜，即主镜(1)、次镜(2)、三镜(3)的加工方法如下：

工装为圆形的平板，其上具有与反射镜安装孔相匹配的螺纹连接孔；将工装安装到单点金刚石车床后，利用单点对其外圆和安装平面进行加工，加工后的外圆轴线与安装平面垂直；利用螺钉将反射镜与工装连接在一起，连接过程借助三坐标测量机监控工装的中心轴与反射镜的几何中心位置，利用反射镜上的安装孔与螺钉之间的间隙实现反射镜与工装之间的微量调整，使反射镜的几何中心与工装的中心轴对准；将连接好反射镜的工装安装到单点金刚石车床上，缓慢转动单点金刚石车床的主轴，监控工装外圆的跳动量，使工装的中心轴与单点金刚石车床的主轴对准；以反射镜零位基准水平状态作为单点金刚石车床的Z轴基准零位，利用单点金刚石车床的慢刀伺服功能对反射镜的镜面进行加工。

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