CN102539123A

CN102539123A - 一种基于定心加工的大口径非球面反射镜确定光轴的方法

Info

Publication number: CN102539123A
Application number: CN2012100127770A
Authority: CN
Inventors: 韩娟; 陈建军; 段嘉友; 李华; 付兴; 康健; 仝宇高
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2032-01-16
Also published as: CN102539123B

Abstract

本发明提供一种基于定心加工的大口径非球面反射镜确定光轴的方法，主要解决了现有方法装调的大口径非球面反射镜成像质量较差，调试难度高、工作不稳定的问题。本发明采用的基于定心加工的大口径非球面反射镜确定光轴的方法，可以对大口径非球面反射镜装调，反射镜的口径大、体积大、重量重；降低了装调难度，避免了机械件变形和系统不稳定等因素；提高了确定光轴的精度，保证了高精度的同心度，降低了操作难度。相比其他方法，采用定心加工的光学系统在结构设计上更简单更稳定，很好的保证了航天任务在恶劣环境下的精度要求。

Description

一种基于定心加工的大口径非球面反射镜确定光轴的方法

技术领域

本发明涉及光学领域，具体是一种基于定心加工的大口径非球面反射镜确定光轴的方法。

背景技术

随着我国科学技术的发展，大口径光学系统在天文光学、空间遥感光学和空间地基目标探测与识别等领域都有越来越广泛的应用。

光学系统中大口径非球面反射镜的装调质量就对系统成像质量起着举足轻重的作用。但由于国内光学装调技术水平的相对落后，严重制约了光学系统在研制过程中的研制进度和成像质量，特别是对大口径非球面反射镜进行装调时，存在与以下问题：

传统的调整非球面反射镜光轴与镜框的垂直度采用的是修切厚度不同的修切垫圈的方法。但通过多次实践证明，这样的方法会引入机械件变形、操作繁琐和系统不稳定等因素。采用加入修研厚度不同的修切圈的方法，会使镜框相对于连接镜筒倾斜可达0.07mm。这是一倾斜接触面，当用连接螺钉连接时，会引起机械件变形从而导致镜面的变形，并且由于连接点非面接触，也会使系统很不稳定。随着温度变化系统的成像质量有明显的改变，经不起环境实验的考验，更难保证通过航天震动的检验。

现有技术中一般利用非球面的数学特性和非球面无像差点等方法来确定非球面的光轴。对于大口径非球面反射镜来说，确定它的光轴，在实际调试中发现有以下问题：(1)装调设备复杂，不易操作。对于有的非球面反射镜就无法在现有设备上实现。(2)监测光路的搭建较繁琐，且搭建光路受到如操作空间小、监测距离较远所引起的光强度弱等因素的影响。(3)装调难度大、周期长。由于装调设备复杂，对操作者的要求较高，花费的装调时间长。(4)装调精度不是太高。主要由于装调设备、搭建光路等因素影响。

同时，现有技术也会采用反射镜内圆和外圆环带的曲率半径中心像这两点来确定非球面反射镜的光轴。但当应用该方式确定大口径非球面反射镜光轴时，如果这两点的法线像差很短，就会产生很大的光轴偏差。

发明内容

本发明提供一种基于定心加工的大口径非球面反射镜确定光轴的方法，主要解决了现有方法装调的大口径非球面反射镜成像质量较差，调试难度高、工作不稳定的问题。

本发明的具体技术解决方案如下：

该基于定心加工的大口径非球面反射镜确定光轴的方法，包括以下步骤：

1]将非球面反射镜组件固定设置于立车工作台面上，使非球面反射镜组件的镜框外圆与立车主轴同心，精度≤0.02mm；所述立车工作台为四维立车工作台；

2]调整光学定心仪，使光学定心仪焦点位于非球面反射镜的曲率半径中心像处；

3]调整立车工作台XY方向，使曲率半径中心像成像于定心仪中，当车床360°旋转时，该像始终在定心仪视场内，此时的反射镜最外圆镀膜面的端面跳动误差≤0.002mm；

4]测量非球面反射镜组件中镜框的外端面，调整工作台使镜框径向跳动和端面跳动均＜0.03mm；此时，用经步骤2调整的光学定心仪测量步骤3中曲率半径中心像晃动量，曲率半径中心像的晃动量≤0.005mm；

5]开启立车，车削镜框的端面和外圆。

上述步骤3中，其具体是用千分表监视非球面反射镜最外圆镀膜面，调整工作台XY方向移动及俯仰，当车床在360°旋转时，用千分表在镜框0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°处的端面读数，各点均进行三次读数后取平均值；

上述步骤4完成后，隔3～5小时(以4小时为佳)进行稳定后进行复测，若精度满足步骤3、4中记载的精度要求以及车削精度要求，再进入步骤5进行处理；

上述步骤5完成后11～13(以12小时为佳)小时进行复测，若精度满足步骤3、4中记载的精度要求，则加盖保护盖保护镜面，若不满足精度要求，重新加工；

上述各步骤中精度测量时，均采用千分表；

上述步骤1中，非球面反射镜组件中镜框外圆通过压板固定于立车工作台面上。

上述步骤5中，车削的参数为40r/min，0.05mm的车削量。

本发明的优点在于：

本发明采用的基于定心加工的大口径非球面反射镜确定光轴的方法，可以对大口径非球面反射镜装调，反射镜的口径大、体积大、重量重；降低了装调难度，避免了机械件变形和系统不稳定等因素；提高了确定光轴的精度，保证了高精度的同心度，降低了操作难度。相比其他方法，采用定心加工的光学系统在结构设计上更简单更稳定，很好的保证了航天任务在恶劣环境下的精度要求。

附图说明

图1为定心加工示意图；

图2为光学零件示意图。

具体实施方式

为了实现对大口径望远系统的装调，提高系统的光学成像质量，针对其中的大口径非球面反射镜，本发明采用了高精度定心加工方法。该方法不同于传统的修切垫圈调整法，不仅大大降低了调试难度，而且消除了系统的不稳定性。使反射镜的光轴与其镜框端面的垂直度达到了μm级，同心度＜0.01mm，可以认为加工过的镜框的端面和径向圆周面完全可以确定非球面反射镜的光轴，为系统取得良好的成像质量奠定了坚实的基础。

以下结合具体实施例及附图对本发明进行详述：

1]将非球面反射镜组件放置于立车工作台面上，牢固固定于工作台上，调整镜框，使镜框外圆和立车主轴同心，用千分表1监测，精度在0.02mm左右，用压板将镜框外圆压牢；通过调整立车四维工作台，使非球面反射镜的光轴与立车主轴基本同轴。

2]调整光学定心仪，使定心仪焦点位于非球面反射镜的曲率半径中心像处，以备定心仪监测；

3]调车床四维工作台XY方向，使曲率半径中心像成像于定心仪中；当车床360°旋转时，曲率半径中心像始终在定心仪视场内；用千分表3监视镜子最外圆镀膜面，调整工作台XY方向移动及俯仰，当车床在360°旋转时，千分表在0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°处的镜框端面的读数误差≤0.002mm，这一过程应读数三遍取平均值，工作中注意在车床旋转时，避免划伤镜面；该步骤主要是通过调整立车四维工作台，保证当车床360°旋转时，使非球面反射镜的曲率半径中心像始终在定心仪视场内，且定心仪也与车床主轴同轴。

4]用千分表2测量镜框的外端面，调工作台使镜框径向跳动和端面跳动均＜0.03mm；定心仪测量曲率半径中心像晃动量，经定心仪、CCD的放大，曲率半径中心像的晃动量≤0.005mm，重复使满足要求后，将工作台锁紧，并隔4小时稳定后再复测，保证精度无变化；通过调整立车四维工作台，测量和调整镜框外圆的端面跳动和径向跳动，使非球面反射镜光轴不但与车床主轴同轴，也与定心仪光轴同轴；

5]开立车，车削镜框的端面和外圆，车削过程前，应在镜子上加盖保护盖，加以保护，车削过程中，用毛刷蘸酒精在切削处降温；车削完后，测量加工尺寸，停车12小时后再复测车削精度，加盖保护盖，保护镜面。车削的参数以40r/min，0.05mm的车削量为佳，相近的参数也可以实现但效果较差。

采用高精度定心加工的方法，可以对大口径非球面反射镜装调，反射镜的口径大、体积大、重量重；例如：反射镜是口径为Φ520mm的凹椭球面反射镜，虽对反射镜做了轻量化加工，但裸镜仍有约26公斤，加上镜座等组件，总重接近50公斤。

采用高精度定心加工的方法，使非球面反射镜的光轴与其镜框端面的垂直度都达到了μm级，同心度＜0.01mm，可以认为加工过的镜框的端面和径向圆周面完全可以确定非球面反射镜的光轴，精密加工过的连接镜筒的同心度和两端面的平行度均为0.005mm，这样使得镜框与镜筒连接为面接触，不会产生机械件变形从而导致镜面的变形，也不会产生系统的不稳定。

采用定心加工的方法，非球面反射镜光轴的晃动量为0.005mm。

采用在镜面接触测量的方式，测光学件表面的端面跳动，使得测量精度大大提高。根据本非球面反射镜设计，应通过内圆和外圆的曲率半径中心像这两点来确定主镜的光轴，但通过计算得非球面反射镜的这两点的法线像差仅为19.54mm，对于口径为Φ520mm，内圆曲率半径为1600mm来说，这样小的数值差很难确定光轴位置，因为这两点的连线如果略微倾斜，就会产生很大的光轴偏差。所以非球面反射镜外圆的晃动量完全用打表的办法测量，避免了光轴的较大偏差。

定心加工调整好后，千分表测得的镜框径向跳动≤0.01mm，镜框端面跳动量≤0.004mm，非球面反射镜最大镀膜面外边缘的端面跳动≤0.002mm，非球面反射镜光轴的晃动量≤0.005mm，完全满足设计要求并有提高。

Claims

1.一种基于定心加工的大口径非球面反射镜确定光轴的方法，其特征在于，包括以下步骤：

3]调整立车工作台XY方向，使曲率半径中心像成像于定心仪中，当车床360°旋转时，曲率半径中心像成像始终在定心仪视场内，此时的反射镜最外圆镀膜面的端面跳动误差≤0.002mm；

5]开启立车，车削镜框的端面和外圆。

2.根据权利要求1所述的基于定心加工的大口径非球面反射镜确定光轴的方法，其特征在于：所述步骤3中，其具体是用千分表监视非球面反射镜最外圆镀膜面，调整工作台XY方向移动及俯仰，当车床在360°旋转时，用千分表在镜框0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°处的端面读数，各点均进行三次读数后取平均值。

3.根据权利要求1所述的基于定心加工的大口径非球面反射镜确定光轴的方法，其特征在于：所述步骤4完成后，隔3～5小时进行稳定后进行复测，若精度满足步骤3、4中记载的精度要求以及车削精度要求，再进入步骤5进行处理。

4.根据权利要求1所述的基于定心加工的大口径非球面反射镜确定光轴的方法，其特征在于：所述步骤5完成后11～13小时进行复测，若精度满足步骤3、4中记载的精度要求，则加盖保护盖保护镜面，若不满足精度要求，重新加工。

5.根据权利要求1所述的基于定心加工的大口径非球面反射镜确定光轴的方法，其特征在于：所述各步骤中精度测量时，均采用千分表。

6.根据权利要求1所述的基于定心加工的大口径非球面反射镜确定光轴的方法，其特征在于：所述步骤1中，非球面反射镜组件中镜框外圆通过压板固定于立车工作台面上。

7.根据权利要求1所述的基于定心加工的大口径非球面反射镜确定光轴的方法，其特征在于：所述步骤5中车削的参数为40r/min，0.05mm的车削量。