CN103402114B - 高精度可见光成像系统组合调校、对接方法及机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种实现可见光成像系统和成像焦平面组合调校、对接方法及机构，主要解决了现有的像面对接过程中无法保证光学成像系统光轴与成像焦平面的垂直度精度、光学成像系统光轴与成像焦平面靶面中心法线的重合度精度和光学成像系统像面与成像焦平面的重合度精度问题。通过高精度双轴车床一次装夹同时实现了达到既定的调整目标和调整精度后对焦平面组件的对接基准面和光学镜头安装法兰端面的车削加工，以保证两个平面的平行度，充分消除了焦平面组件和光学镜头两个部件在前期装配环节导致的装配误差。

Description

高精度可见光成像系统组合调校、对接方法及机构

技术领域

本发明涉及一种实现可见光成像系统与焦平面高精度组合调校、对接方法及机构。

背景技术

可见光光学成像系统与焦平面组成的相机是航空、航天领域飞行器的重要载荷，为各类任务提供视频图像及高分辨率图片，特别是各种高分辨率对地观测相机，此类长焦距光学系统对其光学系统光轴与成像焦平面的垂直度、光轴与成像焦平面靶面中心法线的重合度、光学系统像面与成像焦平面的重合度要求非常高，如何在相机装配过程中保证上述指标要求成为决定相机成像质量和测量精度的重要环节。

传统的光学成像系统与焦平面对接是通过反复修切光学镜头安装法兰与固定焦平面组件的结构件之间的垫片厚度来完成光学系统与图像传感器焦平面的对接。此方法无法精确控制光学系统光轴与成像焦平面的垂直度和光轴与成像焦平面靶面中心法线的重合度，造成光学系统成像后图像清晰度不对称、图像中心不对称，并造成诸多影响测量精度的不确定因素。

发明内容

本发明提供一种实现可见光成像系统和成像焦平面组合调校、对接方法及机构，主要解决了现有的像面对接过程中无法保证光学成像系统光轴与成像焦平面的垂直度精度、光学成像系统光轴与成像焦平面靶面中心法线的重合度精度和光学成像系统像面与成像焦平面的重合度精度问题。

本发明的具体技术解决方案如下：

该高精度可见光成像系统焦平面组合调校、对接机构，包括高精度双轴车床组成的双轴平台，双轴平台的两个旋转轴内端均与可实现四自由度调整的对心调整装置一侧连接；所述两个旋转轴包括车床右轴和车床左轴，其中靠近车床左轴外端一侧沿光路输出方向依次设置有平行光管和内调焦对心仪，车床左轴的对心调整装置上设置有光学镜头；所述平行光管光轴与车床左轴轴线和车床右轴轴线平行；所述车床右轴的对心调整装置沿光路接收方向上设置有由焦平面和对接基准面组成的光学成像结构单元，所述焦平面和对接基准面相互平行，焦平面与车床左轴轴线和车床右轴轴线垂直。

上述焦平面设置在焦平面保护玻璃内。

上述焦平面保护玻璃朝向光学镜头一侧设置有反射涂层。

一种高精度可见光成像系统和焦平面组合调校对接方法，包括以下步骤：

1]调整焦平面，使焦平面与车床右轴垂直，然后再调整对接基准面，使对接基准面与车床右轴垂直；

2]沿光学镜头物方入射平行光，平行光与车床左轴轴线和车床右轴轴线平行，平行光经光学镜头成像后在镜头像面处形成一像斑；调整车床左轴上的对心调整装置，使得在旋转车床左轴过程中镜头像面处的像斑保持位置不动；

3]通过车床左右轴轴向移动可实现光学成像系统像面与成像焦平面的重合；

4]调整车床右轴对心调整装置的平动自由度，使光学成像系统光轴与成像焦平面靶面中心法线重合；

5]通过测量镜头安装法兰端面和对接基准面的距离来修切垫片厚度，实现像面高精度对接。

上述步骤1具体是：旋转车床右轴，以内调焦对心仪为判定依据使焦平面保护玻璃面与车床右轴垂直，调整完成后若对接基准面与车床右轴出现倾斜，调整对接基准面使其与车床右轴垂直。

上述步骤2调整光学镜头的光轴与车床旋转轴重合过程中若引起镜头安装法兰端面法线与车床左轴的倾斜，调整镜头安装法兰端面与车床左轴垂直。

上述步骤1中调整对接基准面，步骤2中调整镜头安装法兰端面均通过车削加工的方式进行调整。

本发明的优点在于：

通过高精度双轴车床一次装夹(二次装夹重复定位精度差)同时实现了达到既定的调整目标和调整精度后对焦平面组件的对接基准面和光学镜头安装法兰端面的车削加工，以保证两个平面的平行度，充分消除了焦平面组件和光学镜头两个部件在前期装配环节导致的装配误差；

通过高精度双轴车床一次装夹和组合调整同时实现了光学成像系统光轴与成像焦平面的垂直度、光学成像系统光轴与成像焦平面靶面中心法线的重合度、光学成像系统像面与成像焦平面的重合度调整三个方面的内容。

附图说明

图1为光学系统焦平面组合调校对接系统图；

图2焦平面组件对接基准面与焦平面保护玻璃面平行度调整示意图；

图3光学镜头光轴与车床旋转轴重合度调整示意图。

附图明细如下：

1-双轴车床；11-车床右轴；12-车床左轴；2-对心调整装置；3-镜头安装法兰端面；4-光学镜头；5-焦平面保护玻璃；6-内调焦对心仪；7-平行光管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详述：

该发明系统组成为借用一高精度双轴卧式或双轴立式车床作为平台，如图1所示，其两个旋转轴各固定一可实现四自由度调整的光学对心调整装置，光学镜头固定于靠近平行光管和内调焦对心仪的光学对心调整装置上，光学镜头物面超向平行光管和内调焦对心仪；焦平面组件固定于另一个光学对心调整装置上，其焦平面超向平行光管和内调焦对心仪方向。

该发明的方法具体包括以下步骤：

1.焦平面组件的对接基准面与焦平面保护玻璃面平行度调整

如图2所示，将焦平面保护玻璃视为平板玻璃，必要时涂覆反射材料增加反射光强度，在车床右轴旋转的过程中，通过调整光学对心调整装置，以内调焦对心仪为判定依据使得焦平面保护玻璃面与车床旋转轴垂直，这样对接基准面可能会与车床旋转轴出现一定倾斜(此倾斜是由于焦平面芯片自身的制造误差和焦平面芯片与电路板，与固定焦平面芯片的结构件之间的装配误差造成)，此倾斜现象靠车削加工对接基准面来消除(在车削过程中对接基准面见光即可，表明对接基准面与车床旋转轴已垂直，同时表明焦平面保护玻璃面与对接基准面已平行)。

步骤1用以消除对接基准面与焦平面保护玻璃面的不平行度，传统的工艺方法只能在焦平面芯片与电路板、与固定焦平面芯片的结构件焊接、装配过程中尽量消除，一旦焊接、装配完成后无法消除此平行度误差。

2.光学镜头光轴与车床旋转轴重合度调整

如图3所示，在光学镜头物方架设一平行光管，调整设备支架，使得平行光管发出的平行光与车床旋转轴线平行，平行光管发出的平行光经光学镜头成像后在镜头像面处形成一像斑，如果此光学镜头的光轴与车床旋转轴不重合，那么在旋转车床左轴过程中镜头像面处的像斑会随着车床左轴旋转而晃动，晃动频率与车床左轴旋转频率相同，通过调整对心调整装置，使得在旋转车床左轴过程中镜头像面处的像斑保持位置不动，那么表明光学镜头的光轴与车床旋转轴已重合。

在上述调整光学镜头的光轴与车床旋转轴重合过程中势必会引起镜头安装法兰端面法线与车床旋转主轴的倾斜(此倾斜即是镜头光学系统光轴与镜头安装法兰端面的加工和装配误差积累)，此倾斜现象靠车削加工镜头安装法兰端面来消除(在车削过程中镜头安装法兰端面见光即可，表明镜头安装法兰端面与车床旋转轴已垂直，同时表明光学系统光轴与车床旋转轴已重合)。

步骤1和步骤2实现了光学成像系统光轴与成像焦平面的垂直度调整。传统的工艺方法只能在光学镜头对心加工过程中对镜头安装法兰端面进行车削，一旦光学镜片与结构件装配完成后光学系统的光轴与镜头安装法兰端面的垂直度误差(一般为定心加工误差和装配误差)无法消除。

3.光学成像系统像面与成像焦平面的重合度调整

如图1所示，λ为镜头像面和成像焦平面之间的距离，通过车床主轴轴向移动可实现光学成像系统像面与成像焦平面的重合。

4.光学成像系统光轴与成像焦平面靶面中心法线的重合度调整

给焦平面组件通电后在监视器显示中心会形成一电十字丝，此十字丝即为焦平面的靶面中心，通过步骤3实现光学成像系统像面与成像焦平面的重合后，光学成像系统光轴与成像焦平面靶面中心法线不一定重合，如果不重合，会发现平行光管发出的平行光通过光学成像系统所成的亮斑像与监视器显示中心的电十字丝中心不重合，通过调整车床右轴对心调整装置的平动自由度(其它自由度不可调整)可使得亮斑中心与十字丝中心重合，此时亮斑中心不随车床主轴的旋转而晃动，表明光学成像系统光轴与成像焦平面靶面中心法线已重合。

5.光学成像系统对接

通过测量镜头安装法兰端面和对接基准面的距离来修切垫片厚度，实现像面高精准对接。

Claims (7)

1.一种高精度可见光成像系统焦平面组合调校、对接机构，其特征在于：包括高精度双轴车床组成的双轴平台，双轴平台的两个旋转轴内端均与可实现四自由度调整的对心调整装置一侧连接；所述两个旋转轴包括车床右轴和车床左轴，其中靠近车床左轴外端一侧沿光路输出方向依次设置有平行光管和内调焦对心仪，车床左轴的对心调整装置上设置有光学镜头；所述平行光管光轴与车床左轴轴线和车床右轴轴线平行；所述车床右轴的对心调整装置沿光路接收方向上设置有由焦平面和对接基准面组成的光学成像结构单元，所述焦平面和对接基准面相互平行，焦平面与车床左轴轴线和车床右轴轴线垂直。

2.根据权利要求1所述的高精度可见光成像系统焦平面组合调校、对接机构，其特征在于：所述焦平面设置在焦平面保护玻璃内。

3.根据权利要求2所述的高精度可见光成像系统焦平面组合调校、对接机构，其特征在于：所述焦平面保护玻璃朝向光学镜头一侧设置有反射涂层。

4.一种高精度可见光成像系统和焦平面组合调校对接方法，其特征在于，包括以下步骤：

1]调整焦平面，使焦平面与车床旋转轴垂直，然后再调整对接基准面，使对接基准面与车床旋转轴垂直；

2]沿光学镜头物方入射平行光，平行光与车床左轴轴线和车床右轴轴线平行，平行光经光学镜头成像后在镜头像面处形成一像斑；调整车床左轴上的对心调整装置，使得在旋转车床左轴过程中镜头像面处的像斑保持位置不动；

3]通过车床左右轴轴向移动可实现光学成像系统像面与成像焦平面的重合；

4]调整车床右轴对心调整装置的平动自由度，使光学成像系统光轴与成像焦平面靶面中心法线重合；

5]通过测量镜头安装法兰端面和对接基准面的距离来修切垫片厚度，实现像面高精度对接。

5.根据权利要求4所述的高精度可见光成像系统和焦平面组合调校对接方法，其特征在于，所述步骤1具体是：旋转车床右轴，以内调焦对心仪为判定依据使焦平面保护玻璃面与车床右轴垂直，调整完成后若对接基准面与车床右轴出现倾斜，调整对接基准面使其与车床右轴垂直。

6.根据权利要求5所述的高精度可见光成像系统和焦平面组合调校对接方法，其特征在于，所述步骤2调整光学镜头的光轴与车床旋转轴重合过程中若引起镜头安装法兰端面法线与车床旋转轴的倾斜，调整镜头安装法兰端面与车床旋转轴垂直。

7.根据权利要求6所述的高精度可见光成像系统和焦平面组合调校对接方法，其特征在于，所述步骤1中调整对接基准面，步骤2中调整镜头安装法兰端面均通过车削加工的方式进行调整。