CN103713370A - 一种使用三坐标测量仪装调近红外大型长焦距镜头的方法 - Google Patents

Abstract

本发明使用三坐标测量仪对透镜的测试面画圆取点采样，计算得到透镜边厚差，通过调整透镜的止螺，使得边厚差计算值不大于理论边厚差，从而达到透镜的光轴与镜筒的基准轴重合的要求；根据各测试面顶点的测试数据和各透镜的中心厚度，计算得到相邻透镜之间的空气间隔，与设计值比较，如果存在不在设计值范围内的，进行一次性拆卸，进行返修，返修完成后重新进行装调。本发明是一种光学器件的机械装调方法，无需使用光源，特别适用于红外、近红外等不可见光波段光学器件的装调；将装调过程数据化，可直观的与光学设计参数进行比对；由于三坐标仪量程大、测量精度高，本发明可适用于中、大口径光学器件的光学装调。

Description

一种使用三坐标测量仪装调近红外大型长焦距镜头的方法

技术领域

本发明属于光学镜头装调领域，涉及一种使用三坐标测量仪装调近红外大型长焦距镜头的方法，可用于一般光学系统的装调工作，特别适用于红外、近红外等不可见光波段光学镜头的装调，具体是指一种使用三坐标测量仪对不可见光波段的中、大口径长焦距光学镜头的机械装调方法。

背景技术

在以往的光学装调过程中，一般采用中心偏测量装置进行对心装调工作。使用中心偏测量装置装调可见光波段的光学器件时，只需要用人眼目测即可进行装调。随着光学技术的不断发展，红外、近红外等不可见光波段的光学器件越来越多的得以应用，传统的中心偏测量装置在这类光学仪器的装调中无法得到使用。于是出现了新型的中心偏测量系统。在蒋世磊等人的专利《一种光学系统穿轴对心装置及调整方法》（专利申请号02129035.0）中，提出了一种可以用于装调红外光学系统的装置和方法。相比于可见光波段的中心偏测量装置，该装置中增加了红外探测头替代人眼进行观测，并对传统中心偏测量装置的结构进行了简化。上述这些装调方法都是从光学成像角度出发进行光学器件的装调，属于光学装调方法，其装调复杂、难易程度取决于光学器件的结构复杂程度。

近红外长焦距镜头是一种结构复杂的光学系统。该系统由多段光学镜筒组成，每段镜筒内都有多片口径达到200mm的光学透镜。采用上述的光学装调方法进行装调，过程复杂、困难，虽然能够完成装配任务，但是耗时耗力。此外，采用光学装调方法装配出的光学系统，如果在检测过程中发现不满足预期的性能指标，将会重新拆开查找原因再重复装调直到满足要求为止，其过程甚为复杂繁琐。

发明内容

本发明的技术解决问题：提出了一种使用三坐标测量仪装调近红外大型长焦距镜头的方法，该方法既可以用于红外、近红外等不可见光波段光学器件的装调，还可以用于可见光波段的光学器件的装调。

本发明的技术解决方案是：一种使用三坐标测量仪装调近红外大型长焦距镜头的方法,其装调方法如下：

（1）将透镜装入镜筒，止螺装入到对应的孔位，缓慢旋紧至碰到透镜边缘后，向外旋出半圈，把镜筒放置到三坐标测量仪的工作台面上，选取孔位中的一组对角位对准三坐标测量仪测量头的ox轴或oy轴方向；

（2）用三坐标测量仪测量头对镜筒的内壁进行取点采样，获取镜筒内壁圆柱的中心轴，从而建立一个以三坐标测量仪工作台面和镜筒内壁圆柱的中心轴为基准的三维坐标系；

（3）用三坐标测量仪测量头对透镜的上表面进行画圆取点采样，获取各个点的z坐标值，找到z坐标值中的最大值和最小值，用最大值减去最小值获取实际的边厚差Δt_实；

（4）根据下述公式计算进行判断，所述公式为Δt_实≤Δt，若满足该公式，说明透镜的基准轴与镜筒内壁圆柱的中心轴重合，将余下的止螺缓缓旋紧，并重复测量进行验证；若不满足上述公式，那么找到最大值和最小值对应的止螺；

（5）待透镜装调完毕后，测量透镜的上表面顶点对应的z坐标，用该透镜上表面顶点对应的z坐标减去前一个透镜的上表面顶点对应的z坐标再减去该透镜的中心厚度，即得到该透镜与前一个透镜之间的空气间隔；

（6）将空气间隔计算值与系统的设计值比较，如果计算值在设计值范围之内，那么说明满足设计要求继续进行装调；如果计算值不在设计值范围之内，那么计算出对应的修正量，继续进行装调工作；

（7）重复上述（1）—（6）步，直到装调完最后一片透镜；

（8）透镜之间空气间隔的实际值已经通过测量和计算得到，将其与理论值相比较；如果所有的空气间隔计算值均在设计值范围之内，装入弹性垫圈，并用压圈进行紧固，完成该光学系统的装调。如果存在空气间隔的计算值不在设计值范围之内的，那么需要进行零件返修，对应的修正量在前面的装调过程中已经计算得到；将镜筒内的零件一次性拆卸到要修正的部分，进行返修；返修完成后，重复上面的安装过程，直到所有空气间隔的计算值均在设计值范围之内，完成该光学系统的装调工作。

与现有技术相比，本发明具有的优点是：本发明属于机械装调方法，与现行的光学装调方法截然不同，由于不需要光源，不仅解决了红外、近红外等不可见光波段光学器件的装调问题，而且还可以对可见光光学器件进行装调；装调过程中可以获取每个镜面的中心偏数据，以及相邻镜片之间的空气间隔数据，可以直观的与光学设计参数进行比对，验证装调结果是否满足理论要求；另外由于三坐标仪量程大、测量精度高，本发明可适用于大型光学器件的光学装调。

附图说明

图1为透镜中心偏与边厚差的关系示意图。

图2为本发明的取点采样示意图。

图3为本发明的装调示意图。

具体实施方式

结合图1、图2和图3，D为透镜的口径；χ为透镜的表面倾角，是透镜中心偏的一种常用表述方式，单位为分（′）；△t为透镜的边厚差。一般情况下，透镜的表面倾角和边厚差数值均很小，可以近似的有以下关系：△t=χ（rad）·D；该关系式中χ的单位为弧度（rad）。由于χ常用的单位为分（′），需要进行转换于是上述等式变为：Δt＝χ·D·π/（60·180）≈0.291·χ·R·10^-3。根据该关系式，可以将透镜的中心偏转换成为透镜边厚差。

三坐标测量仪测量头6本身有一定的大小，对透镜进行测试时无法进行全口径测试。如图2所示，根据透镜的通光口径Φ，按照公式（1）选取测试半径R，单位为mm：

$R=\frac{\mathrm{\Φ}}{2}-5---\left(1\right)$

测试半径为R时，对应该口径的边厚差按公式（2）计算，单位为mm：

Δt＝0.291·χ·R·10^-3                                （2）

使用三坐标测量仪测量时，以半径R画圆取点采样，采样点如图2中右侧图示中八个点（建议个数为4的整数倍）。一般情况下，测试数据中最大值和最小值均只有一个，且两者为对角关系。如果出现两个最小值，那么选取两个最小值中的一个，微调整该最小值对应的止螺14，重新测量便会得到唯一的最小值。根据测量的数据，找出最大值和最小值，最大值对应透镜上的最高点，最小值对应透镜上的最低点，用最大值减去最小值得到实际的边厚差Δt_实。根据公式（2）可以计算出理论的边厚差Δt；根据公式（3）进行判断装调是否达到要求：

Δt_实≤Δt                                                （3）

满足公式（3），说明装调达到要求；如果不满足公式（3），那么根据最高点和最低点的位置进行调整，并重复测量直到满足公式（3）为止。

结合图3，本发明的工作过程是：待装调的光学系统包括第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3、第四透镜4、第五透镜5、第一隔圈10、第二隔圈11、第三隔圈12、第四隔圈13、弹性垫圈9、压圈8、镜筒7和止螺14。三坐标测量仪测量头6对该光学系统进行装调，每一片透镜都有八个止螺14，止螺14的作用主要有两个：一是固定透镜，二是通过顶推微调透镜的位置；

将第一透镜1装入镜筒7，将止螺14装入到对应的孔位，缓慢旋紧至碰到第一透镜1边缘后，向外旋出半圈。将镜筒7放置到三坐标测量仪的工作台面上。镜筒7放置到工作台面上时，选取八个止螺14中的一组对角位对准三坐标测量仪测量头6的ox轴或oy轴方向，这种对准方式利于后续的透镜位置调整。用三坐标测量仪测量头6对镜筒7的内壁进行取点采样，获取镜筒7的内壁圆柱的中心轴，从而建立一个以三坐标测量仪工作台面和镜筒7内壁中心轴为基准的三维坐标系。用三坐标测量仪测量头6对第一透镜1的上表面进行画圆取点采样，获取各个点的z坐标值，找到z坐标值中的最大值和最小值，计算出实际的边厚差Δt_实。根据公式（3）进行判断，若满足公式（3）要求，那么说明第一透镜1的光轴与镜筒7中心轴重合，将止螺14缓缓旋紧，并重复测量确认达到公式（3）要求。若不满足公式（3）要求，那么找到最大值和最小值对应的止螺14；由于第一透镜1的下表面为凸面，上表面比下表面弯曲程度要大，所以透镜移动时引起的高度差变化主要由上表面决定，而且上表面是凹面，应该将第一透镜1按照从最低点到最高点的方向移动；将最大值对应的止螺14轻微向外旋出，然后将最小值对应的止螺14缓慢旋紧，推动第一透镜1向最大值的方向移动；调整完毕后，重复取点采样并进行判断直到满足公式（3）为止。第一透镜1装调完毕后，测量第一透镜1上表面顶点A对应的z坐标，也就是图3中所示的AO。

将镜筒7从工作平台上取下，将第四隔圈13和第二透镜2依次装入镜筒7，把第二透镜2对应的止螺14装入对应的孔位。将镜筒7重新放置到工作台面上，选取八个止螺14中的一组对角位对准三坐标测量仪测量头6的ox轴或oy轴方向，重新建立坐标系。由于每次镜筒7放回到工作平台上的位置不可能相同，所以每次建立的坐标系也会不同。但是由于坐标系的建立是由三坐标测量仪的工作台面和镜筒7内壁的中心轴决定的，每次的位置不同，只会导致原点的位置在工作台面上移动，从而使得x、y坐标变得不同，但是并不会对取样点的z坐标产生影响。用三坐标测量仪测量头6对第二透镜2上表面进行取点采样，找到最大值和最小值，计算出实际的边厚差Δt_实。根据公式（3）进行判断。若满足要求，那么说明第二透镜2的光轴与镜筒7中心轴重合，将止螺14缓缓旋紧，并重复测量确认满足公式（3）要求。若不满足公式（3）要求，那么找到最大值和最小值对应的止螺14；同样的，由于第二透镜2的下表面为凸面，上表面比下表面弯曲程度要小，所以透镜移动时引起的高度差变化主要由下表面决定，而且上表面是凹面，应该将第二透镜2按照从最高点到最低点的方向移动；将最小值对应的止螺14轻微向外旋出，然后将最大值对应的止螺14缓慢旋紧，推动第二透镜2向最小值的方向移动；调整完毕后，重复取点采样并进行判断直到满足公式（3）为止。第二透镜2装调完毕后，测量第二透镜2上表面顶点B对应的z坐标，也就是图3中所示的BO。第二透镜2的中心厚度已知，用BO减去AO再减去第二透镜2的中心厚度就可以计算出第一透镜1和第二透镜2之间的空气间隔。将空气间隔计算值与系统的设计值比较，如果计算值在设计值范围之内，那么说明满足设计要求，继续进行装调；如果空气间隔计算值不在设计值范围之内，那么计算出对应的修正量，继续进行装调工作。

从工作平台上将镜筒7取下，装入隔圈12和第三透镜3，把止螺14装入对应的孔位。将镜筒7重新放置到工作台面上，选取八个止螺14中的一组对角位对准三坐标测量仪测量头6的ox轴或oy轴方向，重新建立坐标系。对第三透镜3的上表面取点采样，找到最大值和最小值，计算出实际的边厚差Δt_实。根据公式（3）进行判断。若满足公式（3）的要求，那么说明第三透镜3的光轴与镜筒7中心轴重合，将止螺14缓缓旋紧，并重复测量确认满足公式（3）要求。若不满足公式（3）要求，那么找到最大值和最小值对应的止螺14；由于第三透镜3的下表面为存在平台面的凹面，透镜移动时引起的高度差变化由上表面决定，而且上表面是凸面，调整是应该将第三透镜3按照从最高点到最低点的方向移动；将最小值对应的止螺14轻微向外旋出，然后将最大值对应的止螺14缓慢旋紧，推动第三透镜3向最小值的方向移动；调整完毕后，重复取点采样并进行判断直到满足公式（3）要求为止。第三透镜3装调完毕后，测量第三透镜3上表面顶点C对应的z坐标，也就是图3中所示的CO。第三透镜3的中心厚度已知，用CO减去BO再减去第三透镜3的中心厚度就可以计算出第二透镜2和第三透镜3之间的空气间隔。将计算值与系统的设计值比较，如果计算值在设计值范围之内，那么说明满足设计要求，继续进行装调；如果空气间隔计算值不在设计值范围之内，那么计算出对应的修正量，继续进行装调工作。

取下镜筒7，装入隔圈11和第四透镜4，把止螺14装入对应的孔位。将镜筒7重新放置到工作台面上，选取八个止螺14中的一组对角位对准三坐标测量仪测量头6的ox轴或oy轴方向，重新建立坐标系。对第四透镜4的上表面取点采样，找到最大值和最小值，计算出实际的边厚差Δt_实。根据公式（3）进行判断，若满足公式（3）要求，那么说明第四透镜4的光轴与镜筒7中心轴重合，将止螺14缓缓旋紧，并重复测量确认达到公式（3）要求。若不满足公式（3）要求，那么找到最大值和最小值对应的止螺14；第四透镜4的下表面为存在平台面的凹面，透镜移动时引起的高度差变化由上表面决定，而且上表面是凹面，应该将第四透镜4按照从最低点到最高点的方向移动；将最大值对应的止螺14轻微向外旋出，然后将最小值对应的止螺14缓慢旋紧，推动第四透镜4向最大值的方向移动；调整完毕后，重复取点采样并进行判断直到满足公式（3）要求为止。第四透镜4装调完毕后，测量第四透镜4上表面顶点D对应的z坐标，也就是图3中所示的DO。第四透镜4的中心厚度已知，用DO减去CO再减去第四透镜4的中心厚度就可以计算出第三透镜3和第四透镜4之间的空气间隔。将计算值与系统的设计值比较，如果计算值在设计值范围之内，那么说明满足设计要求，继续进行装调；如果空气间隔计算值不在设计值范围之内，那么计算出对应的修正量，继续进行装调工作。

取下镜筒7，装入隔圈10和第五透镜5，把止螺14装入对应的孔位。将镜筒7重新放置到工作台面上，选取八个止螺14中的一组对角位对准三坐标测量仪测量头6的ox轴或oy轴方向，重新建立坐标系。对第五透镜5的上表面取点采样，找到最大值和最小值，计算出实际的边厚差Δt_实。根据公式（3）进行判断。若满足公式（3）要求，那么说明第五透镜5的光轴与镜筒7中心轴重合，将止螺14缓缓旋紧，并重复测量确认达到公式（3）要求。若不满足公式（3）要求，那么找到最大值和最小值对应的止螺14；第五透镜5的下表面为凸面，下表面比上表面的弯曲程度要大，透镜移动时引起的高度差变化组要由下表面决定，而且下表面是凸面，应该将第五透镜5按照从最高点到最低点的方向移动；将最小值对应的止螺14轻微向外旋出，然后将最大值对应的止螺14缓慢旋紧，推动第五透镜5向最小值的方向移动；调整完毕后，重复取点采样并进行判断直到满足公式（3）要求为止。第五透镜5装调完毕后，测量第五透镜5上表面顶点E对应的z坐标，也就是图3中所示的EO。第五透镜5的中心厚度已知，用EO减去DO再减去第五透镜5的中心厚度就可以计算出第四透镜4和第五透镜5之间的空气间隔。将空气间隔计算值与系统的设计值比较，如果计算值在设计值范围之内，那么说明满足设计要求；如果空气间隔计算值不在设计值范围之内，那么计算出对应的修正量。

此时，透镜之间空气间隔的实际值已经通过测量和计算得到，与理论值相比较。如果所有的空气间隔计算值均在设计值范围之内，装入弹性垫圈9，并用压圈8进行紧固，从而完成该光学系统的装调。如果存在空气间隔的计算值不在设计值范围之内的，那么需要进行零件返修，对应的修正量在前面的装调过程中已经计算得到；将镜筒内的零件一次性拆卸到要修正的部分，进行返修；返修完成后，重复上面的安装过程，直到所有的空气间隔计算值均在设计值范围之内，完成该光学系统的装调工作。

Claims (4)

1.一种使用三坐标测量仪装调近红外大型长焦距镜头的方法，其装调方法特征如下：

1）将透镜装入镜筒（7），止螺（14）装入到对应的孔位，缓慢旋紧至碰到透镜边缘后，向外旋出半圈，把镜筒（7）放置到三坐标测量仪的工作台面上，选取孔位中的一组对角位对准三坐标测量仪测量头（6）的ox轴或oy轴方向；

2）用三坐标测量仪测量头（6）对镜筒（7）的内壁进行取点采样，获取镜筒（7）内壁圆柱的中心轴，从而建立一个以三坐标测量仪工作台面和镜筒（7）内壁圆柱的中心轴为基准的三维坐标系；

3）用三坐标测量仪测量头（6）对透镜的上表面进行画圆取点采样，获取各个点的z坐标值，找到z坐标值中的最大值和最小值，用最大值减去最小值获取实际的边厚差Δt_实；

4）根据下述公式计算进行判断，所述公式为Δt_实≤Δt，若满足该公式，说明透镜的基准轴与镜筒（7）内壁圆柱的中心轴重合，将余下的止螺（14）缓缓旋紧，并重复测量进行验证；若不满足上述公式，那么找到最大值和最小值对应的止螺（14）；

5）待透镜装调完毕后，测量透镜的上表面顶点对应的z坐标，用该透镜上表面顶点对应的z坐标减去前一个透镜的上表面顶点对应的z坐标再减去该透镜的中心厚度，即得到该透镜与前一个透镜之间的空气间隔；

6）将空气间隔计算值与系统的设计值比较，如果计算值在设计值范围之内，那么说明满足设计要求继续进行装调；如果计算值不在设计值范围之内，那么计算出对应的修正量，继续进行装调工作；

7）重复上述1）—6）步，直到装调完最后一片透镜；

8）透镜之间空气间隔的实际值已经通过测量和计算得到，将其与理论值相比较；如果所有的空气间隔计算值均在设计值范围之内，装入弹性垫圈（9），并用压圈（8）进行紧固，完成该光学系统的装调；如果存在空气间隔的计算值不在设计值范围之内的，那么需要进行零件返修，对应的修正量在前面的装调过程中已经计算得到；将镜筒内的零件一次性拆卸到要修正的部分，进行返修；返修完成后，重复上面的安装过程，直到所有空气间隔的计算值均在设计值范围之内，完成该光学系统的装调工作。

2.根据权利要求1所述的一种使用三坐标测量仪装调近红外大型长焦距镜头的方法，其特征在于：第4）步中，若不满足上述公式，那么找到最大值和最小值对应的止螺（14），根据透镜的下表面的凹凸情况、上表面和下表面的弯曲程度以及上表面的凹凸情况进行如下调整；

4-1）若透镜的下表面为凸面，上表面比下表面弯曲程度要大，且上表面是凹面，将最大值对应的止螺（14）轻微向外旋出，然后将最小值对应的止螺（14）缓慢旋紧，推动透镜向最大值的方向移动；调整完毕后，重复取点采样并进行上述公式判断直到满足公式为止；

4-2）若透镜的下表面为凸面，上表面比下表面弯曲程度要小，且上表面是凹面，将最小值对应的止螺（14）轻微向外旋出，然后将最大值对应的止螺（14）缓慢旋紧，推动透镜向最小值的方向移动；调整完毕后，重复取点采样并进行上述公式判断直到满足公式为止；

4-3）若透镜的下表面为凸面，且上表面是凸面，将最小值对应的止螺（14）轻微向外旋出，然后将最大值对应的止螺（14）缓慢旋紧，推动透镜向最小值的方向移动；调整完毕后，重复取点采样并进行上述公式判断直到满足公式为止；

4-4）若透镜的下表面为凹面，且上表面是凸面，将最小值对应的止螺（14）轻微向外旋出，然后将最大值对应的止螺（14）缓慢旋紧，推动透镜向最小值的方向移动；调整完毕后，重复取点采样并进行上述公式判断直到满足公式为止；

4-5）若透镜的下表面为凹面，且上表面是凹面，将最大值对应的止螺（14）轻微向外旋出，然后将最小值对应的止螺（14）缓慢旋紧，推动透镜向最大值的方向移动；调整完毕后，重复取点采样并进行上述公式判断直到满足公式为止。

3.根据权利要求1所述的一种使用三坐标测量仪装调近红外大型长焦距镜头的方法，其特征在于：第一透镜（1）不需要计算空气间隔。

4.根据权利要求1所述的一种使用三坐标测量仪装调近红外大型长焦距镜头的方法，其特征在于：三坐标测量仪测试时取样点的个数与每一片透镜的止螺（14）的个数对应。

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