CN105674934B - 一种用于含有中空主镜的折反系统光学间隔的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于含有中空主镜的折反系统光学间隔的测定方法，采用三坐标测量仪对粘接好主镜的主镜镜座进行测量，以主镜外圆为测量基准得出了主镜中心轴空间位置，并通过在主镜镜面上测量某一点，得出了主镜顶点位置尺寸，通过与主镜镜座安装面尺寸比较，得出了主镜顶点至主镜镜座安装面之间的距离尺寸，结合主镜镜座安装面至次镜顶点的尺寸距离，定量准确的得出了主次镜光学间隔，可进一步指导该系统精密装调，具有客观性，解决了含有中空主镜的折反光学系统光学间隔无法定量测量的问题，与目前的装调方法相比较，提高了装调精度，适用于各类型的含有中空主镜的折反光学系统光学间隔的精密装调。

Description

一种用于含有中空主镜的折反系统光学间隔的测定方法

技术领域

本发明属于光机装调技术领域，主要涉及一种折反系统光学间隔测定方法，尤其涉及一种用于含有中空主镜的折反系统光学间隔的测定方法。

背景技术

为了提高光学系统的探测距离，光学系统的口径越来越大，当光学系统的口径大到一定程度，折射式物镜系统很难满足要求，而卡塞格林系统结构紧凑，口径可以做到更大，大大提高了探测距离，并且随着非球面加工检测技术的进步，卡塞格林系统的光学系统可以采用抛物面-双曲面全非球面物镜结构，可比投射式平行光管缩小长度尺寸2/3多，很大程度上减小了体积，减轻了重量，因为该系统的特点使其越来越广泛地应用于机载远距离光电探测设备上。卡塞格林系统是含有中空主镜的折反系统，结构虽然简单，但装调精度要求较高，尤其作为成像光学系统，其主次镜的位置误差对整机光学装配质量影响较大，不仅要控制主次镜的光轴同轴还要对主次镜的光学间隔进行精确测量控制。

在传统的光学间隔测量过程中，由于主镜为中空镜面无法直接测量镜面顶点位置尺寸，往往在装调过程中只是参考设计图纸尺寸进行估算，误差较大，但是作为一种高压缩比的折反光学系统，其光学间隔的微量误差会给系统焦面带来很大误差，有时因为光学间隔的误差导致焦面CCD安装位置远离设计位置无法实现装配，甚至导致成像质量劣化。如何解决主次镜光学间隔的精确测量是保证折反光学系统光学性能的关键所在。

在发明名称为高精度光学间隔测量方法(专利号201410472652.5)中采用了时域光学相干层析技术，利用带宽光源及高精度延迟扫描光路实现光学元件间隔的非接触测量，通过共光路激光测长技术获取延迟光路的精确位移，其测量精度可以达到微米级，同时可以进行实施测量。该项技术虽然是非接触测量，但使用中因无法实现中空主镜顶点位置的准确测量，所以没有办法实际实现卡式系统主次镜光学间隔的测量。

在发明名称为光学镜片间隔距离测量装置(专利号200920177399.5)中描述了一种测量光学间隔的装置，主要做法是将基准玻璃转换成金属材质，并将用表针寻找高点低点的方法改为表针测平面的方式。但是该装置仍无法测量卡塞格林系统的光学间隔，主要原因还是因为主镜为中空主镜，无法实现中空主镜顶点位置的准确测量。

发明内容

针对现有折反光学系统光机装调中由于中空主镜而无法直接准确测量主次镜光学间隔的技术问题，本发明提出一种用于含有中空主镜的折反系统光学间隔的测定方法，采用三坐标测量仪测量主镜的外圆确定主镜的中心位置，然后利用三坐标测量仪在主镜表面上一次采点并确定采点位置与主镜顶点位置的z向尺寸，结合主镜镜座安装面z向尺寸，计算出主镜空间顶点距主镜镜座安装面的尺寸，然后测量主镜筒上主镜镜座安装面距次镜顶点的距离尺寸，从而计算得到主次镜光学间隔尺寸。该方法测量精度高、操作方便。

本发明的技术方案为：

所述一种用于含有中空主镜的折反系统光学间隔的测定方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将固定有中空主镜的主镜镜座平置于坐标测量仪的测量平台上，使主镜镜座安装面垂直于坐标测量仪工具坐标系OXYZ的OZ轴，并测量主镜镜座安装面在工具坐标系OXYZ中的Z向坐标；测量中空主镜外圆面至少三个不同点在工具坐标系OXYZ中的坐标，并解算出中空主镜中心轴线在工具坐标系OXYZ的X向坐标；

步骤2：保持主镜镜座位置不变，在主镜镜面上测量任意一点在工具坐标系OXYZ中的X向坐标和Z向坐标；在工具坐标系OXYZ的OX方向，计算主镜镜面上测量点相对中空主镜中心轴线的差值；在工具坐标系OXYZ的OZ方向，计算主镜镜面上测量点相对主镜镜座安装面的差值；

步骤3：利用步骤2得到的镜面测量点相对中空主镜中心轴线的差值，以及主镜镜面的曲面方程，得到镜面测量点的失高值；

步骤4：利用步骤2得到的镜面测量点相对主镜镜座安装面的差值，以及步骤3得到的镜面测量点的失高值，得到主镜顶点与主镜镜座安装面的距离；

步骤5：将装配有次镜、次镜镜座、中空主镜以及主镜镜座的镜筒平置于坐标测量仪的测量平台上，使主镜镜座安装面垂直于坐标测量仪工具坐标系OXYZ的OZ轴；测量次镜顶点与主镜镜座安装面的距离；

步骤6：根据步骤4得到的主镜顶点与主镜镜座安装面的距离，以及步骤5得到的次镜顶点与主镜镜座安装面的距离，得到主镜顶点与次镜顶点距离。

所述一种用于含有中空主镜的折反系统光学间隔的测定方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将固定有中空主镜的主镜镜座平置于坐标测量仪的测量平台上，使主镜镜座安装面垂直于坐标测量仪工具坐标系OXYZ的OZ轴，并测量主镜镜座安装面在工具坐标系OXYZ中的Z向坐标；测量中空主镜外圆面至少三个不同点在工具坐标系OXYZ中的坐标，并解算出中空主镜中心轴线在工具坐标系OXYZ的X向和Y向坐标；从而得到中空主镜中心轴线与主镜镜座安装面交点在工具坐标系OXYZ的三向坐标，并以中空主镜中心轴线与主镜镜座安装面交点为原点建立工件坐标系O’X’Y’Z’，工件坐标系O’X’Y’Z’三轴与工具坐标系OXYZ三轴对应平行；

步骤2：保持主镜镜座位置不变，在主镜镜面上测量任意一点在工件坐标系O’X’Y’Z’中的X’向坐标和Z’向坐标；

步骤3：利用步骤2得到的镜面测量点在工件坐标系O’X’Y’Z’中的X’向坐标，以及主镜镜面的曲面方程，得到镜面测量点的失高值；

步骤4：根据步骤2得到的镜面测量点在工件坐标系O’X’Y’Z’中的Z’向坐标，以及步骤3得到的镜面测量点的失高值，得到主镜顶点在工件坐标系O’X’Y’Z’中的Z’向坐标；

步骤5：将装配有次镜、次镜镜座、中空主镜以及主镜镜座的镜筒平置于坐标测量仪的测量平台上，使主镜镜座安装面垂直于坐标测量仪工具坐标系OXYZ的OZ轴；测量次镜顶点与主镜镜座安装面的距离；

步骤6：根据步骤4得到的主镜顶点在工件坐标系O’X’Y’Z’中的Z’向坐标，以及步骤5得到的次镜顶点与主镜镜座安装面的距离，得到主镜顶点与次镜顶点距离。

有益效果

本发明的有益效果是：本发明采用坐标测量仪对粘接好主镜的主镜镜座进行测量，以主镜外圆为测量基准得出了主镜中心轴空间位置，并通过在主镜镜面上测量某一点，得出了主镜顶点位置尺寸，通过与主镜镜座安装面尺寸比较，得出了主镜顶点至主镜镜座安装面之间的距离尺寸，结合主镜镜座安装面至次镜顶点的尺寸距离，定量准确的得出了主次镜光学间隔，可进一步指导该系统精密装调，具有客观性，解决了含有中空主镜的折反光学系统光学间隔无法定量测量的问题，与目前的装调方法相比较，提高了装调精度，适用于各类型的含有中空主镜的折反光学系统光学间隔的精密装调。

附图说明

图1折反光学系统装配示意图；

图中：1、主镜；2、次镜；3、主镜镜座；4、镜筒；5、次镜镜座。

图2是图1中所示的光学系统图；

图中：1-1、主镜外圆面；1-3、主镜顶点；2-1、次镜顶点。

图3是图2中所示的中空主镜装配图；

图中：1-2、主镜中心轴线；3-1、主镜镜座安装面。

图4是三坐标测量示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

本发明主要针对现有折反光学系统光机装调中由于中空主镜而无法直接准确测量主次镜光学间隔的技术问题，提出了一种用于含有中空主镜的折反系统光学间隔的测定方法，采用三坐标测量仪等坐标测量仪器，测量主镜的外圆以确定主镜的中心位置，然后利用三坐标测量仪在主镜表面上一次采点并确定采点位置与主镜顶点位置的z向尺寸，结合主镜镜座安装面z向尺寸，计算出主镜空间顶点距主镜镜座安装面的尺寸，然后测量主镜筒上主镜镜座安装面距次镜顶点的距离尺寸，从而计算得到主次镜光学间隔尺寸。该方法测量精度高、操作方便。

具体步骤为：

步骤1：将粘接固定有中空主镜的主镜镜座平置于三坐标测量仪的测量平台上，使主镜镜座安装面垂直于三坐标测量仪工具坐标系OXYZ的OZ轴，并测量主镜镜座安装面在工具坐标系OXYZ中的Z向坐标；保持主镜镜座位置不变，用三坐标测量仪的探头测量中空主镜外圆面至少三个不同点在工具坐标系OXYZ中的坐标，并依此解算出中空主镜中心轴线在工具坐标系OXYZ的X向坐标。

步骤2：保持主镜镜座位置不变，在主镜镜面上测量任意一点在工具坐标系OXYZ中的X向坐标和Z向坐标；在工具坐标系OXYZ的OX方向，计算主镜镜面上测量点相对中空主镜中心轴线的差值；在工具坐标系OXYZ的OZ方向，计算主镜镜面上测量点相对主镜镜座安装面的差值。

步骤3：利用步骤2得到的镜面测量点相对中空主镜中心轴线的差值，以及主镜镜面的曲面方程，得到镜面测量点的失高值，即镜面测量点与主镜顶点在工具坐标系OXYZ的OZ方向的距离。

步骤4：利用步骤2得到的镜面测量点相对主镜镜座安装面的差值，以及步骤3得到的镜面测量点的失高值，得到主镜顶点与主镜镜座安装面的距离。

步骤5：将装配有次镜、次镜镜座、中空主镜以及主镜镜座的镜筒平置于坐标测量仪的测量平台上，使主镜镜座安装面垂直于坐标测量仪工具坐标系OXYZ的OZ轴；测量次镜顶点与主镜镜座安装面的距离，因为次镜顶点是实际可触及的点，采用现有方法可以容易得到次镜顶点与主镜镜座安装面的距离。

步骤6：根据步骤4得到的主镜顶点与主镜镜座安装面的距离，以及步骤5得到的次镜顶点与主镜镜座安装面的距离，得到主镜顶点与次镜顶点距离。主镜顶点与次镜顶点距离即主次镜光学间隔，将测量得到的主次镜光学间隔与理论设计值进行比较，可以指导该系统精密装调。

而在本实施例的具体的测量操作中，采用以下步骤：

步骤1：将固定有中空主镜的主镜镜座平置于坐标测量仪的测量平台上，使主镜镜座安装面垂直于坐标测量仪工具坐标系OXYZ的OZ轴，并测量主镜镜座安装面在工具坐标系OXYZ中的Z向坐标；测量中空主镜外圆面至少三个不同点在工具坐标系OXYZ中的坐标，并解算出中空主镜中心轴线在工具坐标系OXYZ的X向和Y向坐标；从而得到中空主镜中心轴线与主镜镜座安装面交点在工具坐标系OXYZ的三向坐标，并以中空主镜中心轴线与主镜镜座安装面交点为原点建立工件坐标系O’X’Y’Z’，工件坐标系O’X’Y’Z’三轴与工具坐标系OXYZ三轴对应平行。

步骤2：保持主镜镜座位置不变，在主镜镜面上测量任意一点在工件坐标系O’X’Y’Z’中的X’向坐标和Z’向坐标，本实施例中测量点的在工件坐标系O’X’Y’Z’中的X’向坐标为113.809，Z’向坐标为62.046。

步骤3：利用步骤2得到的镜面测量点在工件坐标系O’X’Y’Z’中的X’向坐标，以及主镜镜面的曲面方程，得到镜面测量点的失高值；

本实施例中的主镜镜面曲面方程为：

其中c＝2.47537×10^-3、k＝-1

将X’向坐标113.809代入上述主镜镜面曲面方法，得到镜面测量点的失高值为16.031。

步骤4：根据步骤2得到的镜面测量点在工件坐标系O’X’Y’Z’中的Z’向坐标62.046，以及步骤3得到的镜面测量点的失高值16.031，得到主镜顶点在工件坐标系O’X’Y’Z’中的Z’向坐标为46.015，即为主镜顶点与主镜镜座安装面的距离。

步骤5：将装配有次镜、次镜镜座、中空主镜以及主镜镜座的镜筒平置于坐标测量仪的测量平台上，使主镜镜座安装面垂直于坐标测量仪工具坐标系OXYZ的OZ轴；测量次镜顶点与主镜镜座安装面的距离为209.305。

步骤6：根据步骤4得到的主镜顶点在工件坐标系O’X’Y’Z’中的Z’向坐标46.015，以及步骤5得到的次镜顶点与主镜镜座安装面的距离209.305，得到主镜顶点与次镜顶点距离为163.29。

采用本发明的方法可进一步指导该系统精密装调，具有客观性，解决了含有中空主镜的折反光学系统光学间隔无法定量测量的问题，与目前的装调方法相比较，提高了装调精度，适用于各类型的含有中空主镜的折反光学系统光学间隔的精密装调。

Claims (2)

1.一种用于含有中空主镜的折反系统光学间隔的测定方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将固定有中空主镜的主镜镜座平置于三坐标测量仪的测量平台上，使主镜镜座安装面垂直于三坐标测量仪工具坐标系OXYZ的OZ轴，并测量主镜镜座安装面在工具坐标系OXYZ中的Z向坐标；测量中空主镜外圆面至少三个不同点在工具坐标系OXYZ中的坐标，并解算出中空主镜中心轴线在工具坐标系OXYZ的X向坐标；

步骤2：保持主镜镜座位置不变，在主镜镜面上测量任意一点在工具坐标系OXYZ中的X向坐标和Z向坐标；在工具坐标系OXYZ的OX方向，计算主镜镜面上测量点相对中空主镜中心轴线的差值；在工具坐标系OXYZ的OZ方向，计算主镜镜面上测量点相对主镜镜座安装面的差值；

步骤3：利用步骤2得到的镜面测量点相对中空主镜中心轴线的差值，以及主镜镜面的曲面方程，得到镜面测量点的失高值；

步骤4：利用步骤2得到的镜面测量点相对主镜镜座安装面的差值，以及步骤3得到的镜面测量点的失高值，得到主镜顶点与主镜镜座安装面的距离；

步骤5：将装配有次镜、次镜镜座、中空主镜以及主镜镜座的镜筒平置于三坐标测量仪的测量平台上，使主镜镜座安装面垂直于三坐标测量仪工具坐标系OXYZ的OZ轴；测量次镜顶点与主镜镜座安装面的距离；

步骤6：根据步骤4得到的主镜顶点与主镜镜座安装面的距离，以及步骤5得到的次镜顶点与主镜镜座安装面的距离，得到主镜顶点与次镜顶点距离。

2.一种用于含有中空主镜的折反系统光学间隔的测定方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将固定有中空主镜的主镜镜座平置于三坐标测量仪的测量平台上，使主镜镜座安装面垂直于三坐标测量仪工具坐标系OXYZ的OZ轴，并测量主镜镜座安装面在工具坐标系OXYZ中的Z向坐标；测量中空主镜外圆面至少三个不同点在工具坐标系OXYZ中的坐标，并解算出中空主镜中心轴线在工具坐标系OXYZ的X向和Y向坐标；从而得到中空主镜中心轴线与主镜镜座安装面交点在工具坐标系OXYZ的三向坐标，并以中空主镜中心轴线与主镜镜座安装面交点为原点建立工件坐标系O’X’Y’Z’，工件坐标系O’X’Y’Z’三轴与工具坐标系OXYZ三轴对应平行；

步骤2：保持主镜镜座位置不变，在主镜镜面上测量任意一点在工件坐标系O’X’Y’Z’中的X’向坐标和Z’向坐标；

步骤3：利用步骤2得到的镜面测量点在工件坐标系O’X’Y’Z’中的X’向坐标，以及主镜镜面的曲面方程，得到镜面测量点的失高值；

步骤4：根据步骤2得到的镜面测量点在工件坐标系O’X’Y’Z’中的Z’向坐标，以及步骤3得到的镜面测量点的失高值，得到主镜顶点在工件坐标系O’X’Y’Z’中的Z’向坐标；

步骤5：将装配有次镜、次镜镜座、中空主镜以及主镜镜座的镜筒平置于三坐标测量仪的测量平台上，使主镜镜座安装面垂直于三坐标测量仪工具坐标系OXYZ的OZ轴；测量次镜顶点与主镜镜座安装面的距离；

步骤6：根据步骤4得到的主镜顶点在工件坐标系O’X’Y’Z’中的Z’向坐标，以及步骤5得到的次镜顶点与主镜镜座安装面的距离，得到主镜顶点与次镜顶点距离。