CN106873122A - 一种用于大口径非球面反射镜定心装调的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于大口径非球面反射镜定心装调的装置及装调方法，属于光机装调技术领域。其主要技术特点是，将待调非球面反射镜固定于定心装置的回转调节机构上，利用装置中的偏心测量系统实时测量非球面反射镜的光轴与基准轴之间的偏差，并在显示器上显示偏差的位置、方向，通过调整非球面反射镜的位置姿态，使反射镜光轴与基准轴的重合误差小于设计允差值，从而完成非球面反射镜的定心装调。本装置及方法解决了大口径旋转对称式非球面反射镜的定心问题，具有仪器架设简单、操作方便、定心精度高等特点。

Description

一种用于大口径非球面反射镜定心装调的装置及方法

技术领域

本发明属于光机装调技术领域，具体为一种用于大口径非球面反射镜定心装调的装置及方法。

背景技术

信息化条件的战争背景下，武器装备要求其光学成像、稳瞄系统的光谱范围更宽、作用距离更远，因此大口径非球面反射镜的设计利用率越来越高。相较于传统球面透射系统，采用非球面反射镜的光学系统，其中心偏差对成像质量的影响更加明显，需要在装调阶段进行严格的控制。与球面光学元件不同，非球面反射镜具有“光轴的唯一性”，其光轴即非球面的对称轴，如果装配后非球面光轴与光学系统的统一基准轴存在偏差，也就是文中所述的中心偏差，那么便会破坏非球面反射镜在光学系统中的对称性，对系统像质带来严重的影响。因此，需要对非球面反射镜进行定心装调与控制。

目前对大口径非球面反射镜的定心装调主要采用两种方法，一是球心像反射法：参考球面光学元件的反射式定心方法，利用自准直光管使非球面顶点的曲率中心或其他环带的曲率中心位于参考基准轴上；二是打表测量法：利用杠杆百分表分别测量非球面反射镜外圆的径向跳动与镜面某一环带的端面跳动，通过调整非球面反射镜，使跳动值小于允差值。上述方法主要存在以下问题：

1.方法一只能找到球心像，对于表面顶点像无法定位，因此调整的并非是非球面真正的光轴，即旋转对称轴；

2.方法一也会通过定位非球面上两个不同环带(区域)的曲率中心，从而标定其对称轴，这种方法由于非球面各环带之间的曲率相差并不大，各曲率中心的轴向位置相临很近，导致定心精度很低，无法达到角秒级。

3.方法二受限于百分表的测量精度，引入的测量误差较大；且该方法为接触式测量法，对非球面元件具有一定的损伤。

2008年3月于《应用光学》发表的《抛物面反射镜光轴的确定》一文中，介绍了一种利用入射平行光束确定抛物面反射镜光轴的方法，该方法由于采用宽光束入射，当反射镜旋转时，入射面积内各点的实际法线变化情况并不相同，因此在CCD上很难得到运动轨迹完整的光斑图样；且对于不同待测件，入射与反射方向随机，CCD接收器件的放置位置并不固定，实现起来很困难；同时被测样件采用竖直侧挂的安装方式，对于大口径的元件，存在较大的技术风险。同年公开的实用新型专利“一种非球面透镜的偏心测量装置”，公开号：CN201096611Y，该专利与上述论文为同一作者，其发明内容与论文所述方法相比，将宽光束入射改为了激光光束入射，但存在同样的光斑接收角度问题与安全问题，在实际操作中很难实现。

2008年7月于《光子学报》发表的《非球面干涉定心方法研究》一文中，提出了一种采用干涉测量原理，观察干涉图样变化判断偏心误差的方法，该方法受环境振动影响很大，实际测量结果并不一定准确，且引入了干涉仪，整个实验装置结构体积大，架设困难，无法满足实际的试制及批生产高效的需求。

发明内容

本发明的目的在于解决现有大口径非球面反射镜定心装调技术中存在的问题，为实现非球面反射镜的定心装调提供一种结构合理、便于操作的装置，以及一种高精度、高效率的方法。

本发明的技术方案为：

所述一种用于大口径非球面反射镜定心装调的装置，其特征在于：由偏心测量系统和回转调节机构组成；

所述偏心测量系统包括激光发射与接收分系统、图像显示与处理分系统；

所述激光发射与接收分系统包括红光半导体激光器、分束立方体、反光镜、可调式激光接收物镜组件、衰减片组件和CCD；所述可调式激光接收物镜组件由激光接收物镜与直线位移导轨组成，导轨可带动激光接收物镜沿光轴方向在±20mm范围内进行平移；所述图像显示与处理分系统可将激光光斑图像实时显示于计算机中，通过软件算法计算出非球面反射镜当前的中心偏差值；

所述回转调节机构包括精密回转转台与可调反射镜组件；所述可调式反射镜组件包括平面反射镜与反射镜支撑调节架，通过一组螺钉固定于回转转台上，使平面反射镜处于转台的正上方。

进一步的优选方案，所述一种用于大口径非球面反射镜定心装调的装置，其特征在于：所述激光发射与接收分系统中，激光器发射光轴与激光接收光轴平行差不大于0.5mrad；所述可调式激光接收物镜组件在全运动范围内的光轴偏移不大于0.5mrad。

进一步的优选方案，所述一种用于大口径非球面反射镜定心装调的装置，其特征在于：所述图像显示与处理分系统中的中心偏差测量软件可输入待调非球面反射镜的光学参数，显示输出激光光斑的实时坐标、运动轨迹、轨迹中心点，并计算出非球面反射镜的中心偏差值。

进一步的优选方案，所述一种用于大口径非球面反射镜定心装调的装置，其特征在于：所述精密回转转台同时具备x轴、y轴平移与绕x轴、y轴倾斜的调节功能；所述平面反射镜可作绕z、y轴的旋转运动，旋转角度范围为±15°。

所述一种利用上述装置对大口径非球面反射镜定心装调的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将非球面反射镜组件放置固定于精密回转转台上，通过回转转台的调节手轮调整转台的姿态，使非球面反射镜组件的装配基准轴(镜框外圆柱与安装面的机械基准线)与转台回转轴重合；

步骤2：打开偏心测量系统主电源，打开激光器电源，目视观察激光光束在平面反射镜镜面上的入射光斑，以及激光光束经平面反射镜、待调非球面反射镜表面反射后在平面反射镜镜面上的出射光斑，通过调节可调反射镜组件中的调节螺杆，使上述两个光斑位置重合；

步骤3：打开中心偏差测量软件，在软件界面中输入非球面反射镜的各项光学参数；

步骤4：点击软件中的“采集图像”，手动旋转转台3～5圈，此时激光光斑在软件的图像显示区域内按圆形轨迹运动，点击“显示拟合结果”，此时软件会显示出运动轨迹的拟合圆及其圆心，点击“显示测量结果”，软件会给出此时非球面反射镜中心偏差值；

步骤5：点击软件中的“开始调校”，通过平移、倾斜调整非球面反射镜相对镜框的位置，使激光光斑的中心与运动轨迹拟合圆圆心重合，点击“显示偏差”，得出此时非球面反射镜中心偏差值；

步骤6：重复步骤4、步骤5，直至非球面中心偏差测量值小于允差值。

有益效果

本发明的有益效果体现在以下几个方面：

(一)本发明采用准直性良好的激光光束进行表面反射测量，能够找到非球面反射镜的光轴(旋转对称轴)，利用CCD成像系统进行接收，大大提高了测量与装调精度，且整个过程为非接触式无损测量。

(二)在本发明中，待调反射镜为立式放置，因此不受反射镜口径与重量限制，在降低装调与技术风险的同时，扩大了装置的测量适用范围。

(三)本发明的中心偏差测量软件针对光机装调实验与操作人员进行专门的开发与设计，界面人性化、直观，方便操作。

(四)在本发明中，通过可调式反射镜组件，可快速调整使激光入射与出射光束重合，对测量装置相对于非球面反射镜的入射角度没有限制，找像操作很方便，同时，偏心测量系统与回转调节机构相对独立，可适应加工、装调、试验等各种现场环境。

附图说明

图1是本发明大口径非球面反射镜定心装调装置的示意图。

图2是图1中所示激光发射与接收分系统的光学系统示意图。

图3是图1中所示回转调节机构的结构示意图。

图4是激光光斑图像处理算法流程。

图5是激光光斑运动轨迹与调校过程的示意图。

图6是平面反射镜上激光光束入射与出射光斑位置的示意图。

图7是中心偏差测量软件界面的示意图。

图中：1、偏心测量系统；2、回转调节机构；3、激光发射与接收分系统；4、图像显示与处理分系统；5、红光半导体激光器；6、分束立方体；7、反光镜；8、可调式激光接收物镜；9、衰减片；10、CCD；11、精密回转转台；13、平面反射镜；14、反射镜支撑调节架；15、激光光斑运动轨迹；16、轨迹中心点；17、激光入射光斑；18、激光出射光斑。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

针对现有的大口径非球面反射镜定心装调技术中存在的问题，为实现非球面反射镜的定心装调，本实施例提供一种结构合理、便于操作的装置，以及一种高精度、高效率的方法。

如图1所示，该非球面反射镜定心装调装置，由偏心测量系统1和回转调节机构2组成。

所述偏心测量系统1包括激光发射与接收分系统3、图像显示与处理分系统4；

所述激光发射与接收分系统3包括红光半导体激光器5、分束立方体6、反光镜7、可调式激光接收物镜8、衰减片9和CCD10；本实施例中要求激光器发射光轴与激光接收光轴平行差不大于0.5mrad；

所述可调式激光接收物镜8可沿光轴方向在±20mm范围内进行平移，且在全运动范围内的光轴偏移不大于0.5mrad；；

如图5所示，所述图像显示与处理分系统4可将激光光斑14的图像实时显示于计算机中，并输出激光光斑的运动轨迹15、轨迹中心点16，通过软件算法计算出非球面反射镜当前的中心偏差值；

如图3所示，所述回转调节机构2包括精密回转转台11与可调反射镜组件；所述可调式反射镜组件12包括平面反射镜13与反射镜支撑调节架14，通过一组螺钉固定于回转转台11上，使平面反射镜13处于转台的正上方；本实施例中要求精密回转转台11同时具备x轴、y轴平移与绕x轴、y轴倾斜的调节功能，平面反射镜13可作绕z、y轴的旋转运动，旋转角度范围为±15°。如图3所示，XYZ三轴组成笛卡尔坐标系，Z轴为精密回转转台11回转轴。

利用上述装置，对大口径非球面反射镜定心装调的方法包括以下步骤：

步骤1：将非球面反射镜组件放置固定于精密回转转台上，通过回转转台的调节手轮调整转台的姿态，使非球面反射镜组件的装配基准轴(镜框外圆柱与安装面的机械基准线)与转台回转轴重合；

步骤2：打开偏心测量系统主电源，打开激光器电源，目视观察激光光束在平面反射镜镜面上的入射光斑，以及激光光束经平面反射镜、待调非球面反射镜表面反射后在平面反射镜镜面上的出射光斑，如图6所示，通过调节可调反射镜组件中的调节螺杆，使上述两个光斑位置重合；

步骤3：打开中心偏差测量软件，如图7所示，在软件界面中输入非球面反射镜的各项光学参数；

步骤4：点击软件中的“采集图像”，手动旋转转台3～5圈，此时激光光斑在软件的图像显示区域内按圆形轨迹运动，如图5(a)所示，点击“显示拟合结果”，此时软件会显示出运动轨迹的拟合圆及其圆心，点击“显示测量结果”，软件会给出此时非球面反射镜中心偏差值；

步骤5：点击软件中的“开始调校”，通过平移、倾斜调整非球面反射镜相对镜框的位置，使激光光斑的中心与运动轨迹拟合圆圆心重合，如图5(b)所示，点击“显示偏差”，得出此时非球面反射镜中心偏差值

步骤6：重复步骤4、步骤5，直至非球面中心偏差测量值小于允差值，此时完成非球面反射镜的定心装调。

Claims (5)

1.一种用于大口径非球面反射镜定心装调的装置，其特征在于：由偏心测量系统和回转调节机构组成；

所述偏心测量系统包括激光发射与接收分系统、图像显示与处理分系统；

所述激光发射与接收分系统包括激光器、分束立方体、反光镜、可调式激光接收物镜组件、衰减片组件和CCD；所述可调式激光接收物镜组件由激光接收物镜与直线位移导轨组成，导轨可带动激光接收物镜沿光轴方向平移；所述图像显示与处理分系统能够将激光光斑图像实时显示于计算机中，并输出激光光斑的运动轨迹以及轨迹中心点，计算出非球面反射镜当前的中心偏差值；

所述回转调节机构包括精密回转转台与可调反射镜组件；所述可调式反射镜组件包括平面反射镜与反射镜支撑调节架；所述可调式反射镜组件固定于所述精密回转转台上，且平面反射镜处于转台的正上方。

2.根据权利要求1所述一种用于大口径非球面反射镜定心装调的装置，其特征在于：所述激光发射与接收分系统中，激光器发射光轴与激光接收光轴平行差不大于0.5mrad；所述可调式激光接收物镜组件在全运动范围内的光轴偏移不大于0.5mrad。

3.根据权利要求1所述一种用于大口径非球面反射镜定心装调的装置，其特征在于：所述图像显示与处理分系统能够输入待调非球面反射镜的光学参数，显示输出激光光斑的实时坐标、运动轨迹、轨迹中心点，并计算出非球面反射镜的中心偏差值。

4.根据权利要求1所述一种用于大口径非球面反射镜定心装调的装置，其特征在于：所述精密回转转台同时具备x轴、y轴平移与绕x轴、y轴倾斜的调节功能；所述平面反射镜可作绕z、y轴的旋转运动。

5.利用权利要求1所述装置对大口径非球面反射镜定心装调的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将非球面反射镜组件放置固定于精密回转转台上，调整精密回转转台的姿态，使非球面反射镜组件的装配基准轴与精密回转转台回转轴重合；

步骤2：打开激光器，观察激光光束在平面反射镜镜面上的入射光斑，以及激光光束经平面反射镜、待调非球面反射镜表面反射后在平面反射镜镜面上的出射光斑，调节可调反射镜组件，使所述入射光斑和所述出射光斑位置重合；

步骤3：向图像显示与处理分系统输入非球面反射镜的光学参数；

步骤4：手动旋转精密回转转台多圈，使激光光斑在图像显示与处理分系统的图像显示区域内按圆形轨迹运动，图像显示与处理分系统显示出激光光斑运动轨迹的拟合圆及其圆心，并给出此时非球面反射镜中心偏差值；

步骤5：平移、倾斜调整非球面反射镜相对镜框的位置，使激光光斑的中心与运动轨迹拟合圆圆心重合，得出此时非球面反射镜中心偏差值；

步骤6：重复步骤4、步骤5，直至非球面中心偏差测量值小于允差值。