CN107505684B - 一种镜组的装调方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种镜组的装调方法。该方法步骤如下：根据镜组参数设定镜筒的尺寸，与每个镜片对应的镜筒壁沿周向均匀设置四个调整螺丝；装调时，首先利用杠杆表调整镜筒与中心偏测量仪的位置，调整工作台与中心激光光束光轴的水平位置与俯仰位置；其次，通过调整螺丝对第一个镜片的光轴进行调整，采用隔圈固定后置入下一个镜片继续进行光轴调整；并记录各镜片的实际装调误差；将各镜片参数代入仿真系统，得到该镜组的理想仿真波面；对装调之后的镜筒进行测量得到实际波面，将理想仿真波面与实测波面进行比较，重新仿真得到的理想仿真波面与实测波面误差小于阈值，从而得到镜组装调误差。本发明的误差标定精度高，也极大地提高了整个光学系统的测量精度。

Description

一种镜组的装调方法
技术领域
本发明涉及光干涉计量技术领域，特别是一种镜组的装调方法。
背景技术
现代高性能光电系统，例如大型天文望远镜、大场景增强现实(AR)、大场景虚拟现实(VR)、空间相机等系统中，需要只使用一片成像镜的简单光学结构就实现高性能光学质量。自由曲面光学元件能利用自身曲率的高阶变化校正几乎所有像差，同时又能简化系统结构[5-8]，是现代高性能光电系统的理想元件。但是该类元件的大口径和较大自由度，给其面形的高精度测量带来了许多复杂且难以解决的科学问题，难以满足成像光学系统对其面形波长量级(100nm)的质量要求。因此大口径复杂面形元件的面形精密测量已经成为制约该类元件制造和应用的关键瓶颈，成为光学制造领域的研究热点。
目前国内外常采用的大口径元件面形测量方法主要分为探针法、几何光线法和干涉法。基于上述需求，提出了基于光纤阵列非零位干涉系统的检测方法，其实质是用光纤阵列产生多重倾斜波面对被测件的不同区域的不同倾斜进行补偿，从而使被测件每一区域的测试光都能够返回到干涉系统中，从而对整个面型进行检测。
但是在非零位干涉系统中，装调误差会导致很大的系统误差，而系统误差则会对测量结果产生较大影响，一般的机械加工无法保证系统中各镜片的位置达到设计要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高整个光学系统测量精度的镜组装调方法，对系统中镜组的误差进行精确标定。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种镜组的装调方法，包括以下步骤：
步骤1，根据镜组参数设定镜筒的尺寸，镜组中各镜片顺次置于镜筒之中，相邻镜片之间设置隔圈，隔圈对相邻镜片之间的距离进行限定，与每个镜片对应的镜筒壁沿周向均匀设置四个调整螺丝；
步骤2，装调时，首先利用杠杆表调整镜筒与中心偏测量仪的位置，调整工作台与中心激光光束光轴的水平位置与俯仰位置；其次，通过调整螺丝对第一个镜片的光轴进行调整，采用隔圈固定后置入第二个镜片继续进行光轴调整，直至完成对所有镜片的光轴调整；并记录各镜片的实际装调误差；
步骤3，对步骤1所述镜组进行数学建模得到仿真系统，将各镜片参数代入仿真系统，即可得到该镜组的理想仿真波面；使用ZYGO干涉仪对步骤2装调之后的镜筒进行测量得到实际波面，将理想仿真波面与实测波面进行比较，通过改变仿真系统中各镜片的倾斜、俯仰或离轴参数，使重新仿真得到的理想仿真波面与实测波面误差小于阈值，从而得到各镜片的实际位置，即镜组装调误差。
进一步地，步骤1所述四个调整螺丝位于与镜筒轴线垂直的平面，且分别设置于镜筒的上、下、左、右四个位置。
进一步地，步骤2所述通过调整螺丝对第一个镜片的光轴进行调整，具体如下：
输入第一个镜片的参数并调整中心偏测量仪激光的上下位置，使激光焦点聚焦于第一个镜片上表面旋转工作台测量后，将激光聚焦于第一个镜片下表面并旋转工作台进行测量；中心偏测量仪确定第一个镜片光轴，之后利用镜筒壁对应的第一个镜片周边四个调整螺丝对第一个镜片光轴实行矫正，矫正后再次进行测量直到符合要求。
进一步地，步骤3所述各镜片参数包括实际的曲率、厚度、折射率、实际装调误差。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)使用中心偏测量仪辅助装调，提高了精度，并可以提供装调时测得的装调误差；(2)将中心偏测量仪测得误差及实测镜片参数作为初始量带入仿真系统，使得仿真系统与实际系统更相近，这样在计算每个镜片的精确位置参数时，简化了仿真系统的计算量，节省系统运算时间；(3)可以得到每个镜片的精确位置参数，极大地提高了系统的误差标定精度，也就极大地提高了整个光学系统的测量精度。
附图说明
图1为本发明镜组的装调方法流程示意图。
图2为本发明实施例1中准直镜镜筒示意图。
图3为本发明实施例1中标准镜镜筒示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
结合图1，本发明镜组的装调方法，包括以下步骤：
步骤1，根据镜组参数设定镜筒4的尺寸，镜组中各镜片1顺次置于镜筒4之中，相邻镜片1之间设置隔圈2，隔圈2对相邻镜片1之间的距离进行限定，与每个镜片1对应的镜筒4壁沿周向均匀设置四个调整螺丝3；
步骤2，装调时，首先利用杠杆表调整镜筒4与中心偏测量仪的位置，调整工作台与中心激光光束光轴的水平位置与俯仰位置；其次，通过调整螺丝3对第一个镜片1的光轴进行调整，采用隔圈2固定后置入第二个镜片1继续进行光轴调整，直至完成对所有镜片1的光轴调整；并记录各镜片1的实际装调误差；
步骤3，对步骤1所述镜组进行数学建模得到仿真系统，将各镜片1参数代入仿真系统，即可得到该镜组的理想仿真波面；使用ZYGO干涉仪对步骤2装调之后的镜筒进行测量得到实际波面，将理想仿真波面与实测波面进行比较，通过改变仿真系统中各镜片1的倾斜、俯仰或离轴参数，使重新仿真得到的理想仿真波面与实测波面误差小于阈值，从而得到各镜片1的实际位置，即镜组装调误差。
作为一种优选方案，步骤1所述四个调整螺丝3位于与镜筒4轴线垂直的平面，且分别设置于镜筒4的上、下、左、右四个位置。
作为一种具体示例，步骤2所述通过调整螺丝3对第一个镜片1的光轴进行调整，具体如下：
输入第一个镜片1的参数并调整中心偏测量仪激光的上下位置，使激光焦点聚焦于第一个镜片1上表面旋转工作台测量后，将激光聚焦于第一个镜片1下表面并旋转工作台进行测量；中心偏测量仪确定第一个镜片1光轴，之后利用镜筒4壁对应的第一个镜片1周边四个调整螺丝3对第一个镜片1光轴实行矫正，矫正后再次进行测量直到符合要求。
作为一种具体示例，步骤3所述各镜片1参数包括实际的曲率、厚度、折射率、实际装调误差。
实施例1
首先根据被设计的镜片，对镜筒的机械结构进行设计，如图2所示准直镜镜筒，每一个镜片1之间由一个隔圈2保证镜片间的距离，并通过高精度的机械加工保证倾斜俯仰无限接近于零，每个镜片1的位置会有对称位置的四个调整螺丝3，将直螺纹旋进抵住镜片1，在中心偏测量仪中，通过改变每个调整螺丝3旋进的多少即可调整镜片1的中心位置，将镜片1的中心与整个镜筒4的光轴重合之后，将调整螺丝3旋紧，就可以在镜筒4中固定住每一个镜片1。具体过程如下：
首先在中心偏测量仪上从上到下将图2准直透镜组的三片透镜定中心。首先将三片镜片1粗略装入镜筒4中，放在中心偏测量仪的工作台上。利用杠杆表调整准直镜筒与中心偏测量仪的位置，调整工作台与中心激光光束光轴的水平位置与俯仰位置，当杠杆表的指针不在随工作台旋转而跳动时，可认为准直镜筒位置已经调整好。之后开始对准直镜第一片镜子进行定中心测量，输入镜子的参数并调整激光的上下位置，使其焦点聚焦于第一准直镜表面，旋转工作台测量后将激光聚焦于第一准直镜下表面并旋转工作台进行测量。中心偏测量仪会自动给出第一准直镜光轴情况，之后利用准直镜筒第一准直镜周边8个调整螺丝3对透镜光轴实行矫正。矫正后再次进行测量直到符合要求，使用隔圈2固定。对另外两片透镜进行同样的操作，只是要使激光聚焦在不同的透镜面上进行测量，当所有准直镜的位置都在误差范围内时，认为准直镜组装调完毕。
之后，将五块标准镜粗略装入标准镜筒中，如图3所示，放在中心偏测量仪上，调整标准镜筒在工作台上与激光光束光轴的位置。在镜筒位置调整好后重复调整准直镜组的操作，从上到下依次对标准镜进行矫正。当所有镜片的位置都在误差范围内时，认为标准镜组调整完毕。
最后，进行准直镜组与标准镜组的调整。由于标准镜组重量较大体积较大，因此先将标准镜筒粗略装入组合镜筒中，放在工作台上，对组合镜筒的位置进行调整，使其中心轴与激光光束光轴重合。由于标准镜组的透镜的位置我们是已经调整好的，因此将标准镜组认为成一个单透镜。将激光光束焦点调整到标准镜组第一个面和最后一个面上，旋转工作台进行测量，得到标准镜筒的轴心情况，之后利用组合镜筒在标准镜组位置的螺丝进行调整使其轴心与光束光轴重合。
将准直镜筒装入组合镜筒中，这里我们也可以将准直镜组认为是单透镜，以准直镜组第一个面和最后一个面为基准进行测量，获取轴心位置，之后利用螺丝对准直镜筒的位置进行调整，使其轴心与光束光轴重合。
将光纤阵列型非零位干涉系统中的每一个镜片参数及被测标准件的面型参数输入到仿真系统中，即可得到仿真干涉图，解算出理想面型的理想波面。被侧标准件通过实际干涉测量系统可以得到它的实际干涉图，同样解算出其实际波面，之后进行两个波面的比较，改变仿真系统建模中各镜片的位置参数，当仿真波面与实际波面相差阈值之内时，改变的参数即为系统误差，通过仿真程序即可得到面形偏差。具体流程如图1所示：
在光纤阵列型非零位干涉系统中，探测器处波前Wdet可以写为系统中各元件曲率、厚度等测量得到的参数的函数：
Wdet＝f(M,A,O) (1)
其中M为系统中各镜片的模型参数(折射率、曲率半径、厚度和不均匀度等)A为各镜片的对准状态(倾斜与偏心)，O为系统中的其他参数(如参考面、分光板、光源和环境因素等)。对于精密加工的镜片和零件，系统中的M和O均应接近于理论值(弱变量)，可以忽略，只需要考虑各镜片的对准状态对光学系统的影响，因此式(1)可以简化为：
Figure BDA0001389138360000051
在仿真系统中，每一个镜片的位置都是确定的，这时通过改变各个镜片的坐标参数，即改变镜片的倾斜与偏心，从而改变仿真出来的波面，使其与实际测试得到的干涉图结算得到的波面进行比对，当两者之差相差在一定阈值以内时，就可以认为这时的各镜片的对准状态A为实际装调镜筒中各镜片的实际姿态，即为镜组装调误差。

Claims (2)

1.一种镜组的装调方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据镜组参数设定镜筒(4)的尺寸，镜组中各镜片(1)顺次置于镜筒(4)之中，相邻镜片(1)之间设置隔圈(2)，隔圈(2)对相邻镜片(1)之间的距离进行限定，与每个镜片(1)对应的镜筒(4)壁沿周向均匀设置四个调整螺丝(3)；
步骤2，装调时，首先利用杠杆表调整镜筒(4)与中心偏测量仪的位置，调整工作台与中心激光光束光轴的水平位置与俯仰位置；其次，通过调整螺丝(3)对第一个镜片(1)的光轴进行调整，采用隔圈(2)固定后置入第二个镜片(1)继续进行光轴调整，直至完成对所有镜片(1)的光轴调整；并记录各镜片(1)的实际装调误差；
步骤3，对步骤1所述镜组进行数学建模得到仿真系统，将各镜片(1)参数代入仿真系统，即可得到该镜组的理想仿真波面；使用ZYGO干涉仪对步骤2装调之后的镜筒进行测量得到实际波面，将理想仿真波面与实测波面进行比较，通过改变仿真系统中各镜片(1)的倾斜、俯仰或离轴参数，使重新仿真得到的理想仿真波面与实测波面误差小于阈值，从而得到各镜片(1)的实际位置，即镜组装调误差；
步骤1所述四个调整螺丝(3)位于与镜筒(4)轴线垂直的平面，且分别设置于镜筒(4)的上、下、左、右四个位置；
步骤2所述通过调整螺丝(3)对第一个镜片(1)的光轴进行调整，具体如下：
输入第一个镜片(1)的参数并调整中心偏测量仪激光的上下位置，使激光焦点聚焦于第一个镜片(1)上表面旋转工作台测量后，将激光聚焦于第一个镜片(1)下表面并旋转工作台进行测量；中心偏测量仪确定第一个镜片(1)光轴，之后利用镜筒(4)壁对应的第一个镜片(1)周边四个调整螺丝(3)对第一个镜片(1)光轴实行矫正，矫正后再次进行测量直到符合要求。
2.根据权利要求1所述镜组的装调方法，其特征在于，步骤3所述各镜片(1)参数包括实际的曲率、厚度、折射率、实际装调误差。
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