CN110440934A - 一种光学装配用的多自由度精密控制平台装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学装配用的多自由度精密控制平台装置，其中，直线导轨(1)和六自由度机械臂(4)实现装置的位姿定位精度功能；激光干涉仪(2)和补偿镜(3)实时测量待装配元件或系统的波前误差；控制与解算系统(5)实时解算出元件位姿失调量并传输给六自由度机械臂(4)位姿微调量，驱动六自由度机械臂(4)进行位姿微调；激光扫描仪(7)对光学元件及机械安装结构进行扫描，确定出实际三维间隙，拟合出安装补偿垫片厚度与方向。光学装配用的多自由度精密控制平台装置可实现高效率、高质量精密光学系统装配。

Description

一种光学装配用的多自由度精密控制平台装置
技术领域
本发明涉及多自由度精密控制平台技术领域，特别是一种光学装配用的多自由度精密控制平台。
背景技术
对于精度要求较高的光电探测系统，光学系统的装调精度是制约系统探测精度的关键因素之一。光学系统一般是有多片光学元件组成的，对于回旋对称的光学系统，每个光学元件在装调时拥有1个间隔、2个偏心、2个倾斜共计5个自由度的位姿误差。精密光学装调就是要在这5个自由维度方向测量以及依据返回测量值控制光学元件的位姿精度。传统的依赖定心仪的装调方式只能测量并控制元件位姿精度，不能返回光学系统的误差精度，且效率较低；传统的只依赖干涉仪的装调方式只能测量光学系统的误差精度，不能对光学元件的位姿精度进行直接测量，且纯粹依赖手工，效率非常低下。对于要求精度和效率并存的光学装调模式，传统的方法已经不适用。将元件与系统精密测量与控制定位集成一体的新型光学装调装置将具有重要应用价值。
发明内容
本发明目的在于提供一种光学装配用的多自由度精密控制平台装置，解决精密光学系统装调精度与效率无法共存的问题。
本发明提出一种光学装配用的多自由度精密控制平台装置，其包括：直线导轨、激光干涉仪、补偿镜，还包括：六自由度机械臂、控制与解算系统、气动夹持机构和激光扫描仪。光学装配用的多自由度精密控制平台装置主要用于光学系统装配时光学元件的自动定位与位姿调整，实现高效率、高质量精密光学系统装配。所述六自由度机械臂安装面固连4个滑块，滑块凹槽卡在所述直线导轨上，通过滑块滑动，所述六自由度机械臂在所述直线导轨上运动。所述直线导轨和六自由度机械臂实现装置的位姿定位精度功能，所述直线导轨实现粗调与粗对准，精度可到±0.02mm，所述六自由度机械臂实现位姿的精确定位，精度可到±10nm。所述激光干涉仪和补偿镜实现装置的在线检测光路，可实时测量待装配元件或系统的波前误差。所述控制与解算系统依据所述激光干涉仪光路检测出的波前误差，实时解算出元件位姿失调量并传输给所述六自由度机械臂位姿微调量，驱动所述六自由度机械臂进行位姿微调。所述气动夹持机构固连在所述六自由度机械臂上，用于光学元件的微应力夹持，避免夹持力过大引起光学元件变形。所述激光扫描仪用于在所述六自由度机械臂找到光学元件最佳位置后扫描出光学元件与机械安装结构的间隙，以此确定安装补偿垫片的厚度与方向，保证光学元件固定后位姿精度不会丧失。
光学装配用的多自由度精密控制平台装置工作时，先根据光学元件或光学系统相对孔径要小于补偿镜相对孔径这一原则确定补偿镜3的型号规格，再用气动夹持机构夹持住光学元件，形成激光干涉测量光路。气动夹持机构夹持力的大小依据光学表面变形量要求确定，可调整气压大小实现。电控移动直线导轨粗调光学元件间隔与位姿，直到激光干涉仪测量光斑无法再小。使用激光干涉仪测量光学元件或光学系统的波前误差，控制与解算系统自动读取所测波前误差并进行逆向解算，得到光学元件或光学系统的位姿失调量，控制与解算系统将该位姿失调量自动传输给六自由度机械臂，驱动六自由度机械臂进行逆向运动补偿。六自由度机械臂微调补偿后，激光干涉仪又一次测量光学元件或光学系统的波前误差，控制与解算系统又一次自动读取所测波前误差并逆向解算出位姿失调量并驱动六自由度机械臂又一次的运动补偿，如此多次迭代，直至激光干涉仪所测波前误差与设计值匹配。待六自由度机械臂带动光学元件找到最佳空间位置后，激光扫描仪对光学元件及机械安装结构进行扫描，确定出实际三维间隙，拟合出安装补偿垫片厚度与方向，将该种规格垫片填充在光学元件与机械安装结构间并进行固定，即完成装配。
本发明的光学装配用的多自由度精密控制平台装置采用六自由度机械臂纳米级定位与干涉检测逆向解算失调量的新方法实现高精密光学系统高效率自动化装配，兼顾光学装调的精度与效率，具有积极的应用价值。
附图说明
图1是本发明的一种光学装配用的多自由度精密控制平台装置组成示意图。
1.直线导轨 2.激光干涉仪 3.补偿镜 4.六自由度机械臂 5.控制与解算系统 6.气动夹持机构 7.激光扫描仪
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式做出详细说明。
本发明提出的一种光学装配用的多自由度精密控制平台装置，如图1所示，其包括：直线导轨1、激光干涉仪2、补偿镜3，还包括：六自由度机械臂4、控制与解算系统5、气动夹持机构6和激光扫描仪7。
光学装配用的多自由度精密控制平台装置主要用于光学系统装配时光学元件的自动定位与位姿调整，实现高效率、高质量精密光学系统装配。所述六自由度机械臂4安装面固连4个滑块，滑块凹槽卡在所述直线导轨1上，通过滑块滑动，所述六自由度机械臂4可在所述直线导轨1上运动。所述直线导轨1和六自由度机械臂4实现装置的位姿定位精度功能，所述直线导轨1实现粗调与粗对准，精度可到±0.02mm，所述六自由度机械臂4实现位姿的精确定位，精度可到±10nm。所述激光干涉仪2和补偿镜3实现装置的在线检测光路，可实时测量待装配元件或系统的波前误差。所述控制与解算系统5依据所述激光干涉仪2光路检测出的波前误差，实时解算出元件位姿失调量并传输给所述六自由度机械臂4位姿微调量，驱动所述六自由度机械臂4进行位姿微调。所述气动夹持机构6固连在所述六自由度机械臂4上，用于光学元件的微应力夹持，避免夹持力过大引起光学元件变形。所述激光扫描仪7用于在所述六自由度机械臂4找到光学元件最佳位置后扫描出光学元件与机械安装结构的间隙，以此确定安装补偿垫片的厚度与方向，保证光学元件固定后位姿精度不会丧失。
光学装配用的多自由度精密控制平台装置工作时，先根据光学元件或光学系统相对孔径要小于补偿镜3相对孔径这一原则确定补偿镜3的型号规格，再用气动夹持机构6夹持住光学元件，形成激光干涉测量光路。气动夹持机构6夹持力的大小依据光学表面变形量要求确定，可调整气压大小实现。电控移动直线导轨1粗调光学元件间隔与位姿，直到激光干涉仪2测量光斑无法再小。使用激光干涉仪2测量光学元件或光学系统的波前误差，控制与解算系统5自动读取所测波前误差并进行逆向解算，得到光学元件或光学系统的位姿失调量，控制与解算系统5将该位姿失调量自动传输给六自由度机械臂4，驱动六自由度机械臂4进行逆向运动补偿。六自由度机械臂4微调补偿后，激光干涉仪2又一次测量光学元件或光学系统的波前误差，控制与解算系统5又一次自动读取所测波前误差并逆向解算出位姿失调量并驱动六自由度机械臂4又一次的运动补偿，如此多次迭代，直至激光干涉仪2所测波前误差与设计值匹配。待六自由度机械臂4带动光学元件找到最佳空间位置后，激光扫描仪7对光学元件及机械安装结构进行扫描，确定出实际三维间隙，拟合出安装补偿垫片厚度与方向，将该种规格垫片填充在光学元件与机械安装结构间并进行固定，即完成装配。
本发明的光学装配用的多自由度精密控制平台装置采用六自由度机械臂纳米级定位与干涉检测逆向解算失调量的新方法实现高精密光学系统高效率自动化装配，兼顾光学装调的精度与效率，具有积极的应用价值。

Claims (2)

1.一种光学装配用的多自由度精密控制平台装置，其特征在于，其包括：直线导轨(1)、激光干涉仪(2)、补偿镜(3)、六自由度机械臂(4)、控制与解算系统(5)、气动夹持机构(6)和激光扫描仪(7)；其中，
所述六自由度机械臂(4)安装面固连4个滑块，滑块凹槽卡在所述直线导轨(1)上，通过滑块滑动，所述六自由度机械臂(4)在所述直线导轨(1)上运动；所述直线导轨(1)实现粗调与粗对准，精度达到±0.02mm，所述六自由度机械臂(4)实现位姿的精确定位，精度达到±10nm；所述激光干涉仪(2)和补偿镜(3)实现装置的在线检测光路，以实时测量待装配元件或系统的波前误差；所述控制与解算系统(5)依据所述激光干涉仪(2)光路检测出的波前误差，实时解算出元件位姿失调量并传输给所述六自由度机械臂(4)位姿微调量，驱动所述六自由度机械臂(4)进行位姿微调；所述气动夹持机构(6)固连在所述六自由度机械臂(4)上，用于光学元件的微应力夹持，避免夹持力过大引起光学元件变形；所述激光扫描仪(7)用于在所述六自由度机械臂(4)找到光学元件最佳位置后扫描出光学元件与机械安装结构的间隙，以此确定安装补偿垫片的厚度与方向，保证光学元件固定后位姿精度不会丧失。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，光学装配用的多自由度精密控制平台装置工作时，先根据光学元件或光学系统相对孔径要小于补偿镜(3)相对孔径这一原则确定补偿镜(3)的型号规格，再用气动夹持机构(6)夹持住光学元件，形成激光干涉测量光路；电控移动直线导轨(1)粗调光学元件间隔与位姿，直到激光干涉仪(2)测量光斑无法再小；使用激光干涉仪(2)测量光学元件或光学系统的波前误差，控制与解算系统(5)自动读取所测波前误差并进行逆向解算，得到光学元件或光学系统的位姿失调量，控制与解算系统(5)将该位姿失调量自动传输给六自由度机械臂(4)，驱动六自由度机械臂(4)进行逆向运动补偿；六自由度机械臂(4)微调补偿后，激光干涉仪(2)又一次测量光学元件或光学系统的波前误差，控制与解算系统(5)又一次自动读取所测波前误差并逆向解算出位姿失调量并驱动六自由度机械臂(4)又一次的运动补偿，如此多次迭代，直至激光干涉仪(2)所测波前误差与设计值匹配；待六自由度机械臂(4)带动光学元件找到最佳空间位置后，激光扫描仪(7)对光学元件及机械安装结构进行扫描，确定出实际三维间隙，拟合出安装补偿垫片厚度与方向，将该种规格垫片填充在光学元件与机械安装结构间并进行固定，即完成装配。
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