CN110954084A - 一种移动镜组姿态测量装置及测量方法 - Google Patents

一种移动镜组姿态测量装置及测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种移动镜组姿态测量装置及测量方法，解决目前装配镜头效率较低，存在反复拆装、装配过程复杂、费时费力的问题。其包括经纬仪、三点姿态调整平台、主镜筒、变焦凸轮、电机、电位计、电机控制板、十字丝基准工装以及十字丝测量工装；待测移动镜组安装在主镜筒内，与主镜筒等组成变焦镜头，固定在三点姿态调整平台上；基准工装安装在主镜筒的前端；测量工装安装在待测移动镜组的前端；经纬仪与三点姿态调整平台依次设置，且经纬仪的光轴与主镜筒的机械轴、基准工装的光轴同轴设置；三点姿态调整平台用调整变焦镜头的姿态；十字丝基准工装提供测量基准；十字丝测量工装与经纬仪相互配合测量待测移动镜组的姿态信息。

Description

一种移动镜组姿态测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于光学成像技术，具体涉及一种移动镜组姿态测量装置及测量方法。
背景技术
在镜头装配过程中，需要确保各镜片玻璃的光学中心与机械中心共轴，各移动镜组在静态时，可以通过定心加工，确保光学与机械轴的同轴性，但当镜组依据凸轮曲线在主镜筒内移动时，由于运动件之间存在的间隙，移动镜组的姿态会发生变化，这些姿态的变化会带来光轴跳动以及传函降低，影响图像质量。
以往在后期图像生成之后，如果图像质量不高，光轴跳动明显，需要对镜头反复拆装来寻找解决办法，因此造成镜头装配效率较低，整个过程操作复杂，费时费力，甚至出现反复拆装多次也无法解决问题的情况。
因此，很有必要研发一种移动镜组姿态测量装置，提前对镜组的移动姿态进行测量与评估，对影响光轴跳动与镜头传函的因素进行剥离与定位，并提前寻求解决办法，避免总装过程中的反复拆卸，提高装配效率。
发明内容
本发明的目的在于解决目前装配镜头效率较低，存在反复拆装、装配过程复杂，费时费力的问题，而提供了一种移动镜组姿态测量装置及测量方法，通过使用该装置得到各移动镜组在移动过程中姿态的变化量，通过对该变化量进行光学模拟分析，评估镜头传函以及光轴跳动量，在镜头装配过程中实现安装调试与测量同步，避免后期由于镜组倾斜带来的镜头传函降低，光轴跳动明显等现象。上述移动镜组主要是指变倍组、补偿组。
为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：
一种移动镜组姿态测量装置，其特殊之处在于，包括用于测量待测移动镜组姿态的经纬仪、三点姿态调整平台、主镜筒、变焦凸轮、电机、电位计、电机控制板、十字丝基准工装以及十字丝测量工装；
所述待测移动镜组安装在主镜筒内，并与主镜筒、变焦凸轮、电机、电位计、电机控制板共同组成变焦镜头，固定在三点姿态调整平台上；
所述十字丝基准工装安装在所述主镜筒的前端；所述十字丝测量工装安装在所述待测移动镜组的前端；
所述经纬仪与三点姿态调整平台依次设置，且经纬仪的光轴与三点姿态调整平台上主镜筒的机械轴、十字丝基准工装的光轴同轴设置；
所述变焦凸轮安装在主镜筒外周；所述电机控制板控制电机驱动变焦凸轮旋转，进而带动待测移动镜组在主镜筒内沿轴向做直线运动；所述电位计用于反馈待测移动镜组的位置；
所述三点姿态调整平台用于调整所述变焦镜头的姿态；
所述十字丝基准工装用于提供测量基准；
所述十字丝测量工装与所述经纬仪相互配合，用于测量待测移动镜组的姿态信息。
进一步地，还包括设置在经纬仪目镜处的增倍镜，用于将移动镜组十字丝图像进行放大，便于观察测量。
进一步地，所述十字丝基准工装包括第一镜框、第一压圈以及第一平面反射镜；第一镜框包括第一安装端和第一法兰端；第一平面反射镜胶装在第一安装端，通过第一压圈压紧，并进行定心处理。
进一步地，所述十字丝测量工装包括第二镜框、第二压圈以及第二平面反射镜；第二镜框包括第二安装端和第二法兰端，所述第二法兰端上均布有多个安装孔；第二平面反射镜上设置有刻度，其精度至少为0.003mm；第二平面反射镜胶装在第二安装端，通过第二压圈压紧，并进行定心处理。
进一步地，所述安装孔有四个；所述十字丝测量工装通过四个M1.6沉头螺钉固定在移动镜组的前端；沉头螺钉具有定位功能，可以确保测量工装十字丝与经纬仪十字丝对正。
进一步地，所述电位计和电机均安装在所述主镜筒前端的上方；所述电机控制板位于主镜筒的一侧，并与电机电连；所述变焦凸轮上加工有凸轮曲线。
同时，本发明还提供了采用上述移动镜组姿态测量装置测量移动镜组姿态的方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)将各组件安装到位；
2)调整经纬仪，使经纬仪的光轴与三点姿态调整平台上主镜筒的机械轴、十字丝基准工装的光轴同轴设置；
3)固定经纬仪和三点姿态调整平台的姿态，并移除十字丝基准工装；
4)设定电机步长；
5)按步驱动电机，记录每步时经纬仪读数，并与基准值进行比对，测得X轴偏差及Y轴偏差，计算X轴偏差/Y轴偏差，即得移动镜组倾斜姿态数据；
6)在经纬仪的目镜处安装增倍镜，按步驱动电机，并调节经纬仪的焦距，确保读数清晰，记录每步时十字丝测量工装与经纬仪十字丝之间的X轴偏移量及Y轴偏移量，计算X轴偏移量/Y轴偏移量，即得移动镜组偏移姿态数据；
7)将步骤5)所得的移动镜组倾斜姿态数据及步骤6)所得的移动镜组偏移姿态数据代入CodeV光学设计软件，得到系统视轴跳动量及系统传函变化图。
进一步地，步骤1)的具体步骤是：
1.1)将定心处理后的十字测量工装安装在待测移动镜组的前端，使十字测量工装的光轴与待测移动镜组的机械轴同轴；
1.2)将安装十字测量工装的待测移动镜组安装在主镜筒内；
1.3)将定心处理后的十字基准工装安装在主镜筒的前端，使十字基准工装的光轴与主镜筒的机械轴同轴；
1.4)将经纬仪与三点姿态调整平台依次设置，并将由主镜筒、变焦凸轮、待测移动镜组、电机、电位计以及电机控制板组成的变焦镜头固定在三点姿态调整平台上。
进一步地，步骤4)中，所述电机步长设定值越小，测量精度越高。
进一步地，所述十字丝测量工装的第二平面反射镜上设置有刻度，且精度至少为0.003mm。
本发明的优点是：
1.本发明测量装置结构简单，易操作，控制简单、测量精度高，可对两组元、三组元等多种变焦镜头进行测量。
2.本发明测量装置加工成本较低，装配测试简单，可以广泛应用于各类变焦镜头装配过程中。
3.使用本发明的测量装置进行测量，可提前对镜组的移动姿态进行测量与评估，对影响光轴跳动与镜头传函的因素进行剥离与定位，并提前寻求解决办法，避免总装过程中的反复拆卸，提高装配效率。
附图说明
图1为本发明测量装置的结构示意图；
图2为使用本发明测量装置测量移动镜组倾斜数据的结构示意图；
图3为使用本发明测量装置测量移动镜组偏移数据的结构示意图；
图4为本发明中主镜筒、移动镜组、十字丝基准工装、十字丝测量工装的装配关系示意图；
图5a为本发明中十字丝基准工装的结构示意图；
图5b为本发明中十字丝基准工装的定心示意图；
图6a为本发明中十字丝测量工装的结构示意图；
图6b为本发明中十字丝测量工装的定心示意图；
图7为本发明中变焦镜头的结构示意图；
图8为本发明中变倍组与补偿组有无倾斜与偏移时，在空间频率160lp/mm处中心视场MTF；
附图标号如下：
1-经纬仪；2-三点姿态调整平台；3-主镜筒；4-变焦凸轮；5-电机；6-电位计；7-电机控制板；9-待测移动镜组；10-十字丝基准工装；11-十字丝测量工装；12-第一镜框；13-第一压圈；14-第一平面反射镜；15-第一安装端；16-第一法兰端；18-第二镜框；19-第二压圈；20-第二平面反射镜；21-第二安装端；22-第二法兰端；24-M1.6沉头螺钉；25-变焦镜头；26-安装孔；27-增倍镜。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：
如图1-图4所示，一种移动镜组姿态测量装置括用于测量待测移动镜组9姿态的经纬仪1、三点姿态调整平台2、主镜筒3、变焦凸轮4、电机5、电位计6、电机控制板7、十字丝基准工装10以及十字丝测量工装11。待测移动镜组9安装在主镜筒3内，并与主镜筒3、变焦凸轮4、电机5、电位计6、电机控制板7共同组成变焦镜头25(参见图7)，固定在三点姿态调整平台2上。十字丝基准工装10安装在主镜筒3的前端；十字丝测量工装11安装在待测移动镜组9的前端；经纬仪1与三点姿态调整平台2依次设置，且经纬仪1的光轴与三点姿态调整平台2上主镜筒3的机械轴、十字丝基准工装10的光轴同轴设置；变焦凸轮4安装在主镜筒3外周，其上加工有凸轮曲线；电位计6和电机5均安装在主镜筒3前端的上方，电机控制板7位于主镜筒3的一侧，并与电机5电连；电机控制板7控制电机5驱动变焦凸轮4旋转(即电机控制板7为电机5提供控制程序)，进而带动待测移动镜组9在主镜筒3内沿轴向做直线运动；电位计6用于反馈待测移动镜组9的位置；增倍镜27用于将移动镜组十字丝图像进行放大，便于观察测量；三点姿态调整平台2用于调整变焦镜头25的姿态；十字丝基准工装10用于提供测量基准；十字丝测量与所述经纬仪1配合使用，用于测量待测移动镜组9的姿态信息。
其中，十字丝基准工装10包括第一镜框12、第一压圈13以及第一平面反射镜14，参见图5a；第一镜框12包括第一安装端15和第一法兰端16；第一平面反射镜14带胶安装在第一安装端15，通过第一压圈13压紧，待胶干透后，进行定心处理。参见图5b，定心处理的具体步骤如下：十字丝基准工装10以第一平面反射镜14光学中心作为基准；测量主镜筒3前端内孔直径，且尺寸B与其匹配，确保单边间隙不大于0.01mm；对D处进行处理，确保其与基准A同心度不大于0.01mm；对E处进行处理，确保其与基准A垂直度不大于0.01mm；沿C处将第一法兰端切下，此时十字丝基准工装10定心完成。
十字丝测量工装11包括第二镜框18、第二压圈19以及第二平面反射镜20，参见图6a；第二镜框18包括第二安装端21和第二法兰端22，第二法兰端22上均布有四个沉头孔，十字丝测量工装11通过四个M1.6螺钉安装在移动镜组的前端；第二平面反射镜20上设置有刻度，其精度至少为0.003mm；第二平面反射镜20带胶安装在第二安装端21，通过第二压圈19压紧，待胶干透后，进行定心处理。参见图6b，定心处理的具体步骤如下：十字丝测量工装11以平面反射镜光学中心作为基准；测量移动镜筒内孔直径，且尺寸B与其配车，确保单边间隙不大于0.01mm；对D处进行处理，确保其与基准A同心度不大于0.01mm；对E处进行处理，确保其与基准A垂直度不大于0.01mm；沿C处将第二法兰端切下，此时十字丝测量工装11定心完成。
利用上述移动镜组测量装置测量移动镜组姿态的方法，具体包括以下步骤：
1)将各组件安装到位，使三点姿态调整平台上的主镜筒的机械轴、十字丝基准工装的光轴同轴设置(由于移动镜组外径与其内孔同轴度不大于1丝，所以可以认为其同轴；由于变焦镜头主镜筒在加工过程中可以确保调焦部分内圆与变倍部分内圆同轴度不大于1丝，所以可以认为主镜筒前后端同轴)；
2)调整经纬仪，使经纬仪的光轴与三点姿态调整平台上主镜筒的机械轴、十字丝基准工装的光轴同轴设置；
3)固定经纬仪和三点姿态调整平台的姿态，并移除十字丝基准工装；
4)设定电机步长，在此实施例中，变焦系统焦距范围24mm～120mm，像元尺寸3.45μm，凸轮旋转角度50°，传动比为4，设定电机步长为8°，即凸轮旋转步长为2°，此处电机步长设定值越小，其测量精度越高；
5)分别对变倍组和补偿组进行测量，按步驱动电机，记录每步时经纬仪读数，并与基准值进行比对，测得X轴偏差及Y轴偏差，计算X轴偏差/Y轴偏差，即得变倍组倾斜姿态数据详见表1、补偿组倾斜姿态数据详见表2：
表1
焦距/mm 120 116.3 112.8 108.5 104.3 100.3 96.4 92.6 88.2 84 80.6 76.1
X轴偏差/分 2.5 2.4 2 1.9 1.7 1.5 1.4 1.45 1.35 1.2 1.22 1.2
Y轴偏差/分 2.3 2.3 2.2 2.12 2 1.8 1.77 1.65 1.7 1.71 1.6 1.5
焦距/mm 72.4 68.3 65 60.2 54.4 50.4 46.2 42.1 38 34.1 30.3 24.1
X轴偏差/分 0.9 0.5 0.3 0.21 0.15 0.13 0.13 0.12 0.12 0.1 0.1 0.1
Y轴偏差/分 1 0.4 0.4 0.24 0.13 0.11 0.12 0.11 0.15 0.12 0.15 0.11
表2
焦距/mm 120 116.3 112.8 108.5 104.3 100.3 96.4 92.6 88.2 84 80.6 76.1
X轴偏差/分 2 1.95 1.91 1.88 1.91 1.85 1.84 1.8 1.75 1.6 1.5 1.4
Y轴偏差/分 -1.92 -1.85 -1.81 -1.79 -1.75 -1.72 -1.68 -1.55 -1.4 -1.3 -1.2 -1
焦距/mm 72.4 68.3 65 60.2 54.4 50.4 46.2 42.1 38 34.1 30.3 24.1
X轴偏差/分 1.2 0.5 0.5 0.34 0.33 0.21 0.16 0.13 0.15 0.12 0.15 0.13
Y轴偏差/分 -0.9 -0.55 -0.34 -0.22 -0.16 -0.11 -0.13 -0.11 -0.1 -0.11 -0.08 -0.08
6)在经纬仪的目镜处安装增倍镜，按步驱动电机，并调节经纬仪的焦距，确保读数清晰，记录每步时测量工装十字丝与经纬仪十字丝之间的X轴偏移量及Y轴偏移量，计算X轴偏移量/Y轴偏移量，即得变倍组偏移姿态数据详见表3，补偿组偏移姿态数据详见表4：
表3
焦距/mm 120 116.3 112.8 108.5 104.3 100.3 96.4 92.6 88.2 84 80.6 76.1
X轴偏移量/丝 0 0.3 0.3 0 0.3 0 0.3 0.6 0 0 0.6 0.3
Y轴偏移量/丝 0.3 0.3 0.6 0.3 -0.9 -0.3 -0.6 -0.3 0 0 0.6 0.3
焦距/mm 72.4 68.3 65 60.2 54.4 50.4 46.2 42.1 38 34.1 30.3 24.1
X轴偏移量/丝 0.3 0.6 0.6 0.3 0.3 0.3 0.6 0.6 0.3 0.6 0.3 0.3
Y轴偏移量/丝 -0.9 0 -0.3 -0.3 -0.6 -0.6 -0.3 -0.3 -0.3 -0.3 -0.6 -0.3
表4
焦距/mm 120 116.3 112.8 108.5 104.3 100.3 96.4 92.6 88.2 84 80.6 76.1
X轴偏移量/丝 0 0.6 0.6 0 0.6 0 0.6 0.6 0 0 0.6 0.3
Y轴偏移量/丝 0.6 0.6 0.3 0.6 -0.3 -0.6 -0.3 -0.3 0 0 0.6 0.3
焦距/mm 72.4 68.3 65 60.2 54.4 50.4 46.2 42.1 38 34.1 30.3 24.1
X轴偏移量/丝 0.3 0.6 0.6 0.6 0.3 0.3 0.3 0.6 0.3 0.6 0.6 0.3
Y轴偏移量/丝 -0.9 0 -0.3 -0.3 -0.3 -0.6 -0.3 -0.3 -0.6 -0.6 -0.6 -0.6
7)将步骤5)所得的移动镜组倾斜姿态数据及步骤6)所得的移动镜组偏移姿态数据代入CodeV光学设计软件，得到系统视轴跳动量详见表5及系统传函变化图参见图8：
表5
焦距/mm 120 116.3 112.8 108.5 104.3 100.3 96.4 92.6 88.2 84 80.6 76.1
X轴跳动量/像元 0 0.6 0.6 0 0.6 0 0.6 0.6 0 0 0.6 0.3
Y轴偏移量/像元 0.6 0.6 0.3 0.6 -0.3 -0.6 -0.3 -0.3 0 0 0.6 0.3
焦距/mm 72.4 68.3 65 60.2 54.4 50.4 46.2 42.1 38 34.1 30.3 24.1
X轴偏移量/像元 0.3 0.6 0.6 0.6 0.3 0.3 0.3 0.6 0.3 0.6 0.6 0.3
Y轴偏移量/像元 -0.9 0 -0.3 -0.3 -0.3 -0.6 -0.3 -0.3 -0.6 -0.6 -0.6 -0.6
如图8所示，变倍组与补偿组无倾斜于偏移量时，在空间频率160lp/mm处，系统短焦至长焦端中心视场传递函数均大于0.32，像质优异；当变倍组与补偿组在装配过程中引入表3、4所示的偏移量时，在空间频率160lp/mm处，系统短焦至中焦端中心视场传递函数均大于0.32，未见明显降低，但在中焦端至长焦端中心视场传递函数下降明显，最大可下降0.18，像质变差。
由此，装配前就可根据步骤7)测量的结果，分析原因，有针对性地将问题提前解决，避免反复拆装。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种移动镜组姿态测量装置，其特征在于：包括用于测量待测移动镜组(9)姿态的经纬仪(1)、三点姿态调整平台(2)、主镜筒(3)、变焦凸轮(4)、电机(5)、电位计(6)、电机控制板(7)、十字丝基准工装(10)以及十字丝测量工装(11)；
所述待测移动镜组(9)安装在主镜筒(3)内，并与主镜筒(3)、变焦凸轮(4)、电机(5)、电位计(6)、电机控制板(7)共同组成变焦镜头(25)，固定在三点姿态调整平台(2)上；
所述十字丝基准工装(10)安装在所述主镜筒(3)的前端；所述十字丝测量工装(11)安装在所述待测移动镜组(9)的前端；
所述经纬仪(1)与三点姿态调整平台(2)依次设置，且经纬仪(1)的光轴与三点姿态调整平台(2)上主镜筒(3)的机械轴、十字丝基准工装(10)的光轴同轴设置；
所述变焦凸轮(4)安装在主镜筒(3)外周；所述电机控制板(7)控制电机(5)驱动变焦凸轮(4)旋转，进而带动待测移动镜组(9)在主镜筒(3)内沿轴向做直线运动；所述电位计(6)用于反馈待测移动镜组(9)的位置；
所述三点姿态调整平台(2)用于调整所述变焦镜头(25)的姿态；
所述十字丝基准工装(10)用于提供测量基准；
所述十字丝测量工装(11)与所述经纬仪(1)相互配合，用于测量待测移动镜组(9)的姿态信息。
2.根据权利要求1所述的一种移动镜组姿态测量装置，其特征在于:还包括设置在经纬仪(1)目镜处的增倍镜(27)。
3.根据权利要求2所述的一种移动镜组姿态测量装置，其特征在于:所述十字丝基准工装(10)包括第一镜框(12)、第一压圈(13)以及第一平面反射镜(14)；
第一镜框(12)包括第一安装端(15)和第一法兰端(16)；
第一平面反射镜(14)胶装在第一安装端(15)，通过第一压圈(13)压紧，并进行定心处理。
4.根据权利要求3所述的一种移动镜组姿态测量装置，其特征在于:
所述十字丝测量工装(11)包括第二镜框(18)、第二压圈(19)以及第二平面反射镜(20)；
第二镜框(18)包括第二安装端(21)和第二法兰端(22)，所述第二法兰端(22)上均布有多个安装孔(26)；
第二平面反射镜(20)上设置有刻度，其精度至少为0.003mm；
第二平面反射镜(20)胶装在第二安装端(21)，通过第二压圈(19)压紧，并进行定心处理。
5.根据权利要求4所述的一种移动镜组姿态测量装置，其特征在于:所述安装孔(26)有四个；所述十字丝测量工装(11)通过四个M1.6沉头螺钉(24)固定在移动镜组的前端。
6.根据权利要求5所述的一种移动镜组姿态测量装置，其特征在于：所述电位计(6)和电机(5)均安装在所述主镜筒(3)前端的上方；所述电机控制板(7)位于主镜筒(3)的一侧，并与电机(5)电连；所述变焦凸轮(4)上加工有凸轮曲线。
7.采用移动镜组姿态测量装置测量移动镜组姿态的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将各组件安装到位；
2)调整经纬仪(1)，使经纬仪(1)的光轴与三点姿态调整平台(2)上主镜筒(3)的机械轴、十字丝基准工装(10)的光轴同轴设置；
3)固定经纬仪(1)和三点姿态调整平台(2)的姿态，并移除十字丝基准工装(10)；
4)设定电机(5)步长；
5)按步驱动电机(5)，记录每步时经纬仪(1)读数，并与基准值进行比对，测得X轴偏差及Y轴偏差，计算X轴偏差/Y轴偏差，即得移动镜组倾斜姿态数据；
6)在经纬仪(1)的目镜处安装增倍镜(27)，按步驱动电机(5)，并调节经纬仪(1)的焦距，确保读数清晰，记录每步时十字丝测量工装(11)与经纬仪(1)十字丝之间的X轴偏移量及Y轴偏移量，计算X轴偏移量/Y轴偏移量，即得移动镜组偏移姿态数据；
7)将步骤5)所得的移动镜组倾斜姿态数据及步骤6)所得的移动镜组偏移姿态数据代入CodeV光学设计软件，得到系统视轴跳动量及系统传函变化图。
8.根据权利要求7所述采用移动镜组姿态测量装置测量移动镜组姿态的方法，其特征在于，步骤1)的具体步骤是：
1.1)将定心处理后的十字测量工装安装在待测移动镜组(9)的前端，使十字测量工装的光轴与待测移动镜组(9)的机械轴同轴；
1.2)将安装十字测量工装的待测移动镜组(9)安装在主镜筒(3)内；
1.3)将定心处理后的十字基准工装安装在主镜筒(3)的前端，使十字基准工装的光轴与主镜筒(3)的机械轴同轴；
1.4)将经纬仪(1)与三点姿态调整平台(2)依次设置，并将由主镜筒(3)、变焦凸轮(4)、待测移动镜组(9)、电机(5)、电位计(6)以及电机控制板(7)组成的变焦镜头(25)固定在三点姿态调整平台(2)上。
9.根据权利要求8所述的采用移动镜组姿态测量装置测量移动镜组姿态的方法，其特征在于：步骤4)中，所述电机(5)步长设定值越小，测量精度越高。
10.根据权利要求9所述的采用移动镜组姿态测量装置测量移动镜组姿态的方法，其特征在于：所述十字丝测量工装(11)的第二平面反射镜(20)上设置有刻度，且精度至少为0.003mm。
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