CN111123504A - 一种可快速装调的全金属望远物镜及其装调方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可快速装调的全金属望远物镜及其装调方法，包括与多个支架零件连接的多个光学元件，还包括设置在多个光学元件中的主镜、次镜、三镜与四镜。本发明调试步骤，将第一支架零件安装至工装，点源显微设备置于光轴，第二支架零件与第一光学元件安装，第二、第三光学元件安装至第二支架零件，调整后拆卸光学元件和支架零件，重新安装第二支架零件和第二光学元件，调整第二光学元件径向偏移量，第三光学元件径向偏移量，拆除工装，完成装调。本发明的有益效果：光机零件数量减少，光学元件可一体化设计，全金属材料零件简化了装配，适合批量、标准化生产，装调用设备要求降低，装调效率较传统望远物镜得到提高，有效减少装调迭代次数。

Description

一种可快速装调的全金属望远物镜及其装调方法
技术领域
本发明涉及光学设计和光机结构技术领域，具体为一种可快速装调的全金属望远物镜及其装调方法。
背景技术
望远物镜是一类广泛使用的光学镜头，在天文、军工国防、航天光学遥感领域有着众多的应用。小至民用长焦相机镜头，大至哈勃太空望远镜都属于望远物镜的范畴；望远物镜根据所用的光学元件，可分为反射式、折射式和折反混合三类；根据光学系统中元件的布局可分为同轴式和离轴式两类。其中同轴反射式望远物镜具有无色差和结构紧凑的设计优势，并且在费效比上优于它类望远物镜，实际使用最为广泛。
同轴反射望远物镜源自牛顿于1618年研制的使用球面反射镜的望远镜。随着二次曲面反射镜的应用，同轴反射光学系统实现了多种像差矫正，改善成像质量，提高系统鉴别能力；使用三反乃至四反光学系统，可以进一步提高光学系统性能，实现大视场消像散、紧凑系统结构、缩短镜筒长度、减轻仪器重量。
三反、四反光学系统在提高了望远物镜整体性能的同时，带来了对设计加工和装调更高的要求；紧凑的系统结构使非球面反射镜的相对孔径和面形要求显著增加，非球面加工的周期和成本明显上升；多反光学结构使每个光学元件的装调公差更为严格，也增加了装调流程的长度和复杂性，特别是大孔径长焦望远物镜，以上问题更为突出。
作为对比，参考文献：孙雯,胡建军等，新型两镜折反式平场消像散望远物镜光学设计[J]，红外与激光工程,2015,44(12):3667-3672和孙雯，微小卫星低成本高分辨率遥感相机的设计和研制[D]，苏州大学,2015中提出的两镜折反光学结构望远物镜光学系统指标同为入瞳直径200mm，焦距 1400mm，F数7，由于采用了玻璃材料反射镜配合无光焦度补偿镜组的光机设计，玻璃反射镜需要与镜框配作并进行胶结安装，使用手工抛光修配次镜面形改正系统波前，干涉仪0位检测方法进行两反系统的装调，依赖于检测设备和加工人员的手法和工艺，预计无法实现非球面反射镜的零件标准化和整机的批量化制造。该望远物镜需要使用钛合金材料以匹配反射镜基底玻璃材料的热膨胀系数，设计光机结构重量11.18kg，结构长度350mm，直径250mm，重量和尺寸均远超本发明中技术方案可实现的望远物镜
发明内容
本发明的目的在于提供一种可快速装调的全金属望远物镜及其装调方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种可快速装调的全金属望远物镜，包括有效光学面主镜、次镜、三镜、四镜、第一支架零件与第二支架零件，所述主镜内边缘与所述三镜外边缘轴向位置靠近且无径向重叠，光机设计将所述主镜与所述三镜组合为第一光学元件，所述四镜为第二光学元件，所述次镜为第三光学元件，所述第一光学元件在所述三镜中心孔镶嵌一可拆卸的第一球面，所述第二光学元件背部设计有环形孔径的第二球面，所述第三光学元件背部设计有第三球面，所述第一球面、第二球面与第三球面的共同球心位于光轴上所述第三光学元件后，所述第一支架零件用于安装所述第一光学元件，所述第二支架零件用于连接所述第一光学元件、第二光学元件与第三光学元件。
优选的，第一光学元件、第二光学元件与第三光学元件同时包含至少一个有效光学面和一个装调辅助球面，以装调辅助球面作为有效光学面的装调基准，通过装调辅助球面镜球心位置的测量和调整，替代有效光学面的测量和调整。
优选的，第一光学元件、第二光学元件与第三光学元件包含的多个装调辅助球面，球心位于同一点，且装调辅助球面为反射面，面形为球面或带中心孔的球面。
优选的，第一光学元件、第二光学元件与第三光学元件包含的多个有效光学面为反射面，且面形为球面、二次曲面或高次非球面。
优选的，第一光学元件、第二光学元件与第三光学元件采用金刚石单点车工艺加工，有效光学面和装调辅助球面镜的加工同轴度和间隔尺寸误差可直接满足光学系统公差要求。
优选的，第一球面、第二球面与第三球面的曲率半径值R1、R2、R3的大小关系为R1＞R2＞R3。
优选的，可快速装调的全金属望远物镜采用同轴反射光学系统。
优选的，可快速装调的全金属望远物镜的所用材料包括但不限于铝合金、镁合金、化学镍、硅、陶瓷玻璃。
优选的，可快速装调的全金属望远物镜为凹-凸-凹-凸结构，且主镜、次镜、三镜、四镜光学面均为非球面，光学系统有效口径200mm，焦距为1400mm， F数为7，全视场角1.3°，光机结构全重1.65kg，结构长度240mm，直径206mm。
一种可快速装调的全金属望远物镜装调方法，包括以下步骤：
步骤一，将第一支架零件安装至工装装置，第一光学元件与第一支架零件通过螺钉连接安装为一体；
步骤二，将点源显微设备13置于光轴，调整设备位置对准第一光学元件的中心第一球面的球心，球心自准直像对焦并调整至设备像面中心，第一球面自准直像位置，锁定设备位置，记录第一球面球心图像和位置数据作为装调基准；
步骤三，将第二支架零件安装至第一光学元件；
步骤四，将第二光学元件安装至第二支架零件，通过点源显微成像设备，获取第二光学元件背部的第二球面球心自准直像，记录第二球面球心的图像和以像元数为单位的位置数据x2、y2，半径尺寸数据r2，计算以mm为单位的第二光学元件的径向偏移量X2，Y2，轴向偏移量Z2；
步骤五，将第三光学元件安装至第二支架零件，通过点源显微成像设备，获取第三光学元件背部的第三球面球心自准直像，记录第二球面球心的图像和位置数据x3、y3，半径尺寸数据r3，计算第三光学元件的径向偏移量X3， Y3，轴向偏移量Z3；
步骤六，拆卸第二光学元件、第三光学元件和支架零件，根据轴向偏移量Z2、Z3，使用金刚石单点车工艺车修第二支架零件安装端面；
步骤七，重新安装第二支架零件和第二光学元件，通过点源显微成像设备确认轴向偏移量Z1减小至满足装配公差要求；
步骤八，调整第二光学元件径向偏移量X2、Y2，使满足装配公差要求，固定第二光学元件；
步骤九，第三光学元件，通过点源显微成像设备测量并确认轴向偏移量 Z2减小至满足装配公差要求；
步骤十，第三光学元件径向偏移量X3、Y3，使满足装配公差要求，固定第三光学元件；
步骤十一，拆除工装、第一光学元件中心镶嵌件，完成装调。
有益效果
本发明所提供的一种可快速装调的全金属望远物镜及其装调方法，光机零件数量减少，光学元件可一体化设计，全金属材料零件简化了装配；
适合批量、标准化生产，本技术方案使用的是金刚石单点车制的金属材料非球面反射镜，制造效率、精度和一致性都更好，并可不依赖加工人员的手法和经验；可使用同种金属材料加工光学元件和结构零件，方便实现望远物镜光机被动无热化；
装调用设备要求降低，因为装调过程中不需要进行光学系统像质或系统波前的测量，不需要占用昂贵的大口径传函仪或干涉仪；
装调效率较传统望远物镜得到提高，因为不需要反射镜胶结安装，光学元件一次装配位置精度高，使用光学成像法实现光学元件位置测量的方法客观可靠，有效减少装调迭代次数。
附图说明
图1为本发明的同轴四反射光学系统结构示意图；
图2为本发明的同轴四反射光学系统光线包络示意图；
图3为本发明的装调辅助球面和共球心位置示意图；
图4为本发明的光机结构示意图；
图5为本发明的光机结构剖视图；
图6为本发明的光机与成像光路、装调光路位置关系示意图；
图7a为本发明的球面1自准直成像光路示意图；
图7b为本发明的球面2自准直成像光路示意图；
图7c为本发明的球面3自准直成像光路示意图；
图8为本发明的装调待测数据示意图。
附图标记
1-主镜，2-次镜，3-三镜，4-四镜，5-第一光学元件，6-第二光学元件， 7-第三光学元件，8-第一球面，9-第二球面，10-第三球面，11-第一支架零件，12-第二支架零件，13-共球心，14-点源显微设备，15-第一球面自准直像，16-像面,17-第二球面自准直像，18-第三球面自准直像。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例1
同轴四反望远物镜为凹-凸-凹-凸结构，有效光学面为主镜1、次镜2、三镜3、四镜4，所有有效光学面均为非球面；光学系统有效口径200mm，焦距为1400mm，F数为7，全视场角1.3°，光机结构全重1.65kg，结构长度 240mm，直径206mm；
该光学系统结构如图1所示，光路描述如下：成像光路中光线经主镜1 反射至次镜2、由次镜2反射成像至一次像面，一次像面位于四镜4中心孔处，成像光线通过四镜4中心孔后至三镜3，再经三镜3反射至四镜4，经四镜4反射光线通过三镜3中心孔后成像至像面。
如图3所示光学系统光线包络，主镜1与三镜3同为凹面，光学设计中主镜1内边缘与三镜3外边缘轴向位置靠近且无径向重叠光机设计中将主镜 1与三镜3组合为一个光学元件进行加工，加工含有主镜、三镜的光学元件为第一光学元件5，加工有四镜的光学元件为第二光学元件6，加工有次镜2 的光学元件为第三光学元件7。
如图3所示，第一光学元件5在三镜3中心孔镶嵌一可拆卸的第一球面 8，第一球面作为装调辅助球面，第二光学元件6背部设计有环形孔径的第二球面9、第三光学元件7背部设计有第三球面10，第一球面8、第二球面9、第三球面10的共同球心位于光轴上第三光学元件后，第一球面8、第二球面 9、第三球面10的曲率半径值R1、R2、R3，大小关系为R1＞R2＞R3。
所述装调辅助球面镜的自准直像点用于光学元件位置测量时，径向分辨率Δdx、Δdy和轴向分辨率Δdz的计算如下：
Figure BDA0002396059430000061
公式中Spixel为点源显微设备的像元尺寸，β为点源显微光学系统的横向放大率，R球为装调辅助球面半径，D球为装调辅助球面有效口径，·为乘法计算符。
如图4、5所示，构成望远物镜的零件除第一光学元件5、第二光学元件 6、第三光学元件7外，还有第一支架零件11与第二支架零件12，第一支架零件11用于安装第一光学元件5，并设计有望远物镜对外接口，第二支架零件12用于安装连接第一光学元件5、第二光学元件6、第三光学元件7；所有光学元件和支架零件都采用铝合金材料Al6061-T6制成，使用金刚石单点车加工或修切有效光学面、装调用球面和安装端面，各面之间的形位公差要求±1μm。
具体的系统设计参数如下：
成像光学系统参数：
Figure BDA0002396059430000071
装调球面参数：
面名称 球面半径mm 球面口径
第一球面 65.00 30.00
第二球面 116.00 37.64
第三球面 188.16 24.00
以共球心点为坐标原点，光线入射方向为正方向，系统中各面的顶点轴向坐标值如下：
序号 Z轴坐标mm 注释
1 0 共球心
2 64 第三球面顶点
3 71.46 次镜顶点
4 116 第二球面顶点
5 121.46 四镜顶点
6 181.46 主镜顶点
7 188.16 第一球面顶点
8 188.5 三镜顶点
所使用的点源显微设备，显微物镜放大率为25倍，探测器像元尺寸2.8 μm，根据光学元件位置测量径向分辨率Δdx、Δdy和轴向分辨率Δdz的计算公式：
Figure BDA0002396059430000081
计算得光学元件的位置测量分辨率如下表：
Figure BDA0002396059430000082
实施例2
基于上述光学和光机设计的一种望远物镜快速装调方法，整个光机与成像光路、装调光路位置关系示意图如图6，具体的装调步骤如下：
步骤一，将系统中作为装调基准的光学元件稳妥固定到工装；
步骤二，将点源显微成像设备置于光轴，调整设备位置对准作为装调基准的光学元件上的辅助装调球面，将球心自准直像对焦并调整至设备像面中心，锁定设备位置，记录光学元件球心图像和位置数据作为装调基准；
步骤三，将需要装配的光学元件依次进行装配，通过固定的点源显微成像设备，获取光学元件各光学元件的装调辅助球面球心自准直像，记录图像数据，计算光学元件相对于装调基准的径向偏移量和轴向偏移量；
步骤四，拆卸第三步骤中装配并测量的光学元件，根据轴向偏移量，使用金刚石单点车工艺车修结构零件；
步骤五，重新安装光学元件，通过点源显微成像设备再次测量并确认轴向偏移量减小至满足装配公差要求；
步骤六，调整光学元件径向偏移量，使其满足装配公差要求，固定光学元件；
步骤七，拆除工装完成装调，装调完成后望远物镜外观如图4，剖面结构如图5。
所述光学元件径向偏移量X、Y和轴向偏移量Z的计算方式：
Figure BDA0002396059430000091
Figure BDA0002396059430000092
式中，x、y、r为记录以像元数为单位的位置数据 h和半径尺寸数据，Spixel为点源显微设备的像元尺寸，β为点源显微光学系统的横向放大率，R球为装调辅助球面半径，D球为装调辅助球面有效口径，·为乘法计算符。
基于金刚石单点车削工艺，将光学元件的光学面与装调用基准球面加工在金属基材上，各光学元件的装调用基准球面设计为同心；光学元件加工所用的金刚石单点车削工艺使光学面与机械安装靠面、装调基准球面的加工可在一次装夹中完成，各面间形位误差可忽略，保证了基准转移精度；装调中利用装调基准球面的同心特性，通过测量球心自准直像的尺寸和位置来计算光学元件的偏移量，作为装调和修配的参考，因此可简化装调流程，降低装调设备要求，有效提高了系统装调效率；此外本技术方案还可以推广到离轴光学成像系统的设计和装调，具有很强的实用性。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明性的保护范围之内的发明内容。

Claims (10)

1.一种可快速装调的全金属望远物镜，包括有效光学面主镜(1)、次镜(2)、三镜(3)、四镜(4)、第一支架零件(11)与第二支架零件(12)，其特征在于：所述主镜(1)内边缘与所述三镜(3)外边缘轴向位置靠近且无径向重叠，光机设计将所述主镜(1)与所述三镜(3)组合为第一光学元件(5)，所述四镜(4)为第二光学元件(6)，所述次镜(2)为第三光学元件(7)，所述第一光学元件(5)在所述三镜(3)中心孔镶嵌一可拆卸的第一球面(8)，所述第二光学元件(6)背部设计有环形孔径的第二球面(9)，所述第三光学元件(7)背部设计有第三球面(10)，所述第一球面(8)、第二球面(9)与第三球面(10)的共同球心(13)位于光轴上所述第三光学元件(7)后，所述第一支架零件(11)用于安装所述第一光学元件(5)，所述第二支架零件(12)用于连接所述第一光学元件(5)、第二光学元件(6)与第三光学元件(7)。
2.根据权利要求1所述的可快速装调的全金属望远物镜，其特征在于：所述第一光学元件(5)、第二光学元件(6)与第三光学元件(7)同时包含至少一个有效光学面和一个装调辅助球面，以装调辅助球面作为有效光学面的装调基准，通过装调辅助球面镜球心位置的测量和调整，替代有效光学面的测量和调整。
3.根据权利要求2所述的可快速装调的全金属望远物镜，其特征在于：所述第一光学元件(5)、第二光学元件(6)与第三光学元件(7)包含的多个所述装调辅助球面，球心位于同一点，且所述装调辅助球面为反射面，面形为球面或带中心孔的球面。
4.根据权利要求2所述的可快速装调的全金属望远物镜，其特征在于：所述第一光学元件(5)、第二光学元件(6)与第三光学元件(7)包含的多个所述有效光学面为反射面，且面形为球面、二次曲面或高次非球面。
5.根据权利要求2所述的可快速装调的全金属望远物镜，其特征在于：所述第一光学元件(5)、第二光学元件(6)与第三光学元件(7)采用金刚石单点车工艺加工，有效光学面和装调辅助球面镜的加工同轴度和间隔尺寸误差可直接满足光学系统公差要求。
6.根据权利要求1所述的可快速装调的全金属望远物镜，其特征在于：所述第一球面(8)、第二球面(9)与第三球面(10)的曲率半径值R1、R2、R3的大小关系为R1＞R2＞R3。
7.根据权利要求1所述的可快速装调的全金属望远物镜，其特征在于：所述可快速装调的全金属望远物镜采用同轴反射光学系统。
8.根据权利要求1所述的可快速装调的全金属望远物镜，其特征在于：所述可快速装调的全金属望远物镜的所用材料包括但不限于铝合金、镁合金、化学镍、硅、陶瓷玻璃。
9.根据权利要求1所述的可快速装调的全金属望远物镜，其特征在于：所述可快速装调的全金属望远物镜为凹-凸-凹-凸结构，且所述主镜(1)、次镜(2)、三镜(3)、四镜(4)光学面均为非球面，光学系统有效口径200mm，焦距为1400mm，F数为7，全视场角1.3°，光机结构全重1.65kg，结构长度240mm，直径206mm。
10.一种可快速装调的全金属望远物镜装调方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一，将第一支架零件(11)安装至工装装置，第一光学元件(5)与第一支架零件(11)通过螺钉连接安装为一体；
步骤二，将点源显微设备(13)置于光轴，调整设备位置对准第一光学元件(5)的中心第一球面(8)的球心，球心自准直像对焦并调整至设备像面中心，第一球面(8)自准直像位置，锁定设备位置，记录第一球面(8)球心图像和位置数据作为装调基准；
步骤三，将第二支架零件(12)安装至第一光学元件(5)；
步骤四，将第二光学元件(6)安装至第二支架零件(12)，通过点源显微成像设备，获取第二光学元件(6)背部的第二球面(9)球心自准直像，记录第二球面(9)球心的图像和以像元数为单位的位置数据x2、y2，半径尺寸数据r2，计算以mm为单位的第二光学元件(6)的径向偏移量X2，Y2，轴向偏移量Z2；
步骤五，将第三光学元件(7)安装至第二支架零件(12)，通过点源显微成像设备，获取第三光学元件(7)背部的第三球面(10)球心自准直像，记录第二球面(9)球心的图像和位置数据x3、y3，半径尺寸数据r3，计算第三光学元件(9)的径向偏移量X3，Y3，轴向偏移量Z3；
步骤六，拆卸第二光学元件(6)、第三光学元件(7)和支架零件(12)，根据轴向偏移量Z2、Z3，使用金刚石单点车工艺车修第二支架零件(12)安装端面；
步骤七，重新安装第二支架零件(12)和第二光学元件(6)，通过点源显微成像设备确认轴向偏移量Z1减小至满足装配公差要求；
步骤八，调整第二光学元件(6)径向偏移量X2、Y2，使满足装配公差要求，固定第二光学元件(6)；
步骤九，第三光学元件(7)通过点源显微成像设备测量并确认轴向偏移量Z2减小至满足装配公差要求；
步骤十，第三光学元件(7)径向偏移量X3、Y3，使满足装配公差要求，固定第三光学元件(7)；
步骤十一，拆除工装、第一光学元件(5)中心镶嵌件，完成装调。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220137380A1 (en) * 2020-10-30 2022-05-05 Kla Corporation Reflective compact lens for magneto-optic kerr effect metrology system

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