CN111175929A - 可快速装调的金属基离轴三反光学系统及其装调方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可快速装调的金属基离轴三反光学系统；该系统中，主三镜安装框架和次镜定位框架固定在相机主体基座相对的两侧；主镜和A辅助定位圆柱固定在主三镜安装框架上，且主镜背部的A垂直定位平面贴靠主三镜安装框架的定位平面，底部V型定位面卡在A辅助定位圆柱上；三镜安装固定在主三镜安装框架上，其顶部V型定位面卡在A辅助定位圆柱下面；次镜通过安装在次镜定位框架上；主镜、三镜为离轴反射镜，次镜为同轴反射镜，三块反射镜的光轴重合；入射光线依次经过主镜、次镜和三镜反射后汇聚到像面。本发明反射镜的定位无需通过零位补偿器实现，大大简化了离轴三反光学系统的装调复杂度，有效提高了系统装调效率，降低制造成本。

Description

可快速装调的金属基离轴三反光学系统及其装调方法

技术领域

本发明属于离轴三反光学系统技术领域，涉及一种可快速装调的金属基离轴三反光学系统。

背景技术

同轴反射镜的光轴与反射镜的几何中心轴重合，利用这一特点，可以对反射镜进行快速准确的定位。

相比于同轴反射式光学系统，离轴系统没有中心遮拦，同等条件下像质更高，杂散光抑制效果更好。但是，离轴系统不具备同轴系统在结构上的旋转对称性，这使得离轴反射镜的研制难度非常大，特别是在系统装调过程中，由于偏离量的存在，无法实现准确的快速定位，往往需要借助特殊的检具进行基准传递，实现装调定位。

中国专利公报公开了“一种离轴四反镜头的初装定位方法”(申请号：CN201410219039.2)，该离轴四反镜头包括主反射镜、次反射镜、第三反射镜、平面反射镜，其中主反射镜和第三反射镜为离轴非球面反射镜。利用零位补偿器对离轴反射镜光轴方向进行校准，四杆定位为各反射镜空间位置的调整提供基准，多台经纬仪组网实现反射镜组件的初装定位。该方法利用干涉仪和不同的零位补偿器配合，实现不同离轴反射镜之间偏离量的调整，最终将各反射镜的光学轴进行统一，实现准确定位。这种方法的缺点是装调过程复杂，无法实现快速装调，并且需要专门研制零位补偿器检具进行定位，成本较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题提是提供一种可快速装调的金属基离轴三反光学系统，该系统实现了反射镜设计、制造和装调基准的有机统一，能够为后续光学系统的精调快速建立一个初始点，从而保证离轴三反镜头初装达到一定的精度。

为了解决上述技术问题，本发明的可快速装调的金属基离轴三反光学系统包括主镜、次镜、三镜、主三镜安装框架、A辅助定位圆柱、三镜调整垫、次镜定位框架、B辅助定位圆柱、次镜调整垫、相机主体基座；主三镜安装框架和次镜定位框架固定在相机主体基座相对的两侧；主镜和A辅助定位圆柱固定在主三镜安装框架上，且主镜背部的A垂直定位平面贴靠在主三镜安装框架的定位平面上，底部V型定位面卡在A辅助定位圆柱上，底部V型定位面与A垂直定位平面垂直；三镜通过支撑结构及调整垫安装固定在主三镜安装框架上，且其顶部V型定位面卡在A辅助定位圆柱下面；次镜通过支撑结构和调整垫安装在次镜定位框架上；主镜、三镜为离轴反射镜，次镜为同轴反射镜，三块反射镜的光轴重合；入射光线依次经过主镜、次镜和三镜反射后汇聚到像面。

所述的主镜包括主镜主体和3个柔性支撑结构；第一、第二柔性支撑结构一体连接在主镜主体的两个顶角；第三柔性支撑结构一体连接在主镜主体的底部中间位置，且其具有底部V型定位面；第一、第二、第三柔性支撑结构上具有定位安装孔，并分别具有两个反向对称的L型柔性通槽。

所述的三镜包括三镜主体和3个B支撑结构；第一B支撑结构一体连接在三镜主体的顶部中间位置，且其具有顶部V型定位面；第二、第三B支撑结构一体连接在三镜主体的两个底角；第一、第二、第三B支撑结构上具有定位安装孔；三镜主体的背面具有B垂直定位平面，顶部V型定位面与B垂直定位平面垂直。

所述的次镜包括次镜主体和3个C支撑结构；第一C支撑结构一体连接在次镜主体的顶部中间位置；第二、第三C支撑结构一体连接在次镜主体的两个底角；第一、第二、第三C支撑结构上具有定位安装孔；次镜主体的背部具有C垂直定位平面以及圆柱形孔；B辅助定位圆柱固定在次镜定位框架上，且嵌入在圆柱形孔内；C垂直定位平面与圆柱形孔的轴线垂直。

所述的主镜1的加工方法包括下述步骤：

步骤一、采用机械加工方式加工主镜主体，加工过程应保证底部V型定位面与A垂直定位平面的垂直度；

步骤二、采用线切割或电火花的方式在第一、第二、第三柔性支撑结构上分别加工两个反向对称的L型柔性通槽；

步骤三、工装是一个中心带有定位圆柱的平板，工装上具有与第一、第二、第三柔性支撑结构上安装孔相匹配的连接孔；工装安装到单点金刚石车床后，利用单点对工装的定位圆柱和垂直安装平面进行加工；定位圆柱的外径及尺寸公差与A辅助定位圆柱相同；加工后的定位圆柱的轴线与机床主轴重合，同时与工装的垂直安装平面垂直；

步骤四、将主镜主体的底部V型定位面贴靠在定位圆柱上，A垂直定位平面贴靠在工装的垂直安装平面；在第一、第二、第三柔性支撑结构上的定位安装孔处，用螺钉将主镜主体和工装进行连接紧固；完成紧固后，启动金刚石车床，加工主镜主体的反射面。

本发明的可快速装调的金属基离轴三反光学系统的装调方法如下：

一、将主镜背部的A垂直定位平面贴靠在主三镜安装框架的定位平面上，底部V型定位面卡在A辅助定位圆柱上，用螺钉进行紧固连接将主镜安装到主三镜安装框架上；

二、将三镜顶部V型定位面卡在A辅助定位圆柱下面，将三个厚度相同且等于理论厚度的调整垫分别放置于三镜的三个C支撑结构与主三镜安装框架之间，使得三镜主体背面的B垂直定位平面与主三镜安装框架的定位平面平行；用螺钉进行紧固连接，将三镜安装到主三镜安装框架上；

三、将主三镜框架安装在相机主体基座右侧上，并用螺钉进行紧固连接；

四、将B辅助定位圆柱嵌入在次镜背部的圆柱形孔内；将三个厚度相同且等于理论厚度的调整垫放置于次镜三个B支撑结构与次镜安装框架之间，使得次镜主体背部的C垂直定位平面与次镜安装框架的定位平面平行；用螺钉进行紧固连接将次镜安装到次镜安装框架上；

五、将次镜安装框架安装在相机主体基座的左侧，使A辅助定位圆柱与B辅助定位圆柱保持同轴。

本发明充分发挥金属反射镜一体化设计的优势，同时结合金属镜特有的制造工艺，实现了反射镜设计、制造和装调基准的有机统一，给出了金属基离轴三反镜头的设计和初装定位方法，为后续光学系统的精调快速建立一个初始点。

与原有技术相比，本发明的优点在于：反射镜的定位无需通过零位补偿器实现，大大简化了离轴三反光学系统的装调复杂度，有效提高了系统装调效率，降低制造成本。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的可快速装调的金属基离轴三反光学系统结构示意图。

图2为离轴三反光学系统成像原理图。

图3为主镜部分正视图。

图4为主镜部分侧视图。

图5为三镜立体图。

图6为三镜侧视图。

图7为次镜立体图。

图8为次镜后视图。

图9为次镜侧向剖视图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的可快速装调的金属基离轴三反光学系统包括主镜1、次镜2、三镜3、主三镜安装框架4、A辅助定位圆柱41、三镜调整垫42、次镜定位框架5、B辅助定位圆柱51、次镜调整垫52、相机主体基座6；主三镜安装框架4和次镜定位框架5固定在相机主体基座6相对的两侧；主镜1和A辅助定位圆柱41固定在主三镜安装框架4上，且主镜1背部的A垂直定位平面142贴靠在主三镜安装框架4的定位平面上，底部V型定位面131卡在A辅助定位圆柱41上；三镜3通过支撑结构及调整垫安装固定在主三镜安装框架4上，且其顶部V型定位面311卡在A辅助定位圆柱41下面；次镜2通过支撑结构和调整垫安装在次镜定位框架5上。

如图2所示，光学系统由主镜1、次镜2和三镜3组成；其中主镜1、三镜3为离轴反射镜，即反射镜光轴与镜面几何中心存在一定偏离量；次镜2为同轴反射镜，即反射镜的几何中心与光轴重合；三块反射镜的光轴严格重合；入射光线依次经过主镜1、次镜2和三镜3反射后，汇聚到像面，实现成像。

反射镜定位基准介绍：每个反射镜都有两个定位基准，一个平面定位基准，一个中心定位基准，两个基准严格垂直正交；平面定位基准用于实现反射镜两个旋转方向(绕X轴和绕Y轴转动)和一个平移方向(沿Z轴移动)的定位；中心定位基准用于实现反射镜两个平移方向(沿X轴和沿Y轴移动)的定位；通过两个基准的组合，可以实现反射镜5个运动自由度的限定，只剩一个绕光轴Z轴的转动自由度未严格限定；反射镜镜面是围绕光轴旋转对称分布的，绕Z轴的精度要求很宽松，对光学系统成像无影响。

如图3、4所示，主镜1包括主镜主体14和3个支撑结构；3个支撑结构可以采用具有两个反向对称的L型柔性通槽的柔性支撑结构，也可以采用不带L型柔性通槽的刚性支撑结构。3个柔性支撑结构中，第一、第二柔性支撑结构11、12一体连接在主镜主体14的两个顶角；第三柔性支撑结构13一体连接在主镜主体14的底部中间位置，且其具有底部V型定位面131；第一、第二、第三柔性支撑结构11、12、13上具有定位安装孔，并分别具有两个反向对称的L型柔性通槽；主镜主体14的背面具有A垂直定位平面142；底部V型定位面131与A垂直定位平面142垂直。主镜1的平面定位基准为其背部的A垂直定位平面142；中心定位基准为配合A辅助定位圆柱41的底部V型定位面131。

如图5、6所示，所述的三镜3包括三镜主体34和3个B支撑结构；第一B支撑结构31一体连接在三镜主体34的顶部中间位置，且其具有顶部V型定位面311；第二、第三B支撑结构32、32一体连接在三镜主体34的两个底角；第一、第二、第三B支撑结构31、32、33上具有定位安装孔；三镜主体34的背面具有B垂直定位平面341；顶部V型定位面311与B垂直定位平面341垂直。三镜3的平面定位基准为其背部的B垂直定位平面341；中心定位基准为配合A辅助定位圆柱41的顶部V型定位面311。

如图7、8、9所示，所述的次镜2包括次镜主体和3个C支撑结构；第一C支撑结构21一体连接在次镜主体的顶部中间位置；第二、第三C支撑结构22、22一体连接在次镜主体的两个底角；第一、第二、第三C支撑结构21、22、23上具有定位安装孔；次镜主体的背部具有C垂直定位平面24以及圆柱形孔25；B辅助定位圆柱51固定在次镜定位框架5上，且嵌入在圆柱形孔25内。C垂直定位平面24与圆柱形孔25的轴线垂直；次镜2的平面定位基准为C垂直定位平面24；中心定位基准为次镜主体背部内圆柱面，配合一个B辅助定位圆柱51。

本发明的关键点在于反射镜设计、加工和装调基准的统一；设计阶段利用平面定位基准和中心定位基准的组合限定反射镜关键的5个自由度；加工阶段发挥金属反射镜的制造优势，采用单点金刚石车削工艺加工光学反射面，加工前利用两个定位基准对反射镜进行定位，实现光轴与反射镜定位基准的高精度关联；装调阶段通过预先控制各反射镜间定位基准的相互关系，实现反射镜之间相对位置的高精度配准，进而保证最终的成像质量。

以主镜1为例，其加工方法包括下述步骤：

步骤一、采用机械加工方式加工主镜主体，加工过程应保证底部V型定位面131与A垂直定位平面142的垂直度。

步骤二、采用线切割或电火花的方式在第一、第二、第三柔性支撑结构11、12、13上分别加工两个反向对称的L型柔性通槽，线切割/电火花作为一种特种的放电加工工艺，可以有效减小L型柔性通槽加工过程中引入的加工变形和加工应力。

步骤三、主镜1单点加工前的工装准备：工装7是一个中心带有定位圆柱71的平板，工装7上具有与第一、第二、第三柔性支撑结构11、12、13上安装孔相匹配的连接孔；工装7安装到单点金刚石车床后，利用单点对定位圆柱71和垂直安装平面进行加工，获得高精度的形状精度；定位圆柱71的外径及尺寸公差与A辅助定位圆柱41相同，加工过程要满足给定数值；加工后的定位圆柱71的轴线与机床主轴高度重合，同时与工装7的垂直安装平面严格垂直。

步骤四、主镜1单点加工：将主镜主体14的底部V型定位面131贴靠在定位圆柱71上，A垂直定位平面142贴靠在工装7的垂直安装平面；工装7的定位圆柱71和垂直安装平面分别和主镜主体14的底部V型定位面131和A垂直定位平面142配合，实现对主镜主体14的准确定位；在第一、第二、第三柔性支撑结构上的定位安装孔处，用螺钉将主镜主体14和工装7进行连接紧固；完成紧固后，启动金刚石车床，加工主镜主体14的反射面141；利用单点金刚石车床高精度的运动轴系和检测系统，可以准确控制并获得镜面顶点到垂直定位平面沿光轴方向的距离。

本发明的可快速装调的金属基离轴三反光学系统的装调方法如下：

一、将主镜1背部的A垂直定位平面142贴靠在主三镜安装框架4的定位平面上，底部V型定位面131卡在A辅助定位圆柱41上，用螺钉进行紧固连接将主镜1安装到主三镜安装框架4上；

二、将三镜3顶部V型定位面311卡在A辅助定位圆柱41下面；根据光学设计数据和主镜1、三镜3单点车削过程中的中心厚度数据，计算出三镜3的三个调整垫42的理论厚度，将三个厚度相同且等于理论厚度的调整垫42分别放置于三镜3的三个C支撑结构与主三镜安装框架4之间，使得三镜主体34背面的B垂直定位平面341与主三镜安装框架4的定位平面平行；利用三镜背面的C垂直定位平面341、顶部V型定位面311和A辅助定位圆柱41实现三镜3的定位，用螺钉进行紧固连接，将三镜3安装到主三镜安装框架4上。

三、将主三镜框架4安装在相机主体基座6右侧上，并用螺钉进行紧固连接；

四、将次镜2安装到次镜安装框架5上，根据光学设计数据和主镜1、次镜2单点车削过程中的中心厚度数据，计算出次镜三个调整垫52的理论厚度，将三个厚度相同且等于理论厚度的调整垫52放置于次镜2三个B支撑结构与次镜安装框架5之间，利用次镜背部的定位平面24、内圆柱面、次镜安装框架5的定位平面和B辅助定位圆柱51配合实现对次镜2的安装定位，并用螺钉进行紧固连接；

五、将次镜安装框架5安装在相机主体基座6的左侧，相机主体基座6上与主三镜框架4和次镜安装框架5的连接面应当具有一定的精度，保证两个框架安装面的定位平面相互平行，同时A辅助定位圆柱41与B辅助定位圆柱51保持同轴。

Claims (6)

1.一种可快速装调的金属基离轴三反光学系统，其特征在于包括主镜(1)、次镜(2)、三镜(3)、主三镜安装框架(4)、A辅助定位圆柱(41)、三镜调整垫(42)、次镜定位框架(5)、B辅助定位圆柱(51)、次镜调整垫(52)、相机主体基座(6)；主三镜安装框架(4)和次镜定位框架(5)固定在相机主体基座(6)相对的两侧；主镜(1)和A辅助定位圆柱(41)固定在主三镜安装框架(4)上，且主镜(1)背部的A垂直定位平面(142)贴靠在主三镜安装框架(4)的定位平面上，底部V型定位面(131)卡在A辅助定位圆柱(41)上，底部V型定位面(131)与A垂直定位平面(142)垂直；三镜(3)通过支撑结构及调整垫安装固定在主三镜安装框架(4)上，且其顶部V型定位面(311)卡在A辅助定位圆柱(41)下面；次镜(2)通过支撑结构和调整垫安装在次镜定位框架(5)上；主镜(1)、三镜(3)为离轴反射镜，次镜(2)为同轴反射镜，三块反射镜的光轴重合；入射光线依次经过主镜(1)、次镜(2)和三镜(3)反射后汇聚到像面。

2.根据权利要求1所述的可快速装调的金属基离轴三反光学系统，其特征在于所述的主镜(1)包括主镜主体(14)和3个柔性支撑结构；第一、第二柔性支撑结构(11)、(12)一体连接在主镜主体(14)的两个顶角；第三柔性支撑结构(13)一体连接在主镜主体(14)的底部中间位置，且其具有底部V型定位面(131)；第一、第二、第三柔性支撑结构(11)、(12)、(13)上具有定位安装孔，并分别具有两个反向对称的L型柔性通槽。

3.根据权利要求1所述的可快速装调的金属基离轴三反光学系统，其特征在于所述的三镜(3)包括三镜主体(34)和3个B支撑结构；第一B支撑结构(31)一体连接在三镜主体(34)的顶部中间位置，且其具有顶部V型定位面(311)；第二、第三B支撑结构(32)、(32)一体连接在三镜主体(34)的两个底角；第一、第二、第三B支撑结构(31)、(32)、(33)上具有定位安装孔；三镜主体(34)的背面具有B垂直定位平面(341)，顶部V型定位面(311)与B垂直定位平面(341)垂直。

4.根据权利要求1所述的可快速装调的金属基离轴三反光学系统，其特征在于所述的次镜(2)包括次镜主体和3个C支撑结构；第一C支撑结构(21)一体连接在次镜主体的顶部中间位置；第二、第三C支撑结构(22)、(22)一体连接在次镜主体的两个底角；第一、第二、第三C支撑结构(21)、(22)、(23)上具有定位安装孔；次镜主体的背部具有C垂直定位平面(24)以及圆柱形孔(25)；B辅助定位圆柱(51)固定在次镜定位框架(5)上，且嵌入在圆柱形孔(25)内；C垂直定位平面(24)与圆柱形孔(25)的轴线垂直。

5.根据权利要求2所述的可快速装调的金属基离轴三反光学系统，其特征在于所述的主镜(1)的加工方法包括下述步骤：

步骤一、采用机械加工方式加工主镜主体，加工过程应保证底部V型定位面(131)与A垂直定位平面(142)的垂直度；

步骤二、采用线切割或电火花的方式在第一、第二、第三柔性支撑结构(11)、(12)、(13)上分别加工两个反向对称的L型柔性通槽；

步骤三、工装(7)是一个中心带有定位圆柱(71)的平板，工装(7)上具有与第一、第二、第三柔性支撑结构(11)、(12)、(13)上安装孔相匹配的连接孔；工装(7)安装到单点金刚石车床后，利用单点对工装(7)的定位圆柱(71)和垂直安装平面进行加工；定位圆柱(71)的外径及尺寸公差与A辅助定位圆柱(41)相同；加工后的定位圆柱(71)的轴线与机床主轴重合，同时与工装(7)的垂直安装平面垂直；

步骤四、将主镜主体(14)的底部V型定位面(131)贴靠在定位圆柱(71)上，A垂直定位平面(142)贴靠在工装(7)的垂直安装平面；在第一、第二、第三柔性支撑结构上的定位安装孔处，用螺钉将主镜主体(14)和工装(7)进行连接紧固；完成紧固后，启动金刚石车床，加工主镜主体(14)的反射面(141)。

6.一种如权利要求1所述的可快速装调的金属基离轴三反光学系统的装调方法，包括下述步骤：

一、将主镜(1)背部的A垂直定位平面(142)贴靠在主三镜安装框架(4)的定位平面上，底部V型定位面(131)卡在A辅助定位圆柱(41)上，用螺钉进行紧固连接将主镜(1)安装到主三镜安装框架(4)上；

二、将三镜(3)顶部V型定位面(311)卡在A辅助定位圆柱(41)下面，将三个厚度相同且等于理论厚度的调整垫(42)分别放置于三镜(3)的三个C支撑结构与主三镜安装框架(4)之间，使得三镜主体(34)背面的B垂直定位平面(341)与主三镜安装框架(4)的定位平面平行；用螺钉进行紧固连接，将三镜(3)安装到主三镜安装框架(4)上；

三、将主三镜框架(4)安装在相机主体基座(6)右侧上，并用螺钉进行紧固连接；

四、将B辅助定位圆柱(51)嵌入在次镜(2)背部的圆柱形孔(25)内；将三个厚度相同且等于理论厚度的调整垫(52)放置于次镜(2)三个B支撑结构与次镜安装框架(5)之间，使得次镜主体背部的C垂直定位平面(24)与次镜安装框架(5)的定位平面平行；用螺钉进行紧固连接将次镜(2)安装到次镜安装框架(5)上；

五、将次镜安装框架(5)安装在相机主体基座(6)的左侧，使A辅助定位圆柱(41)与B辅助定位圆柱(51)保持同轴。

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