CN111830724A - 一种用于Fery棱镜组件精密装调与检测的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学精密装调与检测领域，提供了一种用于Fery棱镜组件精密装调与检测的方法和系统。能够实现Fery曲面棱镜及组件的有效装调与检测，根据Fery棱镜的结构特殊性提出由三坐标测量机、PSM装调显微镜组成的系统。融合三坐标空间测量原理、PSM点源自准直原理和三维数学建模技术，通过三坐标测量机对各曲面棱镜组件进行精密测量获得点、线、圆柱等元素的坐标参数，并经PSM装调显微镜结合高精密旋转云台精密确定各曲面棱镜球心位置及偏角，计算机软件数据处理复现出Fery棱镜组件实际的装配效果，给出与理论模型之间的各方向偏移量，指导Fery棱镜组件的在线精密装调，通过组件方位旋转、修切垫修研完成Fery棱镜组件的精密装配和检测工作。
Description
技术领域
本发明属于光学精密装调与检测领域，具体涉及一种用于Fery棱镜组件精密装调与检测的系统和方法。
背景技术
Fery棱镜是由Fery.C.H基于罗兰圆的原理提出的一种曲面棱镜，该棱镜的两个工作表面均为球面，且两个球面具有较大的面倾角。当Fery棱镜应用在光谱成像系统中作为分光元件时，与系统结合结构紧凑具有一定像差校正的作用，与传统平面棱镜相比具有色散非线性小等优点，可大大提高系统成像质量和整体性能。
Fery棱镜属于非同心曲面棱镜，由于其结构的特殊性，加工工艺难度非常大，检测手段有限，关键参数难以精密控制，装调工艺技术复杂，导致其在高分辨光学系统中的应用受到限制，装调精度的高低将直接影响成像光谱仪的光谱质量，现有技术中还是缺乏对Fery曲面棱镜及组件进行精密装调与检测的有效手段。
发明内容
本发明提供一种用于Fery棱镜组件精密装调与检测的方法和系统，能够实现Fery曲面棱镜及组件的有效装调与检测，测量精度高，可操作性强，适用于不同曲率、不同大小尺寸Fery棱镜组件的精密装调与检测工作，为光谱成像仪中Fery棱镜组件精密装配提供一种新的装调检测手段。
本发明的技术解决方案如下：
一种Fery棱镜组件精密装调与检测的方法，所述Fery棱镜组件包括固定工装，曲面棱镜组件一，连接筒，修切垫与曲面棱镜组件二；其中曲面棱镜组件一包括曲面棱镜一及固定曲面棱镜一的曲面棱镜一镜框，曲面棱镜组件二包括曲面棱镜二及固定曲面棱镜二的曲面棱镜二镜框；
其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、通过三坐标测量机配有的标准球对所使用的探针和PSM装调显微镜的初始坐标位置进行标定；
步骤2、将定心加工后的曲面棱镜组件一通过固定工装固定在三坐标测量机的台面上；具体固定工装与曲面棱镜一镜框的法兰面固定；
步骤3、利用三坐标测量机对曲面棱镜组件一的外形尺寸进行精密测量：
步骤3.1、测量曲面棱镜一镜框的圆柱面E与法兰面J，形成基准光轴A，并可据此测量出曲面棱镜一上表面顶点a的坐标；
步骤3.2、测量曲面棱镜一上端面H与基准光轴A在空间的交点b的坐标；
步骤4、利用PSM装调显微镜对曲面棱镜一的上表面球心像进行确认；
步骤5、将连接筒安装在曲面棱镜一镜框上，并利用三坐标测量机进行多次测量，根据测量结果调整连接筒，保证装配指标满足设计要求；
步骤5.1、测量连接筒外圆柱面Q的坐标，调整连接筒，使连接筒外圆柱面Q与基准光轴A同轴；
步骤5.2、测量连接筒上端面K的坐标，调整连接筒，研磨连接筒上端面，使连接筒上端面K与曲面棱镜一镜框法兰面J在YOZ面形成夹角θ，在XOZ面、XOY面的夹角为零；定义法兰面J所在平面为XOY面；
步骤6、将修切垫、曲面棱镜组件二依次安装在连接筒上，利用三坐标测量机进行多次测量，多次修研修切垫和曲面棱镜组件二的位置，保证装配指标满足设计要求；
步骤6.1、测量曲面棱镜二镜框外圆柱面F形成基准轴B，并可据此测量出曲面棱镜二上表面顶点c的坐标，调整修切垫，使得顶点c与曲面棱镜一上表面顶点a在YOZ面内的Z向距离为h；
步骤6.2、测量曲面棱镜二的上端面G，后测量上端面G与基准轴B在空间的交点d的坐标，调整修切垫，使得交点d与曲面棱镜一上的交点b在YOZ面内的Y向距离为l，并使得曲面棱镜二的上端面G与曲面棱镜一上端面H在YOZ面形成夹角
且在XOZ面、XOY面的夹角为零；
步骤7、利用PSM装调显微镜对曲面棱镜二的上表面球心像进行确认；
步骤8、根据以上步骤所获得的坐标参数，及曲面棱镜二的上表面球心像与曲面棱镜一的上表面球心像的位置，在三坐标测量机专用软件系统中进行建模计算分析Fery棱镜组件装配和检测指标是否满足设计要求；若是，则装调结束；否则，重复步骤5至步骤7，直至满足设计要求。
本发明还提供一种用于Fery棱镜组件精密装调与检测的系统，所述Fery棱镜组件包括固定工装，曲面棱镜组件一，连接筒，修切垫与曲面棱镜组件二；其中曲面棱镜组件一包括曲面棱镜一及固定曲面棱镜一的曲面棱镜一镜框，曲面棱镜组件二包括曲面棱镜二及固定曲面棱镜二的曲面棱镜二镜框；所述固定工装安装于曲面棱镜一镜框的底部，曲面棱镜一镜框与曲面棱镜二镜框通过连接筒连接，修切垫位于连接筒与曲面棱镜二镜框之间；
其特殊之处在于：
包括三坐标测量机、旋转云台和PSM装调显微镜；
所述三坐标测量机配备有大理石台面、标准球，三坐标测量头；所述Fery棱镜装调组件通过固定工装连接在三坐标测量机大理石台面上，并以此为基准进行精密装调与检测。
所述旋转云台固定在三坐标测量头上，所述PSM装调显微镜固定在旋转云台上，可随旋转云台任意角度旋转。PSM装调显微镜是一款基于点源自准直原理的高精度光学装调定位装置，主要应用于复杂光学系统的装调，可以有效帮助确定光学元件各个表面的球心位置。
进一步地，所述三坐标测量头包括探针连接块、探针及两个加长杆；两个加长杆相互垂直，均与探针连接块相连；其中一个加长杆的端部固定所述探针，另一加长杆的端部固定所述旋转云台。
本发明的有益效果是：
本发明根据Fery棱镜的结构特殊性提出由三坐标测量机、PSM装调显微镜、Fery棱镜装调组件和计算机处理系统组成的精密装调与检测系统和方法。融合三坐标空间测量原理、PSM点源自准直原理和三维数学建模技术，通过三坐标测量机对各曲面棱镜组件进行精密测量获得点、线、圆柱等元素的坐标参数，并经PSM装调显微镜结合高精密旋转云台精密确定各曲面棱镜球心位置及偏角，计算机软件数据处理复现出Fery棱镜组件实际的装配效果，给出与理论模型之间的各方向偏移量，指导Fery棱镜组件的在线精密装调，通过组件方位旋转、修切垫修研完成Fery棱镜组件的精密装配和检测工作。本发明测量精度高，可操作性强，适用于不同曲率、不同大小尺寸Fery棱镜组件的精密装调与检测工作，为光谱成像仪中Fery棱镜组件精密装配提供一种新的装调检测手段。
附图说明
图1是Fery棱镜组件装配结构示意图。
图2是用于Fery棱镜组件精密装调与检测的系统结构示意图。
图3是PSM装调显微镜安装结构示意图。
图4是用于Fery棱镜组件精密装调与检测的方法示意图。其中a为曲面棱镜组件一的装调检测示意图；b为曲面棱镜组件二的装调检测示意图。
图中：1-三坐标测量机，1-1-大理石台面，1-2-标准球，1-3-三坐标测量头，1-31-探针连接块，1-32-加长杆，1-33-探针，2-Fery棱镜组件，2-1-固定工装，2-2-曲面棱镜组件一，2-21-曲面棱镜一，2-22-曲面棱镜一镜框，2-3-连接筒，2-4-修切垫，2-5-曲面棱镜组件二，2-51-曲面棱镜二，2-52-曲面棱镜二镜框，3-PSM装调显微镜，3-1-旋转云台。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参见图1～图4，本发明用于Fery棱镜组件精密装调与检测的系统，主要由三坐标测量机1、PSM装调显微镜3和三坐标测量机1自带的计算机处理系统组成。
Fery棱镜装调组件2如图1所示，包括固定工装2-1，曲面棱镜组件一2-2，连接筒2-3，修切垫2-4与曲面棱镜组件二2-5；其中曲面棱镜组件一2-2包括曲面棱镜一2-21及固定曲面棱镜一2-21的曲面棱镜一镜框2-22；曲面棱镜组件二2-5包括曲面棱镜二2-51及固定曲面棱镜二2-51的曲面棱镜二镜框2-52；固定工装2-1安装于曲面棱镜一镜框2-22的底部，曲面棱镜一镜框2-22与曲面棱镜二镜框2-52通过连接筒2-3连接，修切垫2-4位于连接筒2-3与曲面棱镜二镜框2-52之间。
如图2及图3所示，三坐标测量机配备有大理石台面1-1、标准球1-2，三坐标测量头1-3，探针连接块1-31，加长杆1-32和探针1-33。PSM装调显微镜3固定在高精密旋转云台3-1上，并通过加长杆1-32与三坐标测量头1-3连接；PSM装调显微镜3可随高精密旋转云台3-1任意角度旋转；Fery棱镜装调组件2通过固定工装2-1连接在三坐标测量机大理石台面1-1上，并以此为基准进行Fery棱镜组件的精密装调与检测。
本发明通过下述过程实现Fery棱镜组件精密装调与检测：
1、通过三坐标测量机1配有的标准球1-2对所使用的探针1-33和PSM装调显微镜3的初始坐标位置进行标定。
2、将定心加工后的曲面棱镜组件一2-2通过固定工装2-1固定在三坐标测量机大理石台面1-1上；
3、利用三坐标测量机1对曲面棱镜组件一2-2的外形尺寸进行精密测量；
3.1、测量曲面棱镜一镜框2-22的圆柱面E和法兰面J，形成基准光轴A，并可据此测量出曲面棱镜一2-21上表面顶点a的坐标；具体以圆柱面E和法兰面J建立测量坐标系，坐标原点位于基准光轴A上，将三坐标测量机探针移动至坐标(0，0，Z)位置，探针接触到曲面棱镜一2-21上表面为止采点，即可获得顶点a的实际坐标位置。
3.2、测量曲面棱镜一2-21的上端面H与基准光轴A在空间的交点b的坐标。
4、利用PSM装调显微镜3对曲面棱镜一2-21的上表面球心像进行确认；
5、将连接筒2-3安装在曲面棱镜组件一2-2上，并利用三坐标测量机1进行多次测量和位置微位移调整，保证装配指标满足设计要求：
5.1、测量连接筒2-3的外圆柱面Q，该圆柱面Q与基准光轴A有同轴度要求，调整连接筒2-3，使其与基准光轴A同轴；
5.2、测量连接筒2-3的上端面K，调整连接筒2-3，研磨连接筒2-3上端面，使其与曲面棱镜组件一2-2的法兰面J在YOZ面形成夹角θ，在XOZ面、XOY面的夹角为零；K面相对于台面倾斜，且K面的外径小于法兰面J的内径；在XOY平面内，二者投影均为同心且不重合的两个环面；在ZOX面内，其中法兰面的投影为直线，K面的投影为椭圆面，且线面不重合；在YOZ平面内，二者的投影为两条相交的直线。
5.3、经过多次测量和调整连接筒2-3，保证上述5.1、5.2指标满足设计要求。
6、将修切垫2-4、曲面棱镜组件二2-5依次安装在连接筒2-3上，利用三坐标测量机1进行多次测量，多次修研修切垫2-4和旋转曲面棱镜组件二2-5位置，保证装配指标满足设计要求：
6.1、测量曲面棱镜组件二2-5中曲面棱镜二镜框2-52的外圆柱面F，形成基准轴B，并可据此测量出上表面顶点c的坐标，调整修切垫2-4，旋转曲面棱镜组件二2-5，使得顶点c与曲面棱镜一2-21的上表面顶点a在YOZ面内的Z向距离为h；
6.2、测量曲面棱镜二2-51的曲面棱镜二2-51上端面G，后测量上端面G与基准轴B在空间的交点d的坐标，调整修切垫2-4，旋转曲面棱镜组件二2-5，使得交点d与曲面棱镜一2-21上的交点b在YOZ面内的Y向距离为l，并使得曲面棱镜二2-51的上端面G与曲面棱镜一上端面H在YOZ面形成夹角
且在XOZ面、XOY面的夹角为零；
6.3、经过多次测量和修研调整修切垫2-4，保证上述6.1、6.2指标满足设计要求。
7、通过高精密旋转云台3-1旋转，带动PSM装调显微镜3对曲面棱镜二2-51的上表面球心像进行确认；
8、根据以上步骤所获得的坐标参数，及曲面棱镜二2-51的上表面球心像与曲面棱镜一2-21的上表面球心像的位置，在三坐标测量机专用软件系统中进行建模计算分析Fery棱镜组件装配和检测指标是否满足设计要求；若是，则装调结束；否则，重复步骤5至步骤7，直至满足设计要求。此处设计要求指的是光学系统对Fery棱镜组件的设计指标要求。不同的棱镜组件有不同的设计指标要求。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (3)
1.一种Fery棱镜组件精密装调与检测的方法，所述Fery棱镜组件包括固定工装(2-1)，曲面棱镜组件一(2-2)，连接筒(2-3)，修切垫(2-4)与曲面棱镜组件二(2-5)；其中曲面棱镜组件一(2-2)包括曲面棱镜一(2-21)及固定曲面棱镜一(2-21)的曲面棱镜一镜框(2-22)；曲面棱镜组件二(2-5)包括曲面棱镜二(2-51)及固定曲面棱镜二(2-51)的曲面棱镜二镜框(2-52)；
其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、通过三坐标测量机配有的标准球对所使用的探针和PSM装调显微镜的初始坐标位置进行标定；
步骤2、将定心加工后的曲面棱镜组件一(2-2)通过固定工装(2-1)固定在三坐标测量机的台面上；
步骤3、利用三坐标测量机对曲面棱镜组件一(2-2)的外形尺寸进行测量：
步骤3.1、测量曲面棱镜一镜框(2-22)的圆柱面E与法兰面J，形成基准光轴A，并可据此测量出曲面棱镜一(2-21)上表面顶点a的坐标；
步骤3.2、测量曲面棱镜一(2-21)上端面H与基准光轴A在空间的交点b的坐标；
步骤4、利用PSM装调显微镜获取曲面棱镜一(2-21)的上表面球心像；
步骤5、将连接筒(2-3)安装在曲面棱镜一镜框(2-22)上，并利用三坐标测量机进行多次测量，根据测量结果调整连接筒(2-3)，保证装配指标满足设计要求；
步骤5.1、测量连接筒(2-3)外圆柱面Q的坐标，调整连接筒(2-3)，使连接筒(2-3)外圆柱面Q与基准光轴A同轴；
步骤5.2、测量连接筒(2-3)上端面K的坐标，调整连接筒(2-3)，研磨连接筒(2-3)上端面，使连接筒(2-3)上端面K与曲面棱镜一镜框(2-22)法兰面J在YOZ面形成夹角θ，在XOZ面、XOY面的夹角为零；定义法兰面J所在平面为XOY面；
步骤6、将修切垫(2-4)、曲面棱镜组件二(2-5)依次安装在连接筒(2-3)上，利用三坐标测量机进行多次测量，多次修研修切垫(2-4)和旋转曲面棱镜组件二(2-5)的位置，保证装配指标满足设计要求；
步骤6.1、测量曲面棱镜二镜框(2-52)外圆柱面F形成基准轴B，并可据此测量出曲面棱镜二(2-51)上表面顶点c的坐标，调整修切垫(2-4)，旋转曲面棱镜组件二(2-5)，使得顶点c与曲面棱镜一(2-21)上表面顶点a在YOZ面内的Z向距离为h；
步骤6.2、测量曲面棱镜二(2-51)的上端面G，后测量上端面G与基准轴B在空间的交点d的坐标，调整修切垫(2-4)，旋转曲面棱镜组件二(2-5)，使得交点d与曲面棱镜一(2-21)上的交点b在YOZ面内的Y向距离为l，并使得曲面棱镜二(2-51)的上端面G与曲面棱镜一上端面H在YOZ面形成夹角
且在XOZ面、XOY面的夹角为零；
步骤7、利用PSM装调显微镜获取曲面棱镜二(2-51)的上表面球心像；
步骤8、根据以上步骤所获得的坐标参数，及曲面棱镜二(2-51)的上表面球心像与曲面棱镜一(2-21)的上表面球心像的位置，在三坐标测量机专用软件系统中进行建模计算分析Fery棱镜组件装配和检测指标是否满足设计要求；若是，则装调结束；否则，重复步骤5至步骤7，直至满足设计要求。
2.一种用于Fery棱镜组件精密装调与检测的系统，所述Fery棱镜组件包括固定工装(2-1)，曲面棱镜组件一(2-2)，连接筒(2-3)，修切垫(2-4)与曲面棱镜组件二(2-5)；其中曲面棱镜组件一(2-2)包括曲面棱镜一(2-21)及固定曲面棱镜一(2-21)的曲面棱镜一镜框(2-22)，曲面棱镜组件二(2-5)包括曲面棱镜二(2-51)及固定曲面棱镜二(2-51)的曲面棱镜二镜框(2-52)；所述固定工装(2-1)安装于曲面棱镜一镜框(2-22)的底部，曲面棱镜一镜框(2-22)与曲面棱镜二镜框(2-52)通过连接筒(2-3)连接，修切垫(2-4)位于连接筒(2-3)与曲面棱镜二镜框(2-52)之间；
其特征在于：
包括三坐标测量机(1)、旋转云台(3-1)和PSM装调显微镜(3)；
所述三坐标测量机(1)包括台面(1-1)与三坐标测量头(1-3)；所述台面(1-1)用于固定固定工装(2-1)，Fery棱镜组件通过固定工装(2-1)固定在三坐标测量机台面(1-1)上；
所述旋转云台(3-1)固定在三坐标测量头(1-3)上，所述PSM装调显微镜(3)固定在旋转云台(3-1)上。
3.根据权利要求2所述的用于Fery棱镜组件精密装调与检测的系统，其特征在于：所述三坐标测量头(1-3)包括探针连接块(1-31)、探针(1-33)及两个加长杆(1-32)；两个加长杆(1-32)相互垂直，均与探针连接块(1-31)相连；其中一个加长杆(1-32)的端部固定所述探针(1-33)，另一加长杆(1-32)的端部固定所述旋转云台(3-1)。
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