CN114035310A - 一种利用自由曲面代替rc光学系统双曲面次镜 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用自由曲面代替RC光学系统双曲面次镜，包括大口径双曲面主镜、双曲面次镜、补偿镜、像面和自由曲面次镜，所述技术的具体实施步骤如下，测量出RC系统中大口径双曲面主镜在加工时产生的面型误差与波前畸变，利用光学设计软件模拟出大口径双曲面主镜的加工误差，具体涉及光学系统成像技术领域。该利用自由曲面进行波前调控补偿RC光学系统大口径主镜误差的技术，由于大口径光学系统主镜较大，在加工产生误差后，不管是重新返厂加工还是重新制作都是耗时、高成本的办法，在光学系统中引入小型自由曲面或者利用自由曲面代替双曲面次镜来补偿主镜误差，耗时短，成本低。
Description
技术领域
本发明属于光学系统成像技术领域，涉及光学元件加工，具体涉及一种利用自由曲面代替RC光学系统双曲面次镜。
背景技术
随着科技技术的不断发展与进步，人们对光学系统的要求也越来越高，光学系统也逐渐向大口径、大视场和高分辨率发展，同时为满足天基对地监测、防灾减灾、环境监测和军事技术情报侦察等要求，大口径的光学系统也是各国争相发展的重中之重，在增加主镜口径的同时，同样也要考虑到主镜的重量，不管是搬运，组装还是加工，过重的主镜都将成为一个较为困难的问题，所以轻量化主镜的研究同样重要。大口径轻量化主镜的加工需要极高的加工精度，否则在主镜加工过程中极易产生误差，造成系统波前畸变。主镜在加工或运输过程中，一旦大口径主镜面型产生变形，重新加工的成本太高，大口径光学系统一直面临这个问题。目前，对于大口径光学系统，在主镜加工时，一种办法就是公差分配，合理的公差分配，可以使主镜加工精度适当降低，将后镜组的加工精度提高，但是降低主镜加工精度对后镜组加工精度要求太高，难度过大。若主镜加工产生了误差，对整个光学系统影响就比较大，需要重新制造主镜，这样不仅耗时较长，还会产生较高的成本。
光学自由曲面面形结构复杂，自由度高，没有明确表达式定义，一般认为自由曲面不具备全局的旋转对称性、无统一的光轴、整个表面存在多个曲率半径的光学表面通常被称为光学自由曲面。由于自由曲面光学元件具有非旋转对称性，优化自由度较为丰富，对离轴光学系统以及非对称光学系统可以实现灵活的空间布局，提高光学系统紧凑度，可以很好地对轴外视场像差进行平衡，尤其是非对称像差的平衡能力，从而对增大光学系统视场起到至关重要的作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用自由曲面代替RC光学系统双曲面次镜，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：一种利用自由曲面代替RC光学系统双曲面次镜，包括大口径双曲面主镜、双曲面次镜、补偿镜、像面和自由曲面次镜，所述技术的具体实施步骤如下：
A)测量出RC系统中大口径双曲面主镜在加工时产生的面型误差与波前畸变，
B)利用光学设计软件模拟出大口径双曲面主镜的加工误差，其特征在于利用Zernike多项式来表征大口径双曲面主镜加工产生的误差，
C)在光学系统中引入小型的自由曲面或用自由曲面代替光学系统中小型的球面或非球面，其特征在于同样利用Zernike多项式表征自由曲面，通过优化各项权重来补偿大口径双曲面主镜加工误差造成的波前畸变，
D)将设计好的小型自由曲面加工出来，利用自由曲面次镜替代RC光学系统中双曲面次镜。
优选的，还包括容置大口径双曲面主镜、双曲面次镜、补偿镜、像面或自由曲面次镜的防护组件、设置于防护组件下方的移动组件和连接组件，所述移动组件包括底板、设置于底板下方的万向轮、通过轴承与底板转动连接的丝杠和套设于丝杠外圆周壁的丝杠筒，所述丝杠筒与防护组件连接，所述连接组件包括焊接于底板侧壁的连接铰链，两个所述连接铰链钩连为一连接扣，所述连接扣通过连接销紧固。
优选的，所述大口径双曲面主镜、双曲面次镜、补偿镜、像面和自由曲面次镜统称为镜片，所述防护组件包括容置镜片的防护箱、设置于防护箱顶壁的防护座和设置于防护座顶壁的防护圈，所述防护圈套设于镜片的外缘，所述防护圈通过紧固杆调节大小。
优选的，还包括扣合组件，所述防护箱的侧壁铰接有门体，所述扣合组件通过铰链铰接于门体表壁的第一扣杆、焊接于防护箱表壁的扣座和设置于第一扣杆端壁的扣块，所述扣块与扣座相适配。
优选的，还包括压紧组件，所述压紧组件包括设置于防护圈内壁的压紧座和设置于压紧座背壁的压紧杆，所述压紧杆远离压紧座的一端通过螺纹与防护圈转动连接。
优选的，所述扣块的顶壁铰接有第二扣杆，所述扣座的内部开设有扣槽，所述第二扣杆与扣槽相适配。
优选的，所述底板远离连接组件的一端焊接有把手。
优选的，所述防护座的顶壁设置有容置镜片的定位架。
优选的，所述压紧座远离压紧杆的表壁安装有软垫。
优选的，所述门体的侧壁设置有镜盖。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)、该利用自由曲面进行波前调控补偿RC光学系统大口径主镜误差的技术，由于大口径光学系统主镜较大，在加工产生误差后，不管是重新返厂加工还是重新制作都是耗时、高成本的办法，在光学系统中引入小型自由曲面或者利用自由曲面代替双曲面次镜来补偿主镜误差，耗时短，成本低。
(2)、该利用自由曲面进行波前调控补偿RC光学系统大口径主镜误差的技术，利用自由曲面次镜代替双曲面次镜，对整个光学系统外观几乎没有影响，仍为最初设计的结构。
(3)、该利用自由曲面进行波前调控补偿RC光学系统大口径主镜误差的技术，自由曲面次镜所拥有的较高的自由度，能够很好的补偿主镜加工误差，该技术对大口径主镜加工精度有较大影响，可以降低未来主镜的加工精度，对光学加工有较大影响，有效提升行业发展。
附图说明
图1为本发明未引入自由曲面次镜的RC光学系统；
图2为本发明利用自由曲面次镜代替双曲面次镜后的RC光学系统；
图3为本发明承载设备连接的结构示意图；
图4为本发明承载设备的结构示意图；
图5为本发明防护箱及门体的结构示意图；
图6为本发明防护箱内部设备的结构示意图；
图7为本发明防护圈的结构示意图；
图8为本发明连接组件的结构示意图；
图9为本发明扣合组件的结构示意图；
图中：1、大口径双曲面主镜；2、双曲面次镜；3、补偿镜；4、像面；5、扣合组件；51、第一扣杆；52、扣块；53、扣座；54、扣槽；55、第二扣杆；6、移动组件；61、底板；62、丝杠；63、丝杠筒；64、万向轮；65、把手；7、防护组件；71、防护箱；72、门体；73、镜盖；74、防护座；75、压紧组件；751、压紧座；752、软垫；753、压紧杆；76、防护圈；77、定位架；78、紧固杆；8、连接组件；81、连接铰链；82、连接扣；83、连接销；9、自由曲面次镜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-图9所示，本发明提供如下技术方案：一种利用自由曲面代替RC光学系统双曲面次镜，包括大口径双曲面主镜1、双曲面次镜2、补偿镜3、像面4和自由曲面次镜9，技术的具体实施步骤如下，测量出RC系统中大口径双曲面主镜1在加工时产生的面型误差与波前畸变，利用光学设计软件模拟出大口径双曲面主镜1的加工误差，其特征在于利用Zernike多项式来表征大口径双曲面主镜1加工产生的误差，在光学系统中引入小型的自由曲面或用自由曲面代替光学系统中小型的球面或非球面，其特征在于同样利用Zernike多项式表征自由曲面，通过优化各项权重来补偿大口径双曲面主镜1加工误差造成的波前畸变，将设计好的小型自由曲面加工出来，利用自由曲面次镜9替代RC光学系统中双曲面次镜2。
进一步的，还包括容置大口径双曲面主镜1、双曲面次镜2、补偿镜3、像面4或自由曲面次镜9的防护组件7、设置于防护组件7下方的移动组件6和连接组件8，移动组件6包括底板61、设置于底板61下方的万向轮64、通过轴承与底板61转动连接的丝杠62和套设于丝杠62外圆周壁的丝杠筒63，丝杠筒63与防护组件7连接，连接组件8包括焊接于底板61侧壁的连接铰链81，两个连接铰链81钩连为一连接扣82，连接扣82通过连接销83紧固。
进一步的，大口径双曲面主镜1、双曲面次镜2、补偿镜3、像面4和自由曲面次镜9统称为镜片，防护组件7包括容置镜片的防护箱71、设置于防护箱71顶壁的防护座74和设置于防护座74顶壁的防护圈76，防护圈76套设于镜片的外缘，防护圈76通过紧固杆78调节大小。
进一步的，还包括扣合组件5，防护箱71的侧壁铰接有门体72，扣合组件5通过铰链铰接于门体72表壁的第一扣杆51、焊接于防护箱71表壁的扣座53和设置于第一扣杆51端壁的扣块52，扣块52与扣座53相适配。
进一步的，还包括压紧组件75，压紧组件75包括设置于防护圈76内壁的压紧座751和设置于压紧座751背壁的压紧杆753，压紧杆753远离压紧座751的一端通过螺纹与防护圈76转动连接。
进一步的，扣块52的顶壁铰接有第二扣杆55，扣座53的内部开设有扣槽54，第二扣杆55与扣槽54相适配。
进一步的，底板61远离连接组件8的一端焊接有把手65。
更进一步的，防护座74的顶壁设置有容置镜片的定位架77。
具体的，压紧座751远离压紧杆753的表壁安装有软垫752。
值得说明的是，门体72的侧壁设置有镜盖73。
工作时，首先将大口径双曲面主镜1、双曲面次镜2、补偿镜3、和像面4取出，然后按照从左到右的方式将双曲面次镜2、双曲面主镜1、补偿镜3和像面4分别装到各自的防护组件7中，在装载各镜片的过程中，首先应将镜片放置到防护圈76内，然后转动紧固杆78更改防护圈76的大小，以使防护圈76的内壁与镜片边缘相贴合，由于在实际的装载过程中镜片尺寸并非完全与防护圈76相贴合，此时可转动压紧杆753使压紧座751带动软垫752向镜片边缘靠近直至软垫752完全与镜片相贴合，即可完成其装载作业；
需要注意的是，由于大口径双曲面主镜1尺寸较大，在装载大口径双曲面主镜1的过程中应使定位架77承托住大口径双曲面主镜1的两端，避免大口径双曲面主镜1重心不稳而倾倒，此时就可进行波前调控补偿RC光学系统大口径主镜误差的作业；
第一步，测量出RC系统中大口径双曲面主镜1在加工时产生的面型误差与波前畸变；
第二步，利用光学设计软件模拟出大口径双曲面主镜1的加工误差，其特征在于利用Zernike多项式来表征大口径双曲面主镜1加工产生的误差；
第三步，在光学系统中引入小型的自由曲面或用自由曲面代替光学系统中小型的球面或非球面，其特征在于同样利用Zernike多项式表征自由曲面，通过优化各项权重来补偿大口径双曲面主镜1加工误差造成的波前畸变；
第四步，将设计好的小型自由曲面加工出来，利用自由曲面次镜9替代RC光学系统中双曲面次镜2；
在进行第四步的作业时，应将装载双曲面次镜2的防护圈76更改为装载自由曲面次镜9即可；
在完成波前调控补偿RC光学系统大口径主镜误差的作业作业后，通过连接扣82和连接销83将两个连接铰链81钩连，然后握持把手65带动装载所有镜片的防护箱71通过万向轮64带走，节省了人员的体力，提升了携带的便捷度。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种利用自由曲面代替RC光学系统双曲面次镜，其特征在于：包括大口径双曲面主镜(1)、双曲面次镜(2)、补偿镜(3)、像面(4)和自由曲面次镜(9)，所述技术的具体实施步骤如下：
A)测量出RC系统中大口径双曲面主镜(1)在加工时产生的面型误差与波前畸变；
B)利用光学设计软件模拟出大口径双曲面主镜(1)的加工误差，其特征在于利用Zernike多项式来表征大口径双曲面主镜(1)加工产生的误差；
C)在光学系统中引入小型的自由曲面或用自由曲面代替光学系统中小型的球面或非球面，其特征在于同样利用Zernike多项式表征自由曲面，通过优化各项权重来补偿大口径双曲面主镜(1)加工误差造成的波前畸变；
D)将设计好的小型自由曲面加工出来，利用自由曲面次镜(9)替代RC光学系统中双曲面次镜(2)。
2.根据权利要求1所述的一种利用自由曲面代替RC光学系统双曲面次镜，其特征在于：还包括容置大口径双曲面主镜(1)、双曲面次镜(2)、补偿镜(3)、像面(4)或自由曲面次镜(9)的防护组件(7)、设置于防护组件(7)下方的移动组件(6)和连接组件(8)，所述移动组件(6)包括底板(61)、设置于底板(61)下方的万向轮(64)、通过轴承与底板(61)转动连接的丝杠(62)和套设于丝杠(62)外圆周壁的丝杠筒(63)，所述丝杠筒(63)与防护组件(7)连接，所述连接组件(8)包括焊接于底板(61)侧壁的连接铰链(81)，两个所述连接铰链(81)钩连为一连接扣(82)，所述连接扣(82)通过连接销(83)紧固。
3.根据权利要求2所述的一种利用自由曲面代替RC光学系统双曲面次镜，其特征在于：所述大口径双曲面主镜(1)、双曲面次镜(2)、补偿镜(3)、像面(4)和自由曲面次镜(9)统称为镜片，所述防护组件(7)包括容置镜片的防护箱(71)、设置于防护箱(71)顶壁的防护座(74)和设置于防护座(74)顶壁的防护圈(76)，所述防护圈(76)套设于镜片的外缘，所述防护圈(76)通过紧固杆(78)调节大小。
4.根据权利要求3所述的一种利用自由曲面代替RC光学系统双曲面次镜，其特征在于：还包括扣合组件(5)，所述防护箱(71)的侧壁铰接有门体(72)，所述扣合组件(5)通过铰链铰接于门体(72)表壁的第一扣杆(51)、焊接于防护箱(71)表壁的扣座(53)和设置于第一扣杆(51)端壁的扣块(52)，所述扣块(52)与扣座(53)相适配。
5.根据权利要求4所述的一种利用自由曲面代替RC光学系统双曲面次镜，其特征在于：还包括压紧组件(75)，所述压紧组件(75)包括设置于防护圈(76)内壁的压紧座(751)和设置于压紧座(751)背壁的压紧杆(753)，所述压紧杆(753)远离压紧座(751)的一端通过螺纹与防护圈(76)转动连接。
6.根据权利要求5所述的一种利用自由曲面代替RC光学系统双曲面次镜，其特征在于：所述扣块(52)的顶壁铰接有第二扣杆(55)，所述扣座(53)的内部开设有扣槽(54)，所述第二扣杆(55)与扣槽(54)相适配。
7.根据权利要求6所述的一种利用自由曲面代替RC光学系统双曲面次镜，其特征在于：所述底板(61)远离连接组件(8)的一端焊接有把手(65)。
8.根据权利要求7所述的一种利用自由曲面代替RC光学系统双曲面次镜，其特征在于：所述防护座(74)的顶壁设置有容置镜片的定位架(77)。
9.根据权利要求8所述的一种利用自由曲面代替RC光学系统双曲面次镜，其特征在于：所述压紧座(751)远离压紧杆(753)的表壁安装有软垫(752)。
10.根据权利要求9所述的一种利用自由曲面代替RC光学系统双曲面次镜，其特征在于：所述门体(72)的侧壁设置有镜盖(73)。
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