CN114739323A - 光学元件光轴与机械轴偏差测试系统、测试方法以及偏差修正方法 - Google Patents

光学元件光轴与机械轴偏差测试系统、测试方法以及偏差修正方法 Download PDF

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Abstract

光学元件光轴与机械轴偏差测试系统、测试方法以及偏差修正方法。涉及光学元件加工领域，解决了机械臂加工光学元件误差大的问题。将光学元件与高精度转台精密定位并夹紧；将光学元件光轴与干涉仪光轴调整至重合状态，记录角度初值；将光学元件转动180°，记录慧差量、倾斜量。将光学元件调整至慧差量为零状态，记录调整过程中角度变化量。根据上述步骤中慧差量、倾斜量以及夹角分析计算，获得光学元件光轴与机械轴的偏移量。以测试结果为依据采用机械臂夹持光学元件进行表面精密抛修。本发明可应用于光学加工阶段对光学元件的光轴与镜体机械轴偏差的精确测量和修正工作中，降低系统调试难度和集成耗时，实现高效装调。

Description

光学元件光轴与机械轴偏差测试系统、测试方法以及偏差修 正方法
技术领域
本发明涉及光学元件加工领域，具体涉及光轴与机械轴偏差的测试和修正技术。
背景技术
光学元件镜体是光学成像系统集成时依据的主要装调基准。光学元件的光学表面型状主要有：平面、球面与非球面，在光学系统多个元件集成组装为光学系统时，当与其所在镜体存在位置误差(偏心、倾斜等)时，需要进行复杂的精密调试，以实现光学元件光轴与系统成像光轴同心、无偏置，并确保完成光学元件精密调试后在元件固定过程中位置稳定不变。
在光学元件镜面的铣磨成型、研磨与抛光过程中，由于镜体与加工机床的相对位置误差，易使得光学镜面轴与其自身的机械轴存在偏差，引起反射镜面形产生慧差。
传统的光学元件加工方法，为了减小加工误差，多是使用高精度机床进行加工，这种方式加工的光学元件加工精度高，光轴与机械轴偏差小，后期组装为光学系统时，集成和调试过程简单，耗时较短。但是，由于高精度机床价格昂贵，为了节约成本，目前本领域常常用机械臂代替高精度机床对光学元件进行加工，但是这种加工方法产生的加工误差较大，在集成组装为光学系统时装调过程复杂，需要耗费较长的调试时间，甚至会出现加工误差太大导致装调失败的现象。
发明内容
为了解决机械臂对光学元件加工的误差大，导致装调过程耗时长甚至装调失败的问题，本发明提出了一种光学元件光轴与机械轴偏差的测试系统。技术方案如下：
一种光学元件光轴与机械轴偏差的测试系统，包括干涉仪模块、方位调整模块和角度测量模块；
所述干涉仪模块包括干涉仪和干涉仪测试基准波面发生器，所述干涉仪测试基准波面发生器将所述干涉仪发出的标准球面波前或平面波前转化为与被测光学元件镜面一致的非球面波前，以作为测试基准；所述干涉仪用于测试光学元件的镜面面型误差。
所述方位调整模块包括夹持机构、高精度转台、支撑架、平面反射镜以及五维调整架；所述夹持机构同轴固定设于所述高精度转台上，用于夹持光学元件；所述高精度转台固定设于所述支撑架上，用于带动所述夹持机构夹持的光学元件进行转动；所述平面发射镜固定设于所述支撑架上与高精度转台相反的一侧；所述支撑架固定设于所述五维调整架上，用于支撑所述高精度转台；所述五维调整架用于带动所述支撑架进行五个维度的定位调整；
所述角度测量模块包括自准直测角仪，用于测量所述精密调整定位模块调整过程中的角度变化量。
本发明还提供了一种光学元件光轴与机械轴偏差的测试方法，应用上述测试系统，优选地，包括以下步骤：
S1、将光学元件与所述高精度转台精密定位，并通过所述夹持机构夹紧；
S2、通过所述五维调整架将所述光学元件光轴与所述干涉仪光轴调整至重合状态，将此位置记为零方位，记录零方位时自准直测角仪测量的角度初值；
S3、将光学元件通过所述高精度转台从零方位转动180°，记为180°方位，记录180°方位时所述干涉仪测试光学元件的镜面面形误差中的慧差量、倾斜量。
S4、通过所述五维调整架将光学元件调整至慧差量为零的状态，使得光学元件光轴与干涉仪光轴再一次重合，记录调整过程中所述自准直测角仪测试角度的变化量为α，光学元件机械轴与光轴的夹角为γ＝α/2。
S5、根据步骤S3和S4中干涉仪测试的光学元件的慧差量、倾斜量以及光学元件机械轴与光轴的夹角γ，按照光学几何成像原理进行分析计算，即可获得光学元件光轴与机械轴之间的偏移量。
优选地，步骤S1中所述的精密定位是通过千分表实现光学元件与所述高精度转台的机械轴重合。
优选地，步骤S2中所述零方位的判断标准为干涉仪测试光学元件的镜面面形误差中的慧差量为零。
本发明还提供了一种光学元件光轴与机械轴偏差的修正方法，以上述测试方法获得的光轴与机械轴之间的夹角和偏移量为依据，采用ZEMAX计算镜面面形泽尼克系数的第6、7项，拟合得到镜体光轴与机械轴偏差产生的慧差量，依据慧差量采用机械臂夹持光学元件进行表面精密抛修，表面精密抛修后再次测试，若测试结果没有达标，则根据测试结果进行下一轮表面精密抛修，直到测试结果达标。
优选地，所述下一轮表面精密抛修前需要改变所述机械臂对所述光学元件的夹持角度。
与现有技术相比，本发明解决了机械臂对光学元件加工的误差大，导致装调过程耗时长甚至装调失败的问题，具体有益效果为：
1.本发明为在光学加工阶段对光学元件的光轴与镜体机械轴偏差的精确测量提供了可行性方法与系统，系统采用高精度转台精密定位，避免了定位不准确产生的误差，测试方法通过干涉仪测试光学元件在零方位转到180°方位时的慧差和倾斜角度的变化量，进而计算出镜体光轴与机械轴的倾斜角度和偏移量，测试结果准确度高。
2.本发明提供了依据测试结果进行误差修正的可行性方法，作为机械臂加工的最后步骤，可有效弥补前期加工误差大的缺点，从而降低光学系统精密调试阶段的难度和系统集成耗时，实现高效装调要求。
本发明提供的测试系统和测试方法可应用于光学加工阶段对光学元件的光轴与镜体机械轴偏差的精确测量工作中，偏差修正方法可应用于光学加工阶段对光学元件的光轴与镜体机械轴偏差的修正工作中。
附图说明
图1为本发明提供的测试系统示意图；
图2为本发明提供的测试方法步骤S2中所述零方位状态示意图；
图3为本发明提供的测试方法步骤S3中所述180°方位状态示意图；
图4为本发明提供的测试方法步骤S4中所述光轴与干涉仪光轴重合时状态示意图。
附图标记说明：
1、干涉仪；2、干涉仪测试基准波面发生器；3、光学元件；4、夹持机构；5、高精度转台；6、支撑架；7、平面反射镜；8、自准直测角仪；9、五维调整架；10、干涉仪光轴；11、光学元件光轴；12、光学元件机械轴。
具体实施方式
为使本发明的技术方案更加清楚，下面将结合本发明的说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，需要说明的是，以下实施例仅用于更好地理解本发明的技术方案，而不应理解为对本发明的限制。
实施例1.
本实施例提供了一种光学元件加工阶段光轴与机械轴偏差的测试系统，包括干涉仪模块、方位调整模块和角度测量模块；
所述干涉仪模块包括干涉仪1和干涉仪测试基准波面发生器2，所述干涉仪测试基准波面发生器2将所述干涉仪1发出的标准球面波前或平面波前转化为与被测的光学元件3镜面一致的非球面波前，以作为测试基准；所述干涉仪1用于测试光学元件3的镜面面型误差；
所述方位调整模块包括夹持机构4、高精度转台5、支撑架6、平面反射镜7以及五维调整架9；所述夹持机构4同轴固定设于所述高精度转台5上，用于夹持光学元件3；所述高精度转台5固定设于所述支撑架6上，用于带动所述夹持机构4及其夹持的所述光学元件3进行转动；所述平面反射镜7固定设于所述支撑架6上与高精度转台5相反的一侧；所述支撑架6固定设于所述五维调整架9上，用于支撑所述高精度转台5；所述五维调整架9用于带动所述支撑架6进行五个维度的定位调整；
所述角度测量模块包括自准直测角仪8，用于测量所述方位调整模块在调整过程中所述平面反射镜7的角度变化量。
本实施例为在光学加工阶段对光学元件的光轴与镜体机械轴偏差的精确测量提供了可行性系统，系统实现了光学元件与高精度转台的精密定位，使得测试结果准确度高。本实施例提供的测试系统可以用于光学元件实际加工过程中的偏差测试，为后续的面型抛修阶段提供可靠的指导。
实施例2.
本实施例提供了一种光学元件加工阶段光轴与机械轴偏差的测试方法，应用实施例1所述的测试系统，包括以下步骤：
S1、将所述光学元件3与所述高精度转台5精密定位，并通过所述夹持机构4夹紧；
S2、通过所述五维调整架9将所述光学元件光轴11与所述干涉仪光轴10调整至重合状态，将此位置记为零方位，记录零方位时自准直测角仪8测量的角度初值；
S3、将光学元件3通过所述高精度转台5从零方位转动180°，将此位置记为180°方位，记录180°方位时所述干涉仪1测试光学元件3的镜面面形误差中的慧差量、倾斜量。
S4、通过所述五维调整架9将光学元件3调整至慧差量为零的状态，使得光学元件光轴11与干涉仪光轴10再一次重合，记录调整过程中所述自准直测角仪8测试角度的变化量α，计算光学元件机械轴12与光学元件光轴11的夹角γ＝α/2。
S5、根据步骤S3中干涉仪1测试的光学元件3的慧差量、倾斜量以及步骤S4中光学元件机械轴12与光学元件光轴11的夹角γ，按照光学几何成像原理进行分析计算，即可获得光学元件机械轴12与光学元件光轴11之间的偏移量。
本实施例采用加工镜体与高精度转台精密定位方式，通过干涉仪测试光学元件在零方位转到180°方位时的慧差和倾斜角度的变化量，进而计算出镜体光轴与机械轴的倾斜角度和偏移量。本实施例为在光学加工阶段对光学元件的光轴与镜体机械轴偏差的精确测量提供了可行性方法，以指导在光学元件加工阶段抛修去除此位置偏差，从而降低光学系统精密调试阶段的难度和系统集成耗时，实现高效装调要求。
实施例3.
本实施例为对实施例2的进一步举例说明，步骤S1中所述的精密定位是指通过千分表实现所述光学元件机械轴12与所述高精度转台5的机械轴重合。
方位调整模块的精密定位是实现测试结果准确的关键，本实施例采用千分表保证光学元件机械轴12与所述高精度转台5的机械轴重合，实现精密定位的误差达到微米级，保障了本方法的测量结果准确性。
实施例4.
本实施例为对实施例2的进一步举例说明，其中步骤S2中所述零方位的判断标准为干涉仪1测试出光学元件3的镜面面形误差中的慧差量为零。
本实施例通过干涉仪测量的慧差量作为判断标准，判断光学元件光轴11与干涉仪光轴10调至完全重合状态，保证零方位的定位准确，测量结果准确。
实施例5.
本实施例提供了一种光学元件光轴与机械轴偏差的修正方法，以实施例2-4中任一所述测试方法获得的光轴与机械轴之间的夹角和偏移量为依据，采用ZEMAX计算镜面面形泽尼克系数的第6、7项，拟合得到镜体光轴与机械轴偏差产生的慧差量，依据慧差量采用机械臂夹持光学元件进行表面精密抛修，表面精密抛修后再次测试，若测试结果没有达标，则根据测试结果进行下一轮表面精密抛修，直到测试结果达标。
本实施例提供了依据测试结果进行误差修正的可行性方法，作为机械臂加工的最后步骤，可有效弥补前期加工误差大的缺点，从而降低光学系统精密调试阶段的难度和系统集成耗时，实现高效装调要求。
实施例6.
本实施例6为对实施例5的进一步举例说明，其中所述下一轮表面精密抛修前需要改变所述机械臂对所述光学元件的夹持角度。
本实施例提供的这种修正方法，可有效匀化系统误差，使得修正结果更好。
实施例7.
本实施例应用实施例1所述的系统，准备一块经过机械臂铣磨、研磨与抛光加工后的光学元件3，通过千分表实现光学元件机械轴12与高精度转台5的机械轴重合，并通过夹持机构4夹紧。
通过五维调整架9将光学元件光轴11与干涉仪光轴10调整至重合状态，此时干涉仪1测试光学元件3的镜面面形误差中的慧差量为零，将此位置记为零方位，记录零方位时自准直测角仪8测量的角度初值。将光学元件3通过高精度转台5从零方位转动180°，记为180°方位，记录180°方位时干涉仪1测试光学元件3的镜面面形误差中的慧差量、倾斜量。通过五维调整架9将光学元件3调整至慧差量为零的状态，使得光学元件光轴11与干涉仪光轴10再一次重合，记录调整过程中所述自准直测角仪8测试角度的变化量为α，α包括x、y轴两个方向的角度变化量，由此可以计算光学元件3的机械轴与光轴的夹角为γ＝α/2，计算得到x、y轴两个方向的夹角分别为4.58′和1.93′。根据干涉仪1测试的光学元件3的慧差量、倾斜量以及光学元件3的机械轴与光轴的夹角γ，按照光学几何成像原理泽尼克多项式进行分析计算，计算得到光学元件3的光轴与机械轴之间x、y轴两个方向的偏移量分别为0.07mm和1.82mm。
根据以上测试得到的光学元件3的机械轴与光轴的夹角和偏移量数据，应用实施例5所述的修正方法，采用机械臂对光学元件3进行表面精密抛修，对抛修后的光学元件3重复以上测试步骤，测得光学元件3的机械轴与光轴之间x、y轴两个方向的夹角分别为15.62″和8.55″，光学元件3的光轴与机械轴之间x、y轴两个方向的偏移量分别为0.03mm和0.25mm。
以上数据可以证明，本发明为在光学加工阶段对光学元件的光轴与镜体机械轴偏差的精确测量提供了可行性方法与系统，对光学元件加工阶段精密抛修工作有着重要的指导作用，可降低光学系统调试阶段难度和系统集成耗时，实现高效装调要求。

Claims (6)

1.一种光学元件光轴与机械轴偏差的测试系统，其特征在于，包括干涉仪模块、方位调整模块和角度测量模块；
所述干涉仪模块包括干涉仪(1)和干涉仪测试基准波面发生器(2)，所述干涉仪测试基准波面发生器(2)将所述干涉仪(1)发出的标准球面波前或平面波前转化为与被测的光学元件(3)镜面一致的非球面波前，以作为测试基准；所述干涉仪(1)用于测试光学元件(3)的镜面面型误差；
所述方位调整模块包括夹持机构(4)、高精度转台(5)、支撑架(6)、平面反射镜(7)以及五维调整架(9)；所述夹持机构(4)同轴固定设于所述高精度转台(5)上，用于夹持光学元件(3)；所述高精度转台(5)固定设于所述支撑架(6)上，用于带动所述夹持机构(4)及其夹持的所述光学元件(3)进行转动；所述平面反射镜(7)固定设于所述支撑架(6)上与高精度转台(5)相反的一侧；所述支撑架(6)固定设于所述五维调整架(9)上，用于支撑所述高精度转台(5)；所述五维调整架(9)用于带动所述支撑架(6)进行五个维度的定位调整；
所述角度测量模块包括自准直测角仪(8)，用于测量所述方位调整模块在调整过程中所述平面反射镜(7)的角度变化量。
2.一种光学元件光轴与机械轴偏差的测试方法，其特征在于，应用权利要求1所述的测试系统，包括以下步骤：
S1、将所述光学元件(3)与所述高精度转台(5)精密定位，并通过所述夹持机构(4)夹紧；
S2、通过所述五维调整架(9)将所述光学元件光轴(11)与所述干涉仪光轴(10)调整至重合状态，将此位置记为零方位，记录零方位时自准直测角仪(8)测量的角度初值；
S3、将光学元件(3)通过所述高精度转台(5)从零方位转动180°，将此位置记为180°方位，记录180°方位时所述干涉仪(1)测试光学元件(3)的镜面面形误差中的慧差量、倾斜量。
S4、通过所述五维调整架(9)将光学元件(3)调整至慧差量为零的状态，使得光学元件光轴(11)与干涉仪光轴(10)再一次重合，记录调整过程中所述自准直测角仪(8)测试角度的变化量α，计算光学元件机械轴(12)与光学元件光轴(11)的夹角γ＝α/2。
S5、根据步骤S3中干涉仪(1)测试的光学元件(3)的慧差量、倾斜量以及步骤S4中光学元件机械轴(12)与光学元件光轴(11)的夹角γ，按照光学几何成像原理进行分析计算，即可获得光学元件机械轴(12)与光学元件光轴(11)之间的偏移量。
3.根据权利要求2所述的光学元件光轴与机械轴偏差的测试方法，其特征在于，步骤S1中所述的精密定位是指通过千分表实现所述光学元件机械轴(12)与所述高精度转台(5)的机械轴重合。
4.根据权利要求2所述的光学元件光轴与机械轴偏差的测试方法，其特征在于，步骤S2中所述零方位的判断标准为干涉仪(1)测试出光学元件(3)的镜面面形误差中的慧差量为零。
5.一种光学元件光轴与机械轴偏差的修正方法，其特征在于，以权利要求2-4中任一项所述测试方法获得的光轴与机械轴之间的夹角和偏移量为依据，采用ZEMAX计算镜面面形泽尼克系数的第6、7项，拟合得到镜体光轴与机械轴偏差产生的慧差量，依据慧差量采用机械臂夹持所述光学元件(3)进行表面精密抛修，表面精密抛修后再次测试，若测试结果没有达标，则根据测试结果进行下一轮表面精密抛修，直到测试结果达标。
6.根据权利要求5所述的光学元件光轴与机械轴偏差的修正方法，其特征在于，所述下一轮表面精密抛修前需要改变所述机械臂对所述光学元件(3)的夹持角度。
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