CN117687226A - 用于光机装调的自适应组合垫片以及光机装调方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光机装调技术领域，尤其涉及一种用于光机装调的自适应组合垫片以及光机装调方法，自适应组合垫片包括厚度垫片和角度垫片，厚度垫片为圆柱形垫片，角度垫片包括球头片和锥座片；球头片可在锥座片内任意小角度旋转，用以改变球头片的上平面和锥座片的下平面之间的角度；本发明的自适应组合垫片通用性强，对于一些没有严格力学要求的仪器，所调即所得，测量垫片的尺寸更加方便、准确，可缓解螺钉紧固过程中的扭曲应力，减低光学元件面型发生变化的风险；整体使得装调成本更低，应用于光机装调方法中，可以很方便的调节光学元件的空间位置，使得装调过程难度大大降低，系统像质满足指标要求。

Description

用于光机装调的自适应组合垫片以及光机装调方法

技术领域

本发明涉及光机装调技术领域，尤其涉及一种用于光机装调的自适应组合垫片以及光机装调方法。

背景技术

光机装调，是指在光学仪器制造、安装或改造完成后，通过一系列的工艺操作和技术手段，使设备达到预定的性能指标并正常工作的过程。更具体的说，就是将光学仪器中将各个光学零件，借助机械壳结构，调整到合适的位置，装调后的光学元件位置与设计位置越接近，仪器的光学性能越能得到最大化的实现，因此精细地控制光学元件的位置是光机装调的关键所在。

光机设计的基本思路是先将光学元件镶嵌在一个机械壳内，再将机械壳固定在仪器框架上，从而确定光学元件在仪器中的摆放位置和摆放角度。为了实现光学元件的精确可调，通常会在机械壳和仪器框架中间设置一个垫片，通过修研垫片，实现对光学元件位置和空间角度的精细调整。

在一个三维笛卡尔坐标系中，光学元件的位置由六个自由度定义，分别是沿着三个轴向的平移和绕着三个轴的旋转，所以对光学元件位置的调整，需要垫片有六个可调维度，单层的垫片通常无法实现，所以通过光学设计、机械设计，将垫片可调维度的需求降为3个，如图1所示，分别是垫片厚度，调整沿着垫片法线z轴的平移，以及垫片上下两个接触面的空间二面角，调整绕着x、y轴的旋转。其他维度通过另外的结构调整或者无需调整。

光机装调的难点在于，并不能事先计算或者测量出垫片的厚度和角度，只有光学元件真正的摆放在其最合适的位置后，才能通过测量得到垫片的准确尺寸。所以装调时，首先将仪器框架固定，并另外搭建一台多维调整架，多维调整架驱动光学元件在其理论位置附近做微小的平移或者旋转，直到检测到此时光学性能达到最优，确认该位置为光学元件的合适位置，再测量光学元件元与仪器框架间的距离，确定垫片的厚度和角度。修研垫片尺寸到测量值，再将光学元件固定在仪器框架上，完成装调过程。

另外一种确定垫片尺寸的方法是试错法，需要制作一系列不同厚度、不同角度的垫片，装调过程就是不断的试验各种不同尺寸垫片的效果，直到达到最佳的光学性能，确定此时使用的垫片尺寸最为合适。

利用多维调整架进行装调是常用的装调方法，这种方法的适应性比较好，可以实现光学元件多维度的自由调整。方法的难点在于测量需要垫片的尺寸，确定了光学元件合适位置后，需要测量元件机械壳和仪器框架间的距离，这个距离空间通常是半封闭的，受到其他结构的遮挡，普通的测量设备无法深入，采用间接测量的方法往往影响测量的精度，导致最后制作垫片并装配后的效果与装调时的效果不尽相同，通过替换垫片无法完全还原装调时的光学元件位置。

利用多维调整架装调的另一个缺点是系统复杂。本身多维调整架结构复杂，成本较高，需要占用大量的空间，一些大型的光学仪器装调时还有足够的空间供多维调整架摆放，对于一些小型化的或者结构复杂的光学仪器，不仅光学元件机械壳上没有多余的空间供多维调整架夹持，多维调整架也无法将光学元件连同机械壳安放在其理论位置附近并调整。例如一些仪器的体积本身就比多维调整架小，更不要说利用多位调整架装调仪器上的元件了。

利用试错法，制作大量不同尺寸的垫片，这种方法显然效率很低，需要通过不断的重复性试验寻找合适的结果，而且要覆盖所有垫片尺寸需要制作大量的垫片，费时费力，效果却不一定理想。如果是批产的仪器可以采用该方法，制作的大量的垫片可以重复利用。但这种方法并不适用于单件或者小批量的产品。

发明内容

本发明为解决现有的垫片装调方法的不足，提出了一种具有尺寸自适应功能的组合垫片以及使用该自适应组合垫片的装调方法。

本发明提供用于光机装调的自适应组合垫片，其特征在于，所述自适应组合垫片包括厚度垫片和角度垫片，所述厚度垫片与所述角度垫片的端面相互接触；所述厚度垫片为圆柱形垫片，所述角度垫片包括球头片和锥座片；所述球头片可在所述锥座片内任意小角度旋转，用以改变所述球头片的上平面和所述锥座片的下平面之间的角度。

优选的，所述小角度的角度范围为0度～2度。

优选的，所述厚度垫片的可调整厚度范围为3mm～5mm。

优选的，所述球头片窝在所述锥座片中，所述球头片的球面与所述锥座片的锥面相互接触并压紧。

优选的，所述球头片的工作面为凸球面，所述锥座片包括凹锥面，所述凹锥面与所述凸球面配合使用。

本发明还提供一种光机装调方法，所述光机装调方法通过本发明的自适应组合垫片实现。

优选的，光机装调方法包括步骤：

S1、使用螺钉连接光学元件的金属壳和仪器框架，在每个螺钉位置处的界面，均插入一组组合垫片，所述组合垫片为权利要求1～6任意一项所述的自适应组合垫片；

S2、通过替换所述自适应组合垫片中的厚度垫片，实现光学元件的上下平移；和/或，

通过所述角度垫片自适应安装角度，实现光学元件的倾斜旋转。

与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

(1)对于一些没有严格力学要求的仪器，所调即所得。利用调整架装调时，需要测量光学元件机械壳与仪器框架间的距离，并制作整体垫片，测量误差影响垫片尺寸的准确性，装调过程中仪器的性能和最后完成的仪器的性能存在一定差异。而利用组合垫片进行装调，在确定了元件的合适位置后，可以直接紧固螺钉，完成装调，仪器性能在装调前后一致。

(2)测量垫片的尺寸更加方便、准确。利用组合垫片装调完成后，如果需要制作整体垫片，测量组合垫片的厚度更为便捷，可以将组合垫片拆下后测量，测量更为容易，准确性更高，制作的整体垫片尺寸也更为准确，降低了最终完成仪器性能下降的可能性。

(3)装调成本更低。相较于调整架装调，组合垫片装调法不需要复杂的调整架，只需要制作简单的厚度垫片就可以完成装调，装调成本大大降低。而相比于试错法的装调方法，制作大量不同尺寸的垫片成本还是很高的，组合垫片装调方法只需要制作形状简单的小尺寸垫片即可，而且这些小尺寸的厚度垫片还具有一定的通用性，可以在其他类似的结构位置继续使用。

(4)缓解螺钉紧固过程中的扭曲应力，减低光学元件面型发生变化的风险。光学元件镶嵌在机械壳中，机械壳在被螺钉卡紧的过程中，由于应力传导，还是不可避免影响光学元件的面形，尤其是在接触面不平行时，会在卡紧过程中产生扭曲应力，对光学元件面形影响极大。使用组合垫片的好处是，组合垫片中的角度垫片，由于自适应接触面间角度变化，巧妙化解了扭曲应力，使装调后整个系统的性能更好。

(5)通用性强。组合垫片是配合螺钉使用的，一般采用螺钉固定光学元件的光机结构形式，都可以使用组合垫片进行装调，只需要预留足够厚度空间即可。

附图说明

图1是在一个三维笛卡尔坐标系中垫片可调自由度示意图。

图2是根据本发明具体实施例中自适应组合垫片上下平移的工作原理示意图。

图3是根据本发明具体实施例中自适应组合垫片倾斜旋转的工作原理示意图。

附图标记：

1光学元件、2螺钉、3机械壳、4角度垫片、5厚度垫片、6仪器框架。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明具体实施方式中，提供了一种尺寸自适应组合垫片，垫片由两部分组成，包括厚度垫片和角度垫片，所述厚度垫片与所述角度垫片的端面相互接触，两者组合使用；具体的，所述厚度垫片为圆柱形垫片，所述角度垫片包括球头片和锥座片；所述球头片可在所述锥座片内任意小角度旋转，用以改变所述球头片的上平面和所述锥座片的下平面之间的角度；具体的，厚度垫片和角度垫片的材质可以为不锈钢或者黄铜。

本发明具体实施方式中，所述球头片窝在所述锥座片中，所述球头片的球面与所述锥座片的锥面相互接触并压紧；所述球头片的工作面为凸球面，所述锥座片包括凹锥面，所述凹锥面与所述凸球面配合使用；所述凹锥面锥度可根据所述角度垫片的调整角度的大小进行设计；角度垫片的角度调整范围可根据装调情况进行设计，角度垫片的主要作用是适应由于加工导致的角度误差累计，角度误差的大小是由加工精度，结构复杂程度共同决定的，没有准确的数值，一般角度误差在0度～2度之间；本发明所述球头片可在所述锥座片内0度～2度之间任意旋转。

本发明具体实施方式中，使用螺钉连接光学元件金属壳和仪器框架，在每个螺钉位置处的界面，均插入一组本发明的自适应组合垫片，装配完成后，所有螺钉处组合垫片合在一起相当于光学元件的整体垫片，这些组合垫片共同决定了光学元件的空间位置。光学元件的金属壳与安装框架上安装面存在一定夹角，螺钉压紧过程中，螺钉带动角度垫片中球形片在锥座片内滑动，球形与锥面的配合，天然地适应角度垫片上下表面在各个角度位置保持力的平衡，螺钉压紧后，角度垫片自然停在相应的角度位置，即角度垫片自适应安装角度，实现光学元件的倾斜旋转。

本发明具体实施方式中，厚度垫片的可调整厚度范围为3mm～5mm，作为预留的可调垫片空间；同时，在理论垫片厚度上下20％范围制作一系列不同厚度的垫片，可以替换每个螺钉位置处组合垫片中的厚度垫片，进而改变每个螺钉位置组合垫片的总厚度，即在每个螺钉位置单独地改变了光学元件和仪器框架之间的距离。相比于现有技术中复杂驱动的自动化装调，本发明提供的组合垫片具有最大的灵活性，可以任意通过在每个螺钉处不同的厚度，组合形成任意厚度、任意角度的垫片。具体的，圆柱形厚度垫片的直径可根据所使用螺钉的直径来确定，一般螺钉有M2.5，M3，M4等等不同的规格，可据此相应的确定圆柱形厚度垫片的直径；根据圆柱形厚度垫片的直径，确定角度垫片中球头片的尺寸，进而确定角度垫片的厚度，最后根据总厚度来确定圆柱形垫片的厚度。

本发明具体实施方式中，提供一种光机装调方法，包括步骤：

S1、使用螺钉连接光学元件的金属壳和仪器框架，在每个螺钉位置处的界面，均插入一组组合垫片，所述组合垫片为权利要求1～6任意一项所述的自适应组合垫片；

S2、通过替换所述自适应组合垫片中的厚度垫片，实现光学元件的上下平移；和/或，通过所述角度垫片自适应安装角度，实现光学元件的倾斜旋转。

如图2所示，为根据本发明具体实施例中自适应组合垫片上下平移的工作原理示意图，从图中可以看出，通过改变所有螺钉2的位置，厚度垫片5的厚度，可以实现光学元件1的上下平移；具体的，光学元件1在初始装配位置，所有螺钉2处的组合垫片厚度相同，即光学元件1的机械壳3的安装面和仪器框架6的安装面平行；此时测量仪器的光学性能，如果系统性能显示出光学元件上下位置不正确，例如系统波像差出现球差，需要光学元件整体的上下平移，在预制好的一系列厚度垫片5中选择更厚或更薄的厚度垫片5，替换每个组合垫片中的厚度垫片5，相当于增加或减小了光学元件整体垫片的厚度，实现了光学元件1的上下平移。

测量仪器的光学性能，如果系统性能显示出光学元件1的倾斜角度不正确，例如系统波像差出现彗差或者像散，需要改变光学元件1的倾斜角度；通过本发明的自适应组合垫片来补偿加工制造过程中产生的误差，具体会根据系统出现的像差，大致判断光学元件1需要移动的方向和需求角度，通过本发明的自适应组合垫片进行调整，达到最好的成像效果。具体的，根据需求角度的大小，可以计算各个螺钉2位置处的高度差，与前步骤方法相同的，利用预制系列厚度垫片4进行替换步骤，不同的螺钉2的位置有高度差，光学元件1的安装面与仪器框架6的安装面自然形成安装角度，此时角度垫片4发挥作用，由于角度垫片4中球头片可以在锥座片内任意小角度旋转，在螺钉2压紧过程中，角度垫片4会自适应安装角度，而不会引起机械壳3或者仪器框架6内的扭曲压力；具体如图3所示，为根据本发明具体实施例中自适应组合垫片倾斜旋转的工作原理示意图，从图中可以看出，不同螺钉位置厚度垫片5的厚度不相同，实现光学元件倾斜旋转，角度垫片4自适应光学元件1的机械壳3与仪器框架6之间的角度变化。一旦机械壳3与仪器框架6之间形成安装角度，螺钉2和机械壳3之间的接触面也不再平行，同样可以在螺钉2和机械壳3之间插入一组角度垫片4，该角度垫片4不影响光学元件2的位置，但能够缓解螺钉2压紧过程中可能对机械壳3造成的扭曲应力。

通过替换的厚度垫片调节光学元件在每个螺钉位置的距离间隙，实现了对光学元件位置的调整。在确定了最佳位置后，可以直接紧固螺钉，点胶，完成系统装调。对于一些有力学环境要求的仪器，需要将组合垫片更换为更为可靠的整体垫片，则需要测量每个螺钉位置组合垫片的厚度，制作尺寸相同的整体垫片，再装配整体垫片，完成装调步骤。

本发明的光机装调方法经分析验证有效；具体的，在装调折反式R-C望远镜系统中应用，由于组合垫片的使用，可以很方便的调节次镜和校正镜组的空间位置，使得装调过程难度大大降低，系统像质满足指标要求。

具体的应用中，折反式R-C望远镜系统，由主镜、次镜、校正镜组三部分组成，光线经由主镜反射至次镜，经次镜反射后进入校正镜组，最终成像在焦平面位置，合理的装调工艺要求先调好主次镜系统，再装配校正镜组。装调主、次镜系统时，固定主镜，调整次镜的位置，理论上需要主镜的焦点和次镜的焦点重合，但是主次镜的焦点看不到，只能通过不断的调整次镜的位置，观察主次镜的成像效果来判断主次镜的焦点是否重合；先把主镜安装在仪器框架上，次镜和仪器框架安装面之间设计有垫片空隙，将次镜连同可调组合垫片安装在仪器框架上，通过组合垫片中的厚度垫片，调节主次镜间的相对距离，通过单个螺钉处高度的变化，调节主镜和次镜间相对角度，直到达到最优的成像效果；相同的方法用来装调校正镜组，将校正镜组连同组合垫片装配到仪器框架上，组合垫片控制校正镜组与主次镜系统间的距离和角度，直至达到最好的成像效果；从而实现折反式R-C望远镜系统的有效装调。

在其他的实施方式中，本发明的自适应组合垫片适用于所有小型的、反射式光学仪器的装调，例如C-T光学系统结构的光谱仪，同轴、或者离轴的两反或者三反系统望远镜等，在仪器结构设计时，为反射镜的装调预留可调垫片的空间，就可以使用本发明的自适应组合垫片对光机结构进行装调。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种用于光机装调的自适应组合垫片，其特征在于，所述自适应组合垫片包括厚度垫片和角度垫片，所述厚度垫片与所述角度垫片的端面相互接触；所述厚度垫片为圆柱形垫片，所述角度垫片包括球头片和锥座片；所述球头片可在所述锥座片内任意小角度旋转，用以改变所述球头片的上平面和所述锥座片的下平面之间的角度。

2.根据权利要求1所述的自适应组合垫片，其特征在于，所述小角度的角度范围为0度～2度。

3.根据权利要求1所述的自适应组合垫片，其特征在于，所述厚度垫片的可调整厚度范围为3mm～5mm。

4.根据权利要求1所述的自适应组合垫片，其特征在于，所述球头片窝在所述锥座片中，所述球头片的球面与所述锥座片的锥面相互接触并压紧。

5.根据权利要求1所述的自适应组合垫片，其特征在于，所述球头片的工作面为凸球面，所述锥座片包括凹锥面，所述凹锥面与所述凸球面配合使用。

6.一种光机装调方法，其特征在于，所述光机装调方法通过权利要求1～5任意一项所述的自适应组合垫片实现。

7.根据权利要求6所述的光机装调方法，其特征在于，所述光机装调方法包括步骤：

S1.使用螺钉连接光学元件的金属壳和仪器框架，在每个螺钉位置处的界面，均插入一组组合垫片，所述组合垫片为权利要求1～6任意一项所述的自适应组合垫片；

S2.通过替换所述自适应组合垫片中的厚度垫片，实现光学元件的上下平移；和/或，

通过所述角度垫片自适应安装角度，实现光学元件的倾斜旋转。