阅读说明：本技术 一种含有中继镜组的折反式共孔径系统定心装调方法 (Catadioptric common-aperture system centering assembly and adjustment method containing relay lens group ) 是由 左晓舟 惠刚阳 张燕 刘伟光 刘欣 石凯 马爱秋 于 2019-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明属于高成像质量光学系统精密装调技术领域,公开了一种含有中继镜组的折反式共孔径系统定心装调方法。本发明校正中继镜组装配位置误差的定心装调方法,通过建立共孔径系统定心装调基准,利用关键金工件的特征部位实现了基准的转换,整个定心装调过程均使用同一基准,保证了定心精度；各透镜组装入中继镜筒后光学间隔无需二次调校,且提出了多组片中继镜组定心过程中光轴的选定方法,保证了系统定心的正确性；利用色差传感器根据测量信号的变化轨迹解算主镜的偏心误差,从而实现对主镜定心装调,相较于现有的打表定心法、激光定心法、球心反射像法,大幅提高了主反射镜光轴的标定精度。(the invention belongs to the technical field of precise assembly and adjustment of an optical system with high imaging quality, and discloses a centering assembly and adjustment method of a catadioptric common-aperture system with a relay lens group. According to the centering assembly and adjustment method for correcting the assembly position error of the relay lens group, the centering assembly and adjustment reference of the common-aperture system is established, the reference conversion is realized by utilizing the characteristic parts of key gold workpieces, the same reference is used in the whole centering assembly and adjustment process, and the centering precision is ensured; optical intervals of all lenses are not required to be secondarily adjusted after the lenses are assembled into the relay lens barrel, and a method for selecting an optical axis in the centering process of the multi-lens relay lens group is provided, so that the centering accuracy of the system is guaranteed; the eccentricity error of the main mirror is calculated by the chromatic aberration sensor according to the change track of the measurement signal, so that the centering and adjustment of the main mirror are realized, and the calibration precision of the optical axis of the main mirror is greatly improved compared with the existing methods of surface centering, laser centering and spherical center reflection imaging.)

一种含有中继镜组的折反式共孔径系统定心装调方法

技术领域

本发明属于高成像质量光学系统精密装调技术领域，涉及一种含有中继镜组的折反式共孔径系统定心装调方法。

背景技术

多光谱共光路光学系统是多波段一体化集成式光电观瞄系统的核心组件，是实现观瞄系统远距离、高分辨力探测的关键。该类型光学系统通常由卡塞格林主、次镜系统与中继镜组构成折反式共孔径系统(望远无焦系统或具有一次像面的有焦系统)，如图1所示。此后通过分光镜进行光谱分光，使红外波段、电视波段各自成像。显而易见，由卡式系统与中继镜组构成的前端共孔径系统的装调质量是保证整个光学系统成像质量的关键。针对该系统的常规装调方法，主要是保证卡赛格林主、次镜系统中两个反射镜的光轴严格重合，使卡式系统的波像差符合设计要求。例如发明专利“一种R-C折反式系统光机装调方法”，专利号201510776913.7；发明专利“卡氏光学组件装调方法”，专利号201710447501.8；以及2011年9月于《激光与红外工程》发表的《小F数卡赛格林系统装调技术》论文等，均介绍了一些关于主、次镜系统的装调方法。

但在产品的实际装调过程中，申请人发现在保证主、次镜系统装调要求的基础上，装配集成中继镜组与后端红外、电视成像通道之后，各通道的成像质量与光轴指向仍与设计预期存在较大的偏差。通过分析，发现该问题主要由中继镜组的装配位置误差引起。由于中继镜组的焦距远小于卡式系统，其位置误差将使系统的光轴偏差产生成倍的放大，导致入射光以非主光线的轴外光形式进入后端传感器通道，从而引起成像质量的下降与光轴的偏离。上述专利、文献并未提出解决中继镜组装配位置误差的思路与方法。

2011年7月于《光电工程》发表的《卡赛格林红外光学系统装调技术研究》一文，提出了一种含有中继镜组的卡式系统装调方法，该方法与本发明的根本区别在于，论文中在主次镜系统焦面位置放置十字分划板，以十字分划像随转台转动的划圆情况来判断主次镜系统的光轴，在此基础上装配中继镜组，中继镜组以上下表面进行双面定心，该方法存在以下问题：

1.将引入十字分划板在主次镜焦面位置的定位误差，且焦点位置也并非是主次镜系统真正的光轴；

2.中继镜组通常为包含两片以上透镜的多镜组，该组件自身的偏心误差也是整个系统在装配集成后的误差源之一。在此基础上，中继镜组上、下两表面的球心像连线不能代表多镜组的最佳光轴，因此也并未真正校正中继镜组装配的位置误差。

另外，含有中继镜组的折反式共孔径系统在光学设计阶段有时也会采用整体优化的方式，此时主、次镜系统不再完善成像，也就无法在干涉仪上首先完成主、次镜系统的装调，对于该问题，目前尚未发现提出解决措施或方法的公开报道。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：解决目前针对含有中继镜组的折反式共孔径系统装调技术中存在的问题，为实现折反式共孔径系统的装调提供一种高精度、高效率的方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种含有中继镜组的折反式共孔径系统定心装调方法，其包括以下步骤：

步骤1：以主镜框端面与主镜安装内孔轴线为基准，对主镜进行定心装配，形成主镜组件，使主镜光轴与主镜框基准轴线同轴；

步骤2：分别以中继镜组中各透镜组的光轴为基准加工透镜组镜框外圆及端面，保证各透镜光轴与对应镜框机械轴线重合，将各透镜组装入中继镜筒中；

步骤3：将主镜组件架设于中心偏测量仪转台之上，找正主镜框端面与基准内孔，此时主镜光轴与中心偏测量仪转台转轴重合；

步骤4：将中继镜组以中继镜筒的端面为基准装配于主镜框之上，用中心偏测量仪测量中继镜组光轴与转台转轴的偏心误差，通过平移及修垫调整中继镜组的安装位置，使中继镜组光轴与转台转轴的偏心差符合设计预期值；

步骤5：将标准平面镜架设于激光干涉仪前，使标准平面镜端面与干涉仪光轴垂直；将主镜组与次镜组装入镜架中构成主、次镜系统，将主、次镜系统架设于干涉仪与标准平面镜之间，将以主镜框端面为基准调整镜架，使干涉仪光轴与主镜框端面垂直，调整次镜空间位置，使干涉仪测得的共孔径系统波像差符合设计预期值，至此完成折反式共孔径系统的定心装调。

其中，所述步骤1中，主镜框的结构为中空型式，且在其背面设计有1mm厚的环形圆周凸台，孔基准与凸台垂直度、凸台与主镜安装面的平行度优于设定值。

其中，所述步骤1中，利用色差传感器对主镜进行定心。

其中，所述步骤1中，色差传感器接收输出光经主镜表面反射后的测量信号，该测量信号表征色差传感器与测量点之间的距离，主镜转动一周，所测得的一组测量信号之间的偏差值优于设定允差值，则表明主镜偏心校正完成。

其中，所述步骤2中，车削加工透镜组镜框，同时保证镜框端面与透镜球面顶点的间距满足设计预定值.

其中，所述步骤2中，中继镜筒中透镜组框的安装端面与其装配基准面11-1平行，平行度优于设定值。

其中，所述步骤4中，利用中心偏测量仪分别找到中继镜组若干透镜的球心像中在光轴方向间距最大的两个球心像点，以两点的连线作为中继镜组的光轴进行定心。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的含有中继镜组的折反式共孔径系统定心装调方法，具有以下优点：

1、本发明校正中继镜组装配位置误差的定心装调方法，通过建立共孔径系统定心装调基准，利用关键金工件的特征部位实现了基准的转换，整个定心装调过程均使用同一基准，保证了定心精度。

2、针对中继镜组，利用本发明所述方法，各透镜组装入中继镜筒后光学间隔无需二次调校，且提出了多组片中继镜组定心过程中光轴的选定方法，保证了系统定心的正确性。

3、本发明解决了主、次镜非完善成像的折反式共孔径系统装调难题，该方法同样适用于非完善成像主、次镜系统的补偿装调过程。

4、在本发明中，利用色差传感器根据测量信号的变化轨迹解算主镜的偏心误差，从而实现对主镜定心装调，相较于现有的打表定心法、激光定心法、球心反射像法，大幅提高了主反射镜光轴的标定精度。

5、本发明采用中心偏测量仪、激光干涉仪等常见标准设备实现装调，装调与测量光路简单，操作方便。

附图说明

图1是本发明的装调对象——某含有中继镜组的折反式共孔径系统示意图

图2是图1中所示主镜组件的示意图。

图3是主镜组件定心装调的系统图。

图4是图1中所示中继镜组的示意图。

图5是图4中所示各透镜组反射球心像的位置示意图。

图中：1、主镜组件；2、次镜组件；3、中继镜组；4、支撑筒；5、非球面主镜；6、主镜框；7、色差传感器；8、精密转台；11、中继镜筒；12、第一透镜组；13、第二透镜组；14、第三透镜组。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明含有中继镜组的折反式共孔径系统定心装调方法包括以下步骤：

步骤1：以主镜框端面与主镜安装内孔轴线为基准，对主镜进行定心装配，形成主镜组件，使主镜光轴与主镜框基准轴线同轴；

步骤2：分别以中继镜组中各透镜组的光轴为基准加工透镜组镜框外圆及端面，保证各透镜光轴与对应镜框机械轴线重合，将各透镜组装入中继镜筒中；

步骤3：将主镜组件架设于中心偏测量仪转台之上，找正主镜框端面与基准内孔，此时主镜光轴与中心偏测量仪转台转轴重合；

步骤4：将中继镜组以中继镜筒的端面为基准装配于主镜框之上，用中心偏测量仪测量中继镜组光轴与转台转轴的偏心误差，通过平移及修垫调整中继镜组的安装位置，使中继镜组光轴与转台转轴的偏心差符合设计预期值；

步骤5：将标准平面镜架设于激光干涉仪前，使标准平面镜端面与干涉仪光轴垂直；将主镜组与次镜组装入镜架中构成主、次镜系统，将主、次镜系统架设于干涉仪与标准平面镜之间，将以主镜框端面为基准调整镜架，使干涉仪光轴与主镜框端面垂直，调整次镜空间位置，使干涉仪测得的共孔径系统波像差符合设计预期值，至此完成折反式共孔径系统的定心装调。

所述步骤1中，主镜框的结构设计为中空型式，且在其背面设计有1mm厚的环形圆周凸台，孔基准与凸台垂直度、凸台与主镜安装面的平行度优于设定值。

所述步骤1中，利用色差传感器对主镜进行定心，色差传感器接收输出光经主镜表面反射后的测量信号，该测量信号表征色差传感器与测量点之间的距离，主镜转动一周，所测得的一组测量信号之间的偏差值优于设定允差值，如1μm，则表明主镜偏心校正完成；该步骤用于保证主镜装在主镜框中的定心精度。

所述步骤2中，车削加工透镜组镜框，同时保证镜框端面与透镜球面顶点的间距满足设计预定值；中继镜筒中透镜组框的安装端面与其装配基准面11-1平行，平行度优于设定值。

所述步骤4中，利用中心偏测量仪分别找到中继镜组若干透镜的球心像中在光轴方向间距最大的两个球心像点，以两点的连线作为中继镜组的光轴进行定心。

实施例

如图1所示，为某含有中继镜组的折反式共孔径系统，由主镜组件1、次镜组件2、中继镜组3、支撑筒4组成。

所述主镜组件1如图2所示，包括非球面主镜5、主镜框6。其中主镜框6的结构设计为中空型式，且在其背面设计有1mm的环形圆周凸台6-1，同时具有基准端面6-2与基准孔6-3，用于整个定心装调过程中的基准传递；

图3为主镜组件定心装调系统图，包括主镜组件1、色差传感器7、精密转台8。所述色差传感器可将非球面主镜5偏心误差转换为测量信号实时显示于计算机中，并输出信号的变化轨迹，便于指导装调校正。

所述中继镜组3包括中继镜筒11、第一透镜组12、第二透镜组13、第三透镜组14，如图4所示。中继镜筒11具有基准安装平面11-1与基准孔11-2，用于中继镜组装配基准的传递。

所述中继镜组3中三个透镜组共有八个反射球心像，分别为12-1、12-2、12-3、13-1、13-2、13-3、14-1、14-2，其沿光轴方向的位置关系如图5所示。

对含有中继镜组的折反式共孔径系统定心装调的方法包括以下步骤：

步骤1：将主镜框6架设于精密转台8上，以主镜框6端面与主镜安装内孔轴线为基准，利用色差传感器7对主镜进行定心装配形成主镜组件1，保证主镜光轴与主镜框6基准轴线同轴；

步骤2：分别以中继镜组3中各透镜组的光轴为基准加工透镜镜框外圆及端面，保证各透镜光轴与对应镜框机械轴线重合，将各透镜组装入中继镜筒11中；

步骤3：将主镜组件1架设于中心偏测量仪转台之上，找正主镜框端面与基准内孔，此时主镜光轴与中心偏测量仪转台转轴重合；

步骤4：将中继镜组3以中继镜筒11的端面为基准装配于主镜框6之上，用中心偏测量仪测量中继镜组3在光轴方向间距最大的两个球心像点的球心偏，以这两点的连线作为最佳光轴，测量其与转台转轴的偏心误差，通过平移及修垫调整中继镜组的安装位置，使中继镜组3光轴的偏心差符合设计预期值；

步骤5：将标准平面镜架设于激光干涉仪前，使标准镜端面与干涉仪光轴垂直；将主镜组与次镜组装入镜架中构成主、次镜系统，将系统架设于干涉仪与平面镜之间，将以主镜框端面为基准调整镜架，使干涉仪光轴与端面垂直，调整次镜空间位置，使共孔径系统波像差符合设计预期值，至此完成折反式共孔径系统的定心装调。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。