光學系統定心定位裝置及其使用方法
2023-06-17 18:01:01
專利名稱：光學系統定心定位裝置及其使用方法
技術領域：
本發明涉及光學系統，特別是一種用於光學系統裝校時的光學系統定心定位裝置及其使用方法。
背景技術：
光學中心偏差是光學儀器製造誤差中一項對整機光學裝配質量影響較大，同時也較難控制的誤差。光學元件中心偏差的存在破壞了光學系統的共軸性，導致成像質量的下降。光學中心間隔誤差是光學儀器製造誤差中的另外一項重要誤差，它的存在直接影響到光學系統的成像性能。
在光學系統的裝校過程中，特別是精密光學系統，如投影光刻機物鏡、航測鏡頭、 幹涉儀標準鏡頭、雷射諧振腔腔長、空間雷射通信地面驗證系統等的裝配過程中，對光學中心偏差和中心間隔都有很嚴格的控制要求。
因此，在光學儀器裝調過程中如何有效解決光學元件的中心偏差和中心間隔誤差是保證光學系統性能的關鍵所在。
在實際工作中，測量光學中心偏差的方法主要有兩種一種是靜止法，另一種是旋轉法。靜止法是以某些測量儀器的視軸為基準，測量各球心自準直像偏離儀器視軸的偏差， 然後進行計算。而旋轉法是以一個精密機械軸係為測量基準軸，將被測系統固定在旋轉軸上，當軸系旋轉時，所有的反射自準像都做劃圓運動，測出各球心自準像相對於劃圓中心的相對位置就得到中心偏差。
測量光學系統各元件的中心間隔主要有兩種方法一種是機械法，另一種是幹涉法。機械法採用接觸的方式測量光學元件的中心厚度和隔圈厚度，通過計算得到光學元件之間的間隔。機械法只能在光學裝校中進行測量，一旦裝校工作完成，就不能測量整個光學系統的中心厚度和空氣間隔了，無法判斷影響成像質量的因素。機械法測量採用間接測量得到光學系統的中心空氣間隔，誤差一般較大。幹涉法是採用麥可遜幹涉的原理進行測量，該方法以非接觸方式，通過光的幹涉，測量光學元件的中心厚度和間隔，其測量精度可達納米級，幹涉法在裝校過程中和裝校完成後都可以進行中心厚度和間隔的測量。
目前，市場上有很多商品化的光學中心偏差測量儀，一般用於照相機鏡頭、攝像鏡頭等小型光學元件。對於投影光刻機物鏡、航測鏡頭等高精度、大型光學儀器的光學中心偏差測量儀，只有國外少數公司可以製造，且價格非常昂貴。雖然，國內有單位研製了光學定心儀，但未形成商品化的產品。將光學中心偏差測量與光學中心厚度和間隔測量集成於一體的光學定心定位裝置，在目前市場上還沒有成熟的產品出現。有些單位是分別採購不同公司的光學定心儀和光學定位儀，通過一些裝置將它們機械地合併在一起，這樣必然大大提高採購成本。此外，市場上商品化的白光光纖幹涉儀在測量過程中，只能通過觀察探測到反射光束信號的強弱來判斷兩個光軸的對準狀態，無法監視測量光束光軸和被檢光學系統光軸的對準狀態，無法使其測量光束光軸和被檢光學系統光軸精確對準，帶來測量信號弱， 不易探測，操作不便等問題。
由於工作環境的需求，一些光學系統需要採用光軸和地面平行的臥式姿態工作， 或以其它複雜姿態放置，裝配這些光學系統必然要考慮光學元件自身重力帶來的中心偏差。目前，市場上銷售的高精度中心偏差測量儀一般採用立式旋轉反射法，無法有效測量這些光學系統的中心偏差問題，如神光裝置、空間雷射通訊地面驗證系統、光刻機照明系統等大型光學裝置中都存在的大量臥式工作系統。發明內容
針對上述現有技術存在的不足，本發明要解決的技術問題是提供一種光學系統定心定位裝置及其使用方法，該裝置在光學裝校過程中能夠同時測量光學元件的中心偏差、中心厚度和中心間隔，對光學系統進行定心定位的裝置，該裝置適用於臥式或具有轉折光軸等複雜工作姿態同軸光學系統的裝配調試，同時還可推廣應用到旋轉反射法光學系統的定心定位裝配、光學透鏡中心偏差和中心厚度的測量、光學透鏡的膠合、光學透鏡的定心磨邊、精密角度測量、精密位置測量等。
本發明的技術解決方案如下
一種光學系統定心定位裝置，特點在於其構成包括內調焦望遠鏡、白光光纖幹涉儀、電子學部分、計算機、調整架、導軌和光學平臺，上述元部件的位置關係如下
所述的白光光纖幹涉儀、電子學部分、計算機和導軌置於所述的光學平臺上，所述的內調焦望遠鏡置於所述的調整架上，所述的調整架為一個四維調整架，用於調整所述的內調焦望遠鏡的高低、左右位移和俯仰、方位傾斜，所述的調整架置於所述的導軌上，所述的調整架在所述的導軌上移動，用於調節所述的內調焦望遠鏡的軸向移動；
所述的內調焦望遠鏡由光源、聚光鏡組、稜鏡、場鏡分劃板、調焦鏡組、固定鏡組、 分光鏡、中繼透鏡和CXD探測器組成，所述的固定鏡組、調焦鏡組、場鏡分劃板、分光鏡、中繼透鏡和CCD探測器構成內調焦望遠鏡的光軸；
所述的白光光纖幹涉儀的光纖耦合鏡組與所述的內調焦望遠鏡的分光鏡、場鏡分劃板共光軸，該白光光纖幹涉儀具有對共光軸的光學系統自動掃描測量各個透鏡的中心厚度和中心間隔的功能；
所述的光源發出的光，經聚光鏡組的會聚，稜鏡的反射，照明場鏡分劃板，場鏡分劃板的像經調焦鏡組和固定鏡組成像於無窮遠處，當待測光學系統的被檢表面的球心正好處於場鏡分劃板的像的位置時，該被檢表面的反射光又經過所述的固定鏡組、調焦鏡組成像在場鏡分劃板的表面上，該像再經過所述的分光鏡反射，中繼透鏡會聚成像在所述的CCD 探測器的探測面上，稱為物像，所述的場鏡分劃板本身經所述的分光鏡反射、中繼透鏡會聚將成像在所述的CCD探測器的探測面的中心，稱為場鏡分劃板像；
所述的電子學部分用於控制內調焦望遠鏡中調焦鏡組和中繼鏡組的移動，並記錄位移信息，所述的計算機與所述的電子學部分和所述的CCD探測器相連，控制裝置的協同工作和數據處理。
所述的待測光學系統或待安裝光學系統為無中心遮攔的同軸光學系統，所述的待測光學系統或待安裝光學系統置於所述的光學平臺上。
利用上述的光學系統定心定位裝置進行光學系統中心偏差和中心厚度與中心間隔的測量方法，其特點在於該方法包括下列步驟〔0019〕 ①在所述的光學系統定心定位裝置的光學平臺上固定好待測光學系統，使待測光 學系統的光軸大致與光學系統定心定位裝置的內調焦望遠鏡的光軸基本一致，啟動光學系 統定心定位裝置；
〔0020〕 ②通過伺服電機驅動，移動內調焦望遠鏡中的調焦鏡組，使場鏡分劃板通過調焦 鏡組和固定鏡組成像到待測光學系統的第一片透鏡的第一表面的球心，第一表面的反射 光，依次經固定鏡組、調焦鏡組、場鏡分劃板、分光鏡、中繼透鏡會聚成像在沈0探測器獲得 清晰的第一表面的物像^ ；同時，場鏡分劃板經分光鏡、中繼透鏡組會聚成像在沈0探測器 視場中心形成場鏡分劃板像&，調節所述的調整架使第一個表面的物像6與所述的場鏡分 劃板像3重合；
〔0021〕 ③通過伺服電機驅動，移動內調焦望遠鏡中的調焦鏡組，使場鏡分劃板成像到被 檢光學系統第一片透鏡的第二個表面的球心，該第二個表面的反射光，依次經固定鏡組、調 焦鏡組、場鏡分劃板、分光鏡、中繼透鏡會聚成像在沈0探測器獲得清晰的第二個表面的物 像6 ；調節調整架使待測光學系統的第二個表面的物像6與位於(⑶探測器視場中心的場 鏡分劃板的像3重合；
〔0022〕 ④重複上述步驟②和步驟③使待測光學系統第一個表面的物像13和第二個表面 的物像6都和(⑶探測器視場中心的場鏡分劃板像3重合；這時所述的內調焦望遠鏡的光 軸與被檢光學系統的第一片透鏡的光軸重合，並稱該光軸為基準光軸； 〔0023〕 ⑤通過伺服電機驅動，移動調焦鏡組，使場鏡分劃板成像到待測光學系統的第三 表面的球心；通過光電編碼器測量伺服電機的轉動角度9，已知導軌的導程？，計算固定組
和調焦組之間的距離0 ；通過(⑶探測器採集到場鏡分劃板像3和物像6的圖像，
360
採用質心法通過圖像處理得到場鏡分劃板像3在(⑶探測器上的中心坐標〈X。，和物像 13在(⑶探測器上的中心坐標〈X，丫)，已知(⑶探測器的像素大小？!I，利用下列公式計算被 待測光學系統的第三表面反射的物像6與位於沈0探測器視場中心的場鏡分劃板像3之間 的距離(『
〔0024〕
權利要求
1.一種光學系統定心定位裝置，特徵在於其構成包括內調焦望遠鏡(01)、白光光纖幹涉儀(02)、電子學部分(03)、計算機(04)、調整架(05)、導軌(06)和光學平臺(07)，上述元部件的位置關係如下所述的白光光纖幹涉儀(0 、電子學部分(03)、計算機(04)和導軌(06)置於所述的光學平臺(07)上，所述的內調焦望遠鏡(01)置於所述的調整架(0 上，所述的調整架(0 為一個四維調整架，用於調整所述的內調焦望遠鏡(01)的高低、左右位移和俯仰、 方位傾斜，所述的調整架(0 置於所述的導軌(06)上，所述的調整架(0 在所述的導軌 (06)的移動，用於調節所述的內調焦望遠鏡(01)的軸向移動；所述的內調焦望遠鏡(01)由光源(101)、聚光鏡組(102)、稜鏡(103)、場鏡分劃板 (104)、調焦鏡組(105)、固定鏡組(106)、分光鏡(107)、中繼透鏡(108)和CCD探測器(109) 組成，所述的固定鏡組(106)、調焦鏡組(105)、場鏡分劃板(104)、分光鏡(107)、中繼透鏡 (108)和CCD探測器(109)構成內調焦望遠鏡(01)的光軸；所述的白光光纖幹涉儀(0 的光纖耦合鏡組(20 與所述的內調焦望遠鏡(01)的分光鏡(107)、場鏡分劃板(104)共光軸，該白光光纖幹涉儀(0 具有對共光軸的光學系統自動掃描測量各個透鏡的中心厚度和中心間隔的功能；所述的光源(101)發出的光，經聚光鏡組(102)的會聚，稜鏡(103)的反射，照明場鏡分劃板(104)，場鏡分劃板(104)的像經調焦鏡組(10 和固定鏡組(106)成像於無窮遠處，當待測光學系統(08)的被檢表面的球心正好處於場鏡分劃板(104)的像的位置時，該被檢表面的反射光又經過所述的固定鏡組(106)、調焦鏡組(10 成像在場鏡分劃板(104) 的表面上，該像再經過所述的分光鏡(107)反射，中繼透鏡(108)會聚成像在所述的C⑶探測器(109)的探測面上，稱為物像，所述的場鏡分劃板(104)經所述的分光鏡(107)反射、 中繼透鏡(108)會聚將成像在所述的CCD探測器(109)的探測面的中心，稱為場鏡分劃板像；所述的電子學部分(03)用於控制內調焦望遠鏡01中調焦鏡組和中繼鏡組的移動，並記錄位移信息，所述的計算機(04)與所述的電子學部分(0 和所述的CCD探測器(109) 相連，控制裝置的協同工作和數據處理。
2.根據權利要求1所述的光學系統定心定位裝置，其特徵在於被檢光學系統(08)為無中心遮攔的同軸光學系統，該被檢光學系統(08)置於所述的光學平臺(07)上。
3.利用權利要求1所述的光學系統定心定位裝置進行光學系統中心偏差和中心厚度與中心間隔的測量方法，其特徵在於該方法包括下列步驟①在所述的光學系統定心定位裝置的光學平臺(07)上固定好待測光學系統(08)，使待測光學系統(08)的光軸大致與光學系統定心定位裝置的內調焦望遠鏡的光軸基本一致，啟動光學系統定心定位裝置；②通過伺服電機驅動，移動內調焦望遠鏡中的調焦鏡組(105)，使場鏡分劃板(104)通過調焦鏡組(10 和固定鏡組(106)成像到待測光學系統(08)的第一片透鏡的第一表面的球心，第一表面的反射光，依次經固定鏡組(106)、調焦鏡組(105)、場鏡分劃板(104)、分光鏡(107)、中繼透鏡(108)會聚成像在CXD探測器(109)獲得清晰的第一表面的物像b ； 同時，場鏡分劃板(104)經分光鏡(107)、中繼透鏡組會聚成像在CXD探測器(109)視場中心形成場鏡分劃板像a，調節所述的調整架(0 使第一個表面的物像b與所述的場鏡分劃CN 102538689 A板像a重合；③通過伺服電機驅動，移動內調焦望遠鏡中的調焦鏡組(105)，使場鏡分劃板(104)成像到被檢光學系統第一片透鏡的第二個表面的球心，該第二個表面的反射光，依次經固定鏡組(106)、調焦鏡組(105)、場鏡分劃板(104)、分光鏡(107)、中繼透鏡(108)會聚成像在 CCD探測器(109)獲得清晰的第二個表面的物像b ；調節調整架(0 使待測光學系統(08) 的第二個表面的物像b與位於CCD探測器視場中心的場鏡分劃板的像a重合；④重複上述步驟②和步驟③使待測光學系統(08)第一個表面的物像b和第二個表面的物像b都和CCD探測器視場中心的場鏡分劃板像a重合；這時所述的內調焦望遠鏡的光軸與被檢光學系統的第一片透鏡的光軸重合，並稱該光軸為基準光軸；⑤通過伺服電機驅動，移動調焦鏡組，使場鏡分劃板成像到待測光學系統(08)的第三表面的球心；通過光電編碼器測量伺服電機的轉動角度θ，已知導軌的導程P，計算固定組和調焦組之間的距離e =-I-Xi3 ；通過CXD探測器採集到場鏡分劃板像a和物像b的圖像，360採用質心法通過圖像處理得到場鏡分劃板像a在CXD探測器上的中心坐標OCtl，Y0)和物像 b在CXD探測器上的中心坐標(X，Y)，已知CXD探測器的像素大小ΡΗ，利用下列公式計算被待測光學系統(08)的第三表面反射的物像b與位於CCD探測器視場中心的場鏡分劃板像 a之間的距離C'C=^(X-X0)2+(Y-Y0)2XPH;其中固定組的焦距f/，調焦組的焦距f2'，固定組到場鏡分劃板的距離L，中繼透鏡的倍率^為已知；利用下列公式計算出待測光學系統(08)的第三光學表面與基準光軸的中心偏差；當第三光學表面為球面時，其中心偏差為該光學表面球心到基準光軸的距離，C=C= C _ 1 _/i '/2__(7)"2^" 2βα ·βκ~2βκ J1 '.(/2 '+e-L)-L-(f2 '-e) - e2當第三光學表面是平面時，其中心偏差為該表面的法線和基準光軸的夾角，2/ο'Λ 2/』ζ 2βκ Z1'-Z2 『⑥重複步驟⑤，移動調焦鏡組，使場鏡分劃板成像到待測光學系統(08)的第四表面， 第五表面，…，最後表面的球心，分別測量計算出被檢表面與基準光軸的中心偏差；⑦利用白光光纖幹涉儀的自動掃描測量各個透鏡的中心厚度和中心間隔。
4.利用權利要求1所述的光學系統定心定位裝置在光學系統裝配時對待裝光學系統進行光學定心定位的方法，包括下列步驟①在所述的光學系統定心定位裝置的光學平臺(07)上固定好待裝光學系統(08)的第一片透鏡，使待裝光學系統(08)的光軸大致與光學系統定心定位裝置的內調焦望遠鏡的光軸基本一致，啟動光學系統定心定位裝置；②通過伺服電機驅動，移動內調焦望遠鏡中的調焦鏡組(105)，使場鏡分劃板(104)通過調焦鏡組(10 和固定鏡組(106)成像到第一片透鏡的第一表面的球心，第一表面的反射光，依次經固定鏡組(106)、調焦鏡組(105)、場鏡分劃板(104)、分光鏡(107)、中繼透鏡 (108)會聚成像在CCD探測器(109)獲得清晰的第一表面的物像b ；同時，場鏡分劃板(104)經分光鏡(107)、中繼透鏡組會聚成像在CXD探測器(109)視場中心的場鏡分劃板像a，調節所述的調整架(0 使第一個表面的物像b與所述的場鏡分劃板像a重合；③通過伺服電機驅動，移動調焦鏡組(105)，使場鏡分劃板(104)成像到被檢光學系統第一片透鏡的第二個表面的球心，該第二個表面的反射光，依次經固定鏡組(106)、調焦鏡組(105)、場鏡分劃板(104)、分光鏡(107)、中繼透鏡(108)會聚成像在CCD探測器(109) 獲得清晰的第二個表面的物像b ；調節調整架05使第二個表面的物像b與位於CCD探測器視場中心的場鏡分劃板的像a重合；④重複上述步驟②和步驟③使第一個表面物像b和第二個表面的物像b都和CXD探測器視場中心的場鏡分劃板像a重合；這時內調焦望遠鏡的光軸與被檢光學系統的第一片透鏡的光軸重合，並稱該光軸為基準光軸；⑤根據第二片透鏡與第一片透鏡的設計的間距安裝第二片透鏡；⑥重複上述步驟②和步驟③，調整所述的第二片透鏡，使第二片透鏡的兩個表面的物像b均與位於CXD探測器視場中心的場鏡分劃板像a重合，完成第二片透鏡的定心；⑦用白光光纖幹涉儀測量第一片透鏡與第二片透鏡的中心間隔，當測量的中心間隔的誤差在設計公差範圍內，不做調整，即進入步驟⑧，當測量的中心間隔的誤差超出設計公差範圍，返回步驟⑤；⑧根據第三片透鏡與第二片透鏡的設計的間距安裝並調整第三片透鏡，重複上述步驟 ⑥和步驟⑦；⑨依次類推，完成光學系統的定心定位。
全文摘要
一種光學系統定心定位裝置及其使用方法，該裝置的構成包括內調焦望遠鏡、白光光纖幹涉儀、電子學部分、計算機、調整架、導軌和光學平臺，本發明裝置在光學裝校過程中能夠同時測量光學元件的中心偏差、中心厚度和中心間隔，對光學系統進行定心定位的裝置，該裝置適用於臥式或具有轉折光軸等複雜工作姿態同軸光學系統的裝配調試，同時還可推廣應用到旋轉反射法光學系統的定心定位裝配、光學透鏡中心偏差和中心厚度的測量、光學透鏡的膠合、光學透鏡的定心磨邊、精密角度測量、精密位置測量等。
文檔編號G01B11/26GK102538689SQ20111045294
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月29日 優先權日2011年12月29日
發明者曾愛軍, 朱菁, 楊寶喜, 肖豔芬, 胡中華, 謝承科, 陳明, 黃惠傑 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所