本發(fā)明屬于光機(jī)裝調(diào)技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種用于大口徑非球面反射鏡定心裝調(diào)的裝置及方法。

背景技術(shù)：

信息化條件的戰(zhàn)爭(zhēng)背景下，武器裝備要求其光學(xué)成像、穩(wěn)瞄系統(tǒng)的光譜范圍更寬、作用距離更遠(yuǎn)，因此大口徑非球面反射鏡的設(shè)計(jì)利用率越來越高。相較于傳統(tǒng)球面透射系統(tǒng)，采用非球面反射鏡的光學(xué)系統(tǒng)，其中心偏差對(duì)成像質(zhì)量的影響更加明顯，需要在裝調(diào)階段進(jìn)行嚴(yán)格的控制。與球面光學(xué)元件不同，非球面反射鏡具有“光軸的唯一性”，其光軸即非球面的對(duì)稱軸，如果裝配后非球面光軸與光學(xué)系統(tǒng)的統(tǒng)一基準(zhǔn)軸存在偏差，也就是文中所述的中心偏差，那么便會(huì)破壞非球面反射鏡在光學(xué)系統(tǒng)中的對(duì)稱性，對(duì)系統(tǒng)像質(zhì)帶來嚴(yán)重的影響。因此，需要對(duì)非球面反射鏡進(jìn)行定心裝調(diào)與控制。

目前對(duì)大口徑非球面反射鏡的定心裝調(diào)主要采用兩種方法，一是球心像反射法：參考球面光學(xué)元件的反射式定心方法，利用自準(zhǔn)直光管使非球面頂點(diǎn)的曲率中心或其他環(huán)帶的曲率中心位于參考基準(zhǔn)軸上；二是打表測(cè)量法：利用杠桿百分表分別測(cè)量非球面反射鏡外圓的徑向跳動(dòng)與鏡面某一環(huán)帶的端面跳動(dòng)，通過調(diào)整非球面反射鏡，使跳動(dòng)值小于允差值。上述方法主要存在以下問題：

1.方法一只能找到球心像，對(duì)于表面頂點(diǎn)像無法定位，因此調(diào)整的并非是非球面真正的光軸，即旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸；

2.方法一也會(huì)通過定位非球面上兩個(gè)不同環(huán)帶(區(qū)域)的曲率中心，從而標(biāo)定其對(duì)稱軸，這種方法由于非球面各環(huán)帶之間的曲率相差并不大，各曲率中心的軸向位置相臨很近，導(dǎo)致定心精度很低，無法達(dá)到角秒級(jí)。

3.方法二受限于百分表的測(cè)量精度，引入的測(cè)量誤差較大；且該方法為接觸式測(cè)量法，對(duì)非球面元件具有一定的損傷。

2008年3月于《應(yīng)用光學(xué)》發(fā)表的《拋物面反射鏡光軸的確定》一文中，介紹了一種利用入射平行光束確定拋物面反射鏡光軸的方法，該方法由于采用寬光束入射，當(dāng)反射鏡旋轉(zhuǎn)時(shí)，入射面積內(nèi)各點(diǎn)的實(shí)際法線變化情況并不相同，因此在CCD上很難得到運(yùn)動(dòng)軌跡完整的光斑圖樣；且對(duì)于不同待測(cè)件，入射與反射方向隨機(jī)，CCD接收器件的放置位置并不固定，實(shí)現(xiàn)起來很困難；同時(shí)被測(cè)樣件采用豎直側(cè)掛的安裝方式，對(duì)于大口徑的元件，存在較大的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。同年公開的實(shí)用新型專利“一種非球面透鏡的偏心測(cè)量裝置”，公開號(hào)：CN201096611Y，該專利與上述論文為同一作者，其

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
與論文所述方法相比，將寬光束入射改為了激光光束入射，但存在同樣的光斑接收角度問題與安全問題，在實(shí)際操作中很難實(shí)現(xiàn)。

2008年7月于《光子學(xué)報(bào)》發(fā)表的《非球面干涉定心方法研究》一文中，提出了一種采用干涉測(cè)量原理，觀察干涉圖樣變化判斷偏心誤差的方法，該方法受環(huán)境振動(dòng)影響很大，實(shí)際測(cè)量結(jié)果并不一定準(zhǔn)確，且引入了干涉儀，整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)體積大，架設(shè)困難，無法滿足實(shí)際的試制及批生產(chǎn)高效的需求。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有大口徑非球面反射鏡定心裝調(diào)技術(shù)中存在的問題，為實(shí)現(xiàn)非球面反射鏡的定心裝調(diào)提供一種結(jié)構(gòu)合理、便于操作的裝置，以及一種高精度、高效率的方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

所述一種用于大口徑非球面反射鏡定心裝調(diào)的裝置，其特征在于：由偏心測(cè)量系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組成；

所述偏心測(cè)量系統(tǒng)包括激光發(fā)射與接收分系統(tǒng)、圖像顯示與處理分系統(tǒng)；

所述激光發(fā)射與接收分系統(tǒng)包括紅光半導(dǎo)體激光器、分束立方體、反光鏡、可調(diào)式激光接收物鏡組件、衰減片組件和CCD；所述可調(diào)式激光接收物鏡組件由激光接收物鏡與直線位移導(dǎo)軌組成，導(dǎo)軌可帶動(dòng)激光接收物鏡沿光軸方向在±20mm范圍內(nèi)進(jìn)行平移；所述圖像顯示與處理分系統(tǒng)可將激光光斑圖像實(shí)時(shí)顯示于計(jì)算機(jī)中，通過軟件算法計(jì)算出非球面反射鏡當(dāng)前的中心偏差值；

所述回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括精密回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)與可調(diào)反射鏡組件；所述可調(diào)式反射鏡組件包括平面反射鏡與反射鏡支撐調(diào)節(jié)架，通過一組螺釘固定于回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)上，使平面反射鏡處于轉(zhuǎn)臺(tái)的正上方。

進(jìn)一步的優(yōu)選方案，所述一種用于大口徑非球面反射鏡定心裝調(diào)的裝置，其特征在于：所述激光發(fā)射與接收分系統(tǒng)中，激光器發(fā)射光軸與激光接收光軸平行差不大于0.5mrad；所述可調(diào)式激光接收物鏡組件在全運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的光軸偏移不大于0.5mrad。

進(jìn)一步的優(yōu)選方案，所述一種用于大口徑非球面反射鏡定心裝調(diào)的裝置，其特征在于：所述圖像顯示與處理分系統(tǒng)中的中心偏差測(cè)量軟件可輸入待調(diào)非球面反射鏡的光學(xué)參數(shù)，顯示輸出激光光斑的實(shí)時(shí)坐標(biāo)、運(yùn)動(dòng)軌跡、軌跡中心點(diǎn)，并計(jì)算出非球面反射鏡的中心偏差值。

進(jìn)一步的優(yōu)選方案，所述一種用于大口徑非球面反射鏡定心裝調(diào)的裝置，其特征在于：所述精密回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)同時(shí)具備x軸、y軸平移與繞x軸、y軸傾斜的調(diào)節(jié)功能；所述平面反射鏡可作繞z、y軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)角度范圍為±15°。

所述一種利用上述裝置對(duì)大口徑非球面反射鏡定心裝調(diào)的方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟1：將非球面反射鏡組件放置固定于精密回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)的調(diào)節(jié)手輪調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)的姿態(tài)，使非球面反射鏡組件的裝配基準(zhǔn)軸(鏡框外圓柱與安裝面的機(jī)械基準(zhǔn)線)與轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)軸重合；

步驟2：打開偏心測(cè)量系統(tǒng)主電源，打開激光器電源，目視觀察激光光束在平面反射鏡鏡面上的入射光斑，以及激光光束經(jīng)平面反射鏡、待調(diào)非球面反射鏡表面反射后在平面反射鏡鏡面上的出射光斑，通過調(diào)節(jié)可調(diào)反射鏡組件中的調(diào)節(jié)螺桿，使上述兩個(gè)光斑位置重合；

步驟3：打開中心偏差測(cè)量軟件，在軟件界面中輸入非球面反射鏡的各項(xiàng)光學(xué)參數(shù)；

步驟4：點(diǎn)擊軟件中的“采集圖像”，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)3～5圈，此時(shí)激光光斑在軟件的圖像顯示區(qū)域內(nèi)按圓形軌跡運(yùn)動(dòng)，點(diǎn)擊“顯示擬合結(jié)果”，此時(shí)軟件會(huì)顯示出運(yùn)動(dòng)軌跡的擬合圓及其圓心，點(diǎn)擊“顯示測(cè)量結(jié)果”，軟件會(huì)給出此時(shí)非球面反射鏡中心偏差值；

步驟5：點(diǎn)擊軟件中的“開始調(diào)?！?，通過平移、傾斜調(diào)整非球面反射鏡相對(duì)鏡框的位置，使激光光斑的中心與運(yùn)動(dòng)軌跡擬合圓圓心重合，點(diǎn)擊“顯示偏差”，得出此時(shí)非球面反射鏡中心偏差值；

步驟6：重復(fù)步驟4、步驟5，直至非球面中心偏差測(cè)量值小于允差值。

有益效果

本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(一)本發(fā)明采用準(zhǔn)直性良好的激光光束進(jìn)行表面反射測(cè)量，能夠找到非球面反射鏡的光軸(旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸)，利用CCD成像系統(tǒng)進(jìn)行接收，大大提高了測(cè)量與裝調(diào)精度，且整個(gè)過程為非接觸式無損測(cè)量。

(二)在本發(fā)明中，待調(diào)反射鏡為立式放置，因此不受反射鏡口徑與重量限制，在降低裝調(diào)與技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)，擴(kuò)大了裝置的測(cè)量適用范圍。

(三)本發(fā)明的中心偏差測(cè)量軟件針對(duì)光機(jī)裝調(diào)實(shí)驗(yàn)與操作人員進(jìn)行專門的開發(fā)與設(shè)計(jì)，界面人性化、直觀，方便操作。

(四)在本發(fā)明中，通過可調(diào)式反射鏡組件，可快速調(diào)整使激光入射與出射光束重合，對(duì)測(cè)量裝置相對(duì)于非球面反射鏡的入射角度沒有限制，找像操作很方便，同時(shí)，偏心測(cè)量系統(tǒng)與回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立，可適應(yīng)加工、裝調(diào)、試驗(yàn)等各種現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境。

附圖說明

圖1是本發(fā)明大口徑非球面反射鏡定心裝調(diào)裝置的示意圖。

圖2是圖1中所示激光發(fā)射與接收分系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)示意圖。

圖3是圖1中所示回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是激光光斑圖像處理算法流程。

圖5是激光光斑運(yùn)動(dòng)軌跡與調(diào)校過程的示意圖。

圖6是平面反射鏡上激光光束入射與出射光斑位置的示意圖。

圖7是中心偏差測(cè)量軟件界面的示意圖。

圖中：1、偏心測(cè)量系統(tǒng)；2、回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)；3、激光發(fā)射與接收分系統(tǒng)；4、圖像顯示與處理分系統(tǒng)；5、紅光半導(dǎo)體激光器；6、分束立方體；7、反光鏡；8、可調(diào)式激光接收物鏡；9、衰減片；10、CCD；11、精密回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)；13、平面反射鏡；14、反射鏡支撐調(diào)節(jié)架；15、激光光斑運(yùn)動(dòng)軌跡；16、軌跡中心點(diǎn)；17、激光入射光斑；18、激光出射光斑。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例描述本發(fā)明：

針對(duì)現(xiàn)有的大口徑非球面反射鏡定心裝調(diào)技術(shù)中存在的問題，為實(shí)現(xiàn)非球面反射鏡的定心裝調(diào)，本實(shí)施例提供一種結(jié)構(gòu)合理、便于操作的裝置，以及一種高精度、高效率的方法。

如圖1所示，該非球面反射鏡定心裝調(diào)裝置，由偏心測(cè)量系統(tǒng)1和回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)2組成。

所述偏心測(cè)量系統(tǒng)1包括激光發(fā)射與接收分系統(tǒng)3、圖像顯示與處理分系統(tǒng)4；

所述激光發(fā)射與接收分系統(tǒng)3包括紅光半導(dǎo)體激光器5、分束立方體6、反光鏡7、可調(diào)式激光接收物鏡8、衰減片9和CCD10；本實(shí)施例中要求激光器發(fā)射光軸與激光接收光軸平行差不大于0.5mrad；

所述可調(diào)式激光接收物鏡8可沿光軸方向在±20mm范圍內(nèi)進(jìn)行平移，且在全運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的光軸偏移不大于0.5mrad；；

如圖5所示，所述圖像顯示與處理分系統(tǒng)4可將激光光斑14的圖像實(shí)時(shí)顯示于計(jì)算機(jī)中，并輸出激光光斑的運(yùn)動(dòng)軌跡15、軌跡中心點(diǎn)16，通過軟件算法計(jì)算出非球面反射鏡當(dāng)前的中心偏差值；

如圖3所示，所述回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)2包括精密回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)11與可調(diào)反射鏡組件；所述可調(diào)式反射鏡組件12包括平面反射鏡13與反射鏡支撐調(diào)節(jié)架14，通過一組螺釘固定于回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)11上，使平面反射鏡13處于轉(zhuǎn)臺(tái)的正上方；本實(shí)施例中要求精密回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)11同時(shí)具備x軸、y軸平移與繞x軸、y軸傾斜的調(diào)節(jié)功能，平面反射鏡13可作繞z、y軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)角度范圍為±15°。如圖3所示，XYZ三軸組成笛卡爾坐標(biāo)系，Z軸為精密回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)11回轉(zhuǎn)軸。

利用上述裝置，對(duì)大口徑非球面反射鏡定心裝調(diào)的方法包括以下步驟：

步驟1：將非球面反射鏡組件放置固定于精密回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)上，通過回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)的調(diào)節(jié)手輪調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)的姿態(tài)，使非球面反射鏡組件的裝配基準(zhǔn)軸(鏡框外圓柱與安裝面的機(jī)械基準(zhǔn)線)與轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)軸重合；

步驟2：打開偏心測(cè)量系統(tǒng)主電源，打開激光器電源，目視觀察激光光束在平面反射鏡鏡面上的入射光斑，以及激光光束經(jīng)平面反射鏡、待調(diào)非球面反射鏡表面反射后在平面反射鏡鏡面上的出射光斑，如圖6所示，通過調(diào)節(jié)可調(diào)反射鏡組件中的調(diào)節(jié)螺桿，使上述兩個(gè)光斑位置重合；

步驟3：打開中心偏差測(cè)量軟件，如圖7所示，在軟件界面中輸入非球面反射鏡的各項(xiàng)光學(xué)參數(shù)；

步驟4：點(diǎn)擊軟件中的“采集圖像”，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)3～5圈，此時(shí)激光光斑在軟件的圖像顯示區(qū)域內(nèi)按圓形軌跡運(yùn)動(dòng)，如圖5(a)所示，點(diǎn)擊“顯示擬合結(jié)果”，此時(shí)軟件會(huì)顯示出運(yùn)動(dòng)軌跡的擬合圓及其圓心，點(diǎn)擊“顯示測(cè)量結(jié)果”，軟件會(huì)給出此時(shí)非球面反射鏡中心偏差值；

步驟5：點(diǎn)擊軟件中的“開始調(diào)?！?，通過平移、傾斜調(diào)整非球面反射鏡相對(duì)鏡框的位置，使激光光斑的中心與運(yùn)動(dòng)軌跡擬合圓圓心重合，如圖5(b)所示，點(diǎn)擊“顯示偏差”，得出此時(shí)非球面反射鏡中心偏差值

步驟6：重復(fù)步驟4、步驟5，直至非球面中心偏差測(cè)量值小于允差值，此時(shí)完成非球面反射鏡的定心裝調(diào)。