一种超半球光学球罩的定心装调方法与流程

1.本发明属于光电平台光学系统精密装调技术领域，具体涉及一种超半球光学球罩的定心装调方法。


背景技术：

2.在光电对抗、激光雷达、激光照明、激光跟踪与瞄准等光电平台中，光学窗口是其中必不可少的光学元件。光学窗口的形状包括平面窗口、多边形柱面窗口、球面窗口和非球面窗口等。大视场成像或全方位扫描工作模式的光电系统，通常采用曲面形式的同心球罩作为光学窗口。对于同心光学球罩，光学系统发射或接收中心可置于球心处，其好处是球罩引起的像差小，不足之处在于球罩加工难度大、加工精度低、加工成本高，同时装调方法不成熟，装调定位精度较差。
3.在球罩的装配过程中，理想情况下，球罩球心应与内部光学系统的入瞳中心重合，以保证光学系统各视场的主光线均垂直于球罩内外表面入射，但是装配时很难保证球罩球心与光学系统入瞳中心的重合度，因此会引起光学系统的视轴误差。装配误差可分解为轴向位置的偏差和径向位置的偏离两种情况，如图1和图2所示，图1中x为轴向位置偏差，图2中z为径向位置偏差。在装调过程中，为了避免将加工误差带入光学系统中，首先需要对球罩的球心位置进行精确测量，然后对球罩进行定心装调。超半球球罩的装配过程大致分为两步，第一步是确定球罩底面与球罩连接件的位置关系，即消除图1中所示x的误差，第二步是确定球罩的球心位置与球罩底面的高度差，即消除图2中所示z的误差，将两种误差消除后，即可确定球罩在空间中xyz三个方向的位置。
4.在光电平台中，超半球光学球罩作为光学系统的成像部件，如图3，其装调精度对系统的成像有较为明显的影响。在扫描工作模式下，若存在轴向或者径向的装调误差，则会出现离焦现象导致在扫描过程中的成像清晰度不一致。同时，在入射光线不垂直于球面的情况下，视轴指向误差会随着转角的增加而单调变大，会导致成像系统的像质进一步下降。因此在其装调时，需要严格控制球罩的轴向和径向装调误差。
5.目前，对于超半球光学球罩的装调缺乏成熟的技术路径，装调方案大多依靠装调人员对类似机构的装调经验，装调过程参数的计算通过间接的尺寸链计算获得，而过程参数的测量借助较为传统的机械式接触测量方案，例如高度尺，厚度尺，游标卡尺等。而超半球光学球罩由于其结构特点，球心位置难以确定，传统的测量方法由于结构限制难以测量或者测量精度较低。以此为基础的装调方法会导致定心装调效率低下，装调过程参数较难控制，装调精度较低，产品一致性较差等问题。


技术实现要素：

6.(一)要解决的技术问题
7.本发明要解决的技术问题是：如何解决含有超半球光学球罩的光学系统在高精度装调过程中存在的问题，如何为超半球球罩的精密装调提供一种高精度、高效率并且科学
合理的方法。
8.(二)技术方案
9.为解决上述技术问题，本发明提供一种超半球光学球罩的定心装调方法，所述方法包括步骤如下：
10.步骤1：确定球罩连接件的机械轴
11.步骤1.1：选用一种可以同时测量球面光学零件中心偏和平面镜厚度的中心偏测量仪，将球罩连接件装配置于该中心偏测量仪的回转台上，将辅助平面反射镜紧贴球罩和球罩连接件的连接端面，将球罩转接件的连接面转化为辅助平面反射镜的反射面，利用该中心偏测量仪找到辅助平面反射镜下表面的反射像，调整球罩连接件的位置使球罩的安装面与回转台回转轴垂直，此时，球罩连接件的机械轴和中心偏测量仪的回转轴平行；
12.步骤1.2：以球罩连接件的配合内孔圆周为基准打表，调整球罩连接件的位置将其定心放置，此时球罩连接件的机械轴与中心偏测量仪的回转轴重合；
13.步骤2：球罩球心与光学系统入瞳中心定心装调；
14.步骤2.1：装配超半球光学球罩，利用中心偏测量仪的中心偏测量功能找到球罩的球心像，然后调整球罩位置使其球心像处于回转台的回转轴上；此时球罩的球心已处于球罩连接件的机械轴上，此时利用光栅尺读数，记为z1；
15.步骤2.2：利用中心偏测量仪找到球罩外表面的顶点反射像，此时通过光栅尺读数z2，计算得出球罩的外径r＝|z
2-z1|；
16.步骤2.3：利用中心偏测量仪的测厚功能测量辅助平面反射镜的下表面到球罩外表面顶点的距离d，则球罩球心与球罩底面的高度d＝d-r＝d-|z
2-z1|，根据高度d，通过结构尺寸链的计算可以来指导球罩转接件和光电平台的集成，至此完成球罩的定心装调。
17.其中，所述步骤1.1中，以球罩连接件与球罩的配合孔为装配定心基准，其装配误差满足装配要求。
18.其中，所述步骤1.1中，打开中心偏测量仪，将球罩转接件置于双光路中心偏测量仪上，转接件机械轴基本与回转台的回转轴基本一致，将辅助平面反射镜紧贴球罩和球罩连接件的连接端面，旋转测量仪的转台，通过回转台的调节手轮调整转台的倾斜姿态，使得下光路观察到的反射像划圈基本不动，允差0.1mm；此时球罩和球罩连接件的连接端面与回转台的回转轴已调整至垂直，即球罩转接件的机械轴与转台的回转轴平行。
19.其中，所述步骤1.2中，采用数显千分表进行打表。
20.其中，所述步骤1.2中，转动测量仪的回转台，用数显千分表测量打表测量其转动过程中的偏差，通过回转台的调节手轮调整转台的水平姿态，使超半球光学球罩的配合内孔与回转台回转轴平行，允差0.01mm；此时，球罩转接件的机械轴和回转台的回转轴已经重合。
21.其中，所述步骤1.2中，利用中心偏测量仪和辅助平面反射镜，将球罩连接件机械轴和回转台的回转轴调整至重合，其测量精度为0.001mm，可以很大程度的排除该系统误差，极大地提高了下一步装调的精度。
22.其中，所述步骤2.1中，将超半球光学球罩装入球罩转接件中，更换合适的附加透镜后，利用测量仪的中心偏测量功能找到球罩的球心像，然后调整球罩的装配位置，使得其球心像处于转台的回转轴上，此时球罩的球心已经处于球罩连接件的机械轴上，利用光栅
尺读数并记录位置z1；
23.所述步骤2.2中，利用双光路中心偏测量仪，找到球罩外表面的顶点反射像，由于表面反射像较容易找到，为了便于计算，将此处位置定位相对零位，此时通过光栅尺读数并记录位置z2，计算可得出球罩的外径r＝|z2-z1|。
24.其中，所述步骤2.1和步骤2.2中，利用中心偏测量仪实现了球罩的球心与球罩连接件机械轴的校准，测量偏心误差精度为0.001mm，同时将球罩的球心位置和外表面顶点位置转化到光栅尺读数上，有效的分离出球罩半径的实测值和理论值之间的偏差，为球罩的高精度定心装调提高可靠的数据。
25.其中，所述步骤2.3中，利用中心偏测量仪的镜面定位仪模块，测量辅助平面反射镜的下表面到球罩外表面顶点的距离d，则球罩球心与球罩底面的高度d＝d-r＝d-|z2-z1|，根据高度d，通过结构尺寸链的计算可以来指导球罩转接件和光电平台的集成，保证球心与内部光学系统的入瞳重合，至此完成超半球光学球罩的定心装调。
26.其中，所述步骤2.3中，利用辅助平面反射镜替代球罩和球罩连接件的连接端面，利用镜面定位仪直接测量球罩底面和球罩外表面顶点的距离，其测量精度为0.001mm，可有效的避免球罩厚度不均匀和平面辅助反射镜中间转换带来的误差。
27.(三)有益效果
28.与现有技术相比较，本发明具备如下有益效果：
29.(1)本发明提出了一种超半球光学球罩的定心装调方法，该方法理论成熟、操作性较强，能够满足该类光电平台的系统像质要求，填补了超半球光学球罩装配方法的技术空白。
30.(2)本发明中，利用千分表找正球罩转接件的内孔圆，利用平面工装反射镜找正球罩的安装端面，通过利用中心偏测量仪，有效的将金工件的零件误差转化为可视化的光学方式来表达，比起传统的接触式测量，更加直观和精确。
31.(3)本发明中，采用了中心偏测量仪有效的将球罩的球心位置和球罩的外表面顶点位置转化为光栅尺的中的读数，读数精度为0.001mm，且球心像和外表面顶点像唯一且容易获得，通过计算后可以实现球罩外径r的精确测量，解决了光学球罩球心位置无法确定的问题，其实测值可利用来指导装调。
32.(4)本发明中，利用测量仪的测厚功能直接测量球罩底面和球罩外表面顶点的距离，很大程度上剔除了中间环节带入的系统误差，且距离d的测量在球罩定心装调之后，避免了非定心带来的误差，相比传统的测量方法更加精确。
33.(5)在本发明中，装调和测试过程均在同一设备上完成，没有中间转运环节，有效的避免了重复定位误差，相比传统的测量方法，减少了测量工具和重复定位误差，极大地提高了操作的便利性和装调效率。
附图说明
34.图1是轴向误差对视轴光线的影响示意图。
35.图2是径向误差对视轴光线的影响示意图。
36.图3是含超半球光学球罩的光学系统示意图。
37.图4是超半球光学球罩定心装调过程示意图。
具体实施方式
38.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。
39.为解决上述技术问题，本发明提供一种超半球光学球罩的定心装调方法，所述方法包括步骤如下：
40.步骤1：确定球罩连接件的机械轴
41.步骤1.1：选用一种可以同时精确测量球面光学零件中心偏和平面镜厚度的中心偏测量仪，将球罩连接件装配置于该中心偏测量仪的回转台上，如图4所示，将带有十字叉丝的辅助平面反射镜紧贴球罩和球罩连接件的连接端面，即图3所示a面，将球罩转接件的连接面转化为辅助平面反射镜的反射面，利用该中心偏测量仪找到辅助平面反射镜下表面的反射像，调整球罩连接件的位置使球罩的安装面与回转台回转轴垂直，此时，球罩连接件的机械轴和中心偏测量仪的回转轴平行；
42.步骤1.2：以球罩连接件的配合内孔圆周为基准打表，调整球罩连接件的位置将其定心放置，此时球罩连接件的机械轴与中心偏测量仪的回转轴重合；
43.步骤2：球罩球心与光学系统入瞳中心定心装调；
44.步骤2.1：装配超半球光学球罩，利用中心偏测量仪的中心偏测量功能找到球罩的球心像，然后调整球罩位置使其球心像处于回转台的回转轴上；此时球罩的球心已处于球罩连接件的机械轴上，此时利用光栅尺读数，记为z1；
45.步骤2.2：利用中心偏测量仪找到球罩外表面的顶点反射像，此时通过光栅尺读数z2，计算得出球罩的外径r＝|z
2-z1|；
46.步骤2.3：利用中心偏测量仪的测厚功能测量辅助平面反射镜的下表面到球罩外表面顶点的距离d，则球罩球心与球罩底面的高度d＝d-r＝d-|z
2-z1|，根据高度d，通过结构尺寸链的计算可以来指导球罩转接件和光电平台的集成，至此完成球罩的定心装调。
47.其中，所述步骤1.1中，以球罩连接件与球罩的配合孔为装配定心基准，其装配误差满足装配要求。
48.其中，所述步骤1.1中，打开中心偏测量仪，将球罩转接件置于双光路中心偏测量仪上，转接件机械轴基本与回转台的回转轴基本一致，将辅助平面反射镜紧贴球罩和球罩连接件的连接端面，旋转测量仪的转台，通过回转台的调节手轮调整转台的倾斜姿态，使得下光路观察到的反射像划圈基本不动，允差0.1mm；此时球罩和球罩连接件的连接端面与回转台的回转轴已调整至垂直，即球罩转接件的机械轴与转台的回转轴平行。
49.其中，所述步骤1.2中，采用数显千分表进行打表。
50.其中，所述步骤1.2中，转动测量仪的回转台，用数显千分表测量打表测量其转动过程中的偏差，通过回转台的调节手轮调整转台的水平姿态，使超半球光学球罩的配合内孔与回转台回转轴平行，允差0.01mm；此时，球罩转接件的机械轴和回转台的回转轴已经重合。
51.其中，所述步骤1.2中，利用中心偏测量仪和辅助平面反射镜，将球罩连接件机械轴和回转台的回转轴调整至重合，其测量精度为0.001mm，可以很大程度的排除该系统误差，极大地提高了下一步装调的精度。
52.其中，所述步骤2.1中，将超半球光学球罩装入球罩转接件中，更换合适的附加透
镜后，利用测量仪的中心偏测量功能找到球罩的球心像，然后调整球罩的装配位置，使得其球心像处于转台的回转轴上，此时球罩的球心已经处于球罩连接件的机械轴上，利用光栅尺读数并记录位置z1；
53.所述步骤2.2中，利用双光路中心偏测量仪，找到球罩外表面的顶点反射像，由于表面反射像较容易找到，为了便于计算，将此处位置定位相对零位，此时通过光栅尺读数并记录位置z2，计算可得出球罩的外径r＝|z2-z1|。
54.其中，所述步骤2.1和步骤2.2中，利用中心偏测量仪实现了球罩的球心与球罩连接件机械轴的校准，测量偏心误差精度为0.001mm，同时将球罩的球心位置和外表面顶点位置转化到光栅尺读数上，有效的分离出球罩半径的实测值和理论值之间的偏差，为球罩的高精度定心装调提高可靠的数据。
55.其中，所述步骤2.3中，利用中心偏测量仪的镜面定位仪模块，测量辅助平面反射镜的下表面到球罩外表面顶点的距离d，则球罩球心与球罩底面的高度d＝d-r＝d-|z2-z1|，根据高度d，通过结构尺寸链的计算可以来指导球罩转接件和光电平台的集成，保证球心与内部光学系统的入瞳重合，至此完成超半球光学球罩的定心装调。
56.其中，所述步骤2.3中，利用辅助平面反射镜替代球罩和球罩连接件的连接端面，即a面，利用镜面定位仪直接测量球罩底面(即a面)和球罩外表面顶点的距离，其测量精度为0.001mm，可有效的避免球罩厚度不均匀和平面辅助反射镜中间转换带来的误差。
57.实施例1
58.针对含有超半球的光学球罩的光学系统在高精度装调过程中存在的问题，本实施例为该类光学系统的精密装调提供一种高精度、科学合理的方法。
59.利用上述装置，对超半球的光学球罩的高精度定心装调过程包括以下步骤：
60.步骤1：打开中心偏测量仪，将球罩转接件置于双光路中心偏测量仪上，转接件机械轴基本与转台转轴基本一致，将辅助平面反射镜紧贴球罩和球罩连接件的连接端面(图示a面)，旋转测量仪的转台，通过回转台的调节手轮调整转台的倾斜姿态，使得下光路观察到的反射像划圈基本不动，允差0.1mm。此时a面与转台的回转轴已调整至垂直，即球罩转接件的机械轴与转台的回转轴平行。
61.步骤2：转动测量仪的回转台，用数显千分表测量打表测量其转动过程中的偏差，通过回转台的调节手轮调整转台的水平姿态，使超半球光学球罩的配合内孔与转台回转轴平行，允差0.01mm；此时，球罩转接件的机械轴和转台的回转轴已经重合。
62.步骤3：将超半球光学球罩装入球罩转接件中，更换合适的附加透镜后，利用测量仪的中心偏测量功能找到球罩的球心像，然后调整球罩的装配位置，使得其球心像处于转台的回转轴上，此时球罩的球心已经处于球罩连接件的机械轴上，利用光栅尺读数并记录位置z1＝85.07；
63.步骤5：利用双光路中心偏测量仪，找到球罩外表面的顶点反射像(由于表面反射像较容易找到，为了便于计算，将此处位置定位相对零位)，此时通过光栅尺读数并记录位置z2＝0.05，计算可得出球罩的外径r＝|z
2-z1|＝|0.05-85.07|＝85.02mm。
64.步骤5：利用中心偏测量仪的镜面定位仪模块，测量辅助平面反射镜的下表面到球罩外表面顶点的距离d＝116.13，则球罩球心与球罩底面的高度d＝d-r＝d-|z2-z1|＝116.13-85.02＝31.11，根据高度d，通过结构尺寸链的计算可以来指导球罩转接件和光电
平台的集成，保证球心与内部光学系统的入瞳重合，至此完成超半球光学球罩的定心装调。
65.综上，本发明属于光电平台光学系统精密装调技术领域，具体涉及一种超半球光学球罩的定心装调方法，其首先利用中心偏测量仪器确定球罩连接件的机械轴，并通过平面反射镜工装将球罩的安装基准轴与仪器回转轴精准重合。然后利用中心偏测量仪找到球罩的球心像，并调整其位置使球心处于转台回转轴上，再找到球罩外表面的表面像，通过光栅尺分别在球心像和外表面像处的读数，计算出球罩的外径，最后利用镜面定位仪测量球罩安装底面和球罩外表面的高度，最终得出球罩球心与安装底面的高度。一方面实现了球罩与转接件之间的定心装调，同时根据球罩球心和安装底面的高度，可进一步指导球罩转接件和光电平台的集成。本方法解决了含有超半球光学球罩的光学平台高精度装调过程中存在的问题，具有仪器架设简单、操作方便、装调精度高等特点。
66.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。