一种全铝主次镜激光接收装置及其装调方法

1.本发明属于一种激光接收装置，具体涉及一种全铝主次镜激光接收装置及其装调方法。


背景技术：

2.激光具有优异的单色性、方向性、高能量和抗干扰性能，被广泛应用于加工、通信、测量等各个领域。激光测距机就是利用激光器发射激光脉冲，激光接收系统接收反射激光回波，并记录时间间隔，从而计算出目标距离。激光接收系统通常采用大口径光学设施实现对反射回波信号光束的收集，增大接收口径，能够增大捕获的反射能量，从而提高测量距离和精度。
3.卡塞格林式光学系统（卡式光学系统）属于反射式结构光学系统，相比于透射式光学系统，其相对口径和焦距均可设计的较大。同时，卡式光学系统的结构紧凑、聚焦能力更强、主镜加工制造工艺成熟、像质易于保证。因此，卡式光学系统作为激光接收系统的光学设施具有较大优势。
4.常规的卡式光学系统主次镜均采用微晶玻璃材料，该材料成型采用研磨抛光工艺，形状单一，无法进行铣削操作。其安装方式只能采用胶粘或者压板固定，对装调工艺水平要求较高，且不具备重复拆装性。以碳化硅作为基底材料的主次镜重量轻，强度高，但是其制造周期长、制造成本高，限制了其应用范围。如在授权公告号为cn104898252a的中国发明专利中，公开了一种航空相机卡塞格林主次镜支撑结构，主镜座上加工有柔性铰链，次镜座上加工有柔性槽，可以降低外界环境温度变化和装配过程中传递到反射镜表面上的应力对装配精度的影响，进而提高光学表面面型精度。另外，主镜和次镜的轴向距离、相对角度也可调节。但是，该支撑结构中主镜采用胶粘方式与主镜座固定，对胶粘工艺要求较高，且不利于拆装，同时，主镜与主镜座之间设置主镜垫片，次镜与连接架之间设置了轴向垫片和角度垫片，垫片数量多，导致调整难度较大，装调工艺复杂。再如在授权公告号为cn110531531a的中国发明专利中，公开了一种卡塞格林光学系统主次反射镜的装调方法，通过对次反射镜设计一个工艺球面，将对次反射镜的定心装调转化为对透镜的定心装调，同时，利用中心偏测量仪的非接触式测量功能对主次反射镜的间隔进行精确测量，该装调方法用到工艺球面、中心偏测量仪、平行水晶、测量工装等多种设备，装调工艺较为复杂，也存在无法重复拆装的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明为解决现有卡式光学系统装调工艺复杂，以及不具备重复拆装性的技术问题，提供一种全铝主次镜激光接收装置及其装调方法。
6.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：一种全铝主次镜激光接收装置，包括主镜、主镜筒、次镜、次镜座、基板、激光接收焦平面组件和多个校正镜组；基板安装于主镜筒后端端面，主镜与次镜同光轴设置，多个校
正镜组和激光接收焦平面依次设置在次镜之后的光路上；其特殊之处在于：所述主镜沿轴向开设有第一通孔，主镜前端面为反射面，后端面上开设有多个减重槽；主镜后端沿周向均匀设置至少三个延伸至主镜外部的第一安装部，主镜通过第一安装部安装于主镜筒后端内部，第一安装部的前表面和后表面相同位置均开设有第一消应力槽；所述次镜沿轴向开设有第二通孔，次镜后端面为反射面，前端沿周向均匀设置至少三个延伸至次镜外部的第二安装部，次镜通过第二安装部与次镜座相连，次镜座安装于主镜筒前端内部，第二安装部的前表面开设有第二消应力槽；所述主镜筒、基板、次镜座、主镜和次镜均采用铝合金材质。
7.进一步地，为了避免外部杂光影响激光接收装置工作，本发明还设置了第一遮光罩和第二遮光罩；所述第一遮光罩安装在主镜筒前端，所述第二遮光罩安装在第二通孔前端；所述第一遮光罩和第二遮光罩均采用铝合金材质。
8.进一步地，所述第一安装部由主镜后端面上沿径向延伸至主镜后端面外部，且第一安装部与主镜后端面之间留有轴向间隙；所述第二安装部由次镜前端面上沿径向延伸至次镜前端面外部，且第二安装部与次镜前端面之间留有轴向间隙。
9.进一步地，所述第一消应力槽的轴向投影位于主镜后端面内，所述第二消应力槽的轴向投影位于次镜前端面内。
10.进一步地，所述第一安装部上位于主镜后端面外部开设有第一螺钉安装孔，主镜通过穿过第一螺钉安装孔的螺钉安装于主镜筒后端内部；所述第二安装部上位于次镜前端面外部开设有第二螺钉安装孔，次镜通过穿过第二螺钉安装孔的螺钉与次镜座相连。
11.进一步地，所述主镜筒、基板、次镜座、第一遮光罩和第二遮光罩均采用7075超硬铝合金材质；所述主镜和次镜均采用6061铝合金材质。
12.进一步地，所述主镜筒两端端面内侧分别设有第一环形定位台阶和第二环形定位台阶；所述次镜座外沿与第一环形定位台阶相适配，所述基板外沿与第二环形定位台阶相适配。
13.同时，本发明还提供了一种上述一种全铝主次镜激光接收装置的装调方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：s1，将基板安装于定心车床上，二次精车削基板与主镜筒内圆配合的外圆尺寸，以及基板与安装在基板内的校正镜组外圆配合的内圆尺寸，使基板的内圆和外圆同轴度、基板与主镜筒的配作间隙、基板与第一校正镜组的配作间隙均满足预设要求；s2，将主镜筒连接至基板上，分别二次精车削主镜筒和主镜外圆配合的内圆尺寸、主镜筒和次镜座外圆配合的内圆尺寸，使主镜筒和主镜的配作间隙、主镜筒和次镜座的配作间隙、主镜筒内圆同轴度均满足预设要求；s3，将次镜座连接至主镜筒上，二次精车削次镜座与次镜外圆配合的内圆尺寸，使
次镜座和次镜的配作间隙满足预设要求；s4，从定心车床上拆下基板，将预计安装在基板内的校正镜组连接在定心车床上，对校正镜组与基板内圆配合的外圆进行二次精车，使校正镜组与基板的配作间隙满足预设要求；再对安装在基板内的校正镜组内圆进行二次精车，使安装在基板内的校正镜组外圆和内圆同轴度满足预设要求；s5，分别安装主镜和次镜；s6，分别对其他各校正镜组采用十字分划板与经纬仪辅助装调到位；s7，将激光接收焦平面组件安装到位，完成激光接收装置的装调。
14.进一步地，步骤s5中还包括安装第一遮光罩和第二遮光罩。
15.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1.本发明提出了一种全铝主次镜激光接收装置，主镜筒、基板、次镜座、主镜和次镜作为主体结构均采用铝合金材料，热膨胀系数基本相同，无需热控措施即可适应较大的变温工作环境，使激光接收装置的适用性更广。另外，主镜设置有至少三个第一安装部，次镜设置有三个第二安装部，且第一安装部和第二安装部上分别设置有第一消应力槽和第二消应力槽，能够消除第一安装部与主镜筒连接处，以及第二安装部与次镜座连接处因连接对主镜镜面和次镜镜面面型造成的影响，使面型精度易于保证。同时，主镜前端面作为反射面，次镜后端面作为反射面，能够利用金刚石单点车削加工反射面，加工精度容易满足激光接收装置的成像质量要求。再者，第一安装部和第二安装部的结构、数量、形状灵巧多变，功能性强，可通过车、铣等传统加工手段快速成型，制造成本低，加工周期短。
16.2.本发明中还设有第一遮光罩和第二遮光罩，能够避免外部杂光对激光接收装置的成像影响。且第一遮光罩和第二遮光罩也采用铝合金材质，不会因为安装遮光罩影响激光接收装置在较大变温环境下的工作情况。
17.3.本发明中的第一安装部和第二安装部分别由主镜和次镜的端面延伸至外部，且第一安装部和主镜后端面之间、第二安装部和次镜前端面之间均留有轴向间隙，能够进一步消除第一安装部与主镜筒连接处，以及第二安装部与次镜座连接处因连接对主镜镜面和次镜镜面面型造成的影响，消除相应应力。
18.4.本发明中主镜和次镜均通过螺钉进行安装，相比胶粘、压板等复杂的固定方式，工艺简单、拆卸方便。
19.5.本发明一种全铝主次镜激光接收装置的装调方法，全部采用二次精车削的机械定位加工方式，保证了各光学元件的光轴偏心度和倾斜度满足要求，通过高精度的定心车床即可完成装调。在保证激光接收装置光学指标要求的同时，实现了装调便易性、可重复拆装。
附图说明
20.图1为本发明一种全铝主次镜激光接收装置实施例的结构示意图；图2为本发明实施例中主镜的结构示意图；图3为本发明实施例中次镜的结构示意图；图4为本发明一种全铝主次镜激光接收装置的装调方法实施例中对基板进行二次精车削的示意图；
图5为本发明一种全铝主次镜激光接收装置的装调方法实施例中对主镜筒进行二次精车削的示意图；图6为本发明一种全铝主次镜激光接收装置的装调方法实施例中对次镜座进行二次精车削的示意图。
21.其中：1-主镜、2-主镜筒、3-次镜、4-次镜座、5-基板、6-激光接收焦平面组件、7-第一校正镜组、8-第一通孔、9-减重槽、10-第一安装部、11-第一消应力槽、12-第二通孔、13-第二安装部、14-第二消应力槽、15-第一遮光罩、16-第二遮光罩、17-第一螺钉安装孔、18-第二螺钉安装孔、19-第一环形定位台阶、20-第二环形定位台阶、21-定心车床、22-定心工装法兰、23-第二校正镜组、24-第三校正镜组、25-第一反射镜、26-第二反射镜、27-第三反射镜、28-安装底板、29-组合体一、30-组合体二。
具体实施方式
22.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
23.如图1所示，为本发明一种全铝主次镜激光接收装置的一个优选实施例，包括主镜1、主镜筒2、基板5、次镜座4、次镜3、第一遮光罩15、第二遮光罩16、校正镜组、多个反射镜、激光接收焦平面组件6和安装底板28。其中，主镜1、基板5、主镜筒2、次镜座4和次镜3均采用铝合金材料，构成本发明激光接收装置的主体结构。
24.如图2，主镜1前端面为反射面，中部开设第一通孔8，后端面设置多个减重槽9。在本实施例中，主镜1的总厚度约为20mm，反射面直径约为160mm。从主镜1后端面上延伸至后端面径向外部，设有三个第一安装部10，三个第一安装部10沿主镜1周向均布，且第一安装部10与主镜1后端面之间留有轴向间隙，各第一安装部10延伸至主镜1后端面外部的结构上开设有第一螺钉安装孔17，用于将主镜1安装于主镜筒2后端内部，使主镜1与主镜筒2之间通过螺钉连接。另外，为了消除安装应力，在各第一安装部10的前后表面上，位于第一螺钉安装孔17靠近主镜1上第一通孔8的一侧开设有第一消应力槽11，第一消应力槽11的走向与主镜1后端面外轮廓形状一致，且第一消应力槽11的轴向投影位于主镜1后端面内，第一消应力槽11的宽度一般为2mm，深度一般为1mm，通过开设第一消应力槽11，能够消除第一安装部10上由于螺钉连接对主镜1面型造成的影响。第一安装部10的数量可根据安装需要进行调整，第一安装部10也可以设置在主镜1侧壁上，安装形式并不受限。三个第一安装部10组成的外圆直径约为180mm，大于主镜1反射面最大直径。第一安装部10距离主镜1反射面的轴向距离为16mm。主镜1可选用6061铝合金材料，通过机械加工的方法易于实现减重槽9、第一安装部10、第一消应力槽11等结构的加工，同时，6061铝合金材料在采用单点金刚石车削反射面加工时，具有较好的加工性能。
25.如图3所示，次镜3后端面（图3中右侧）为反射面，中部开设第二通孔12。在本实施例中，次镜3的总厚度为12mm，反射面的直径为80mm。次镜3前端面（图3中左侧）上延伸至前端面径向外部，设有三个第二安装部13，三个第二安装部13沿次镜3周向均布，各第二安装部13延伸至次镜3前端面外部的结构上开设有第二螺钉安装孔18，用于将次镜3安装于次镜
座4内后，使次镜3与次镜座4之间通过螺钉连接。另外，为了消除安装应力，在各第二安装部13的前表面上，位于第二螺钉安装孔18靠近次镜3上第二通孔12的一侧开设有第二消应力槽14，第二消应力槽14的走向与次镜3前端面外轮廓形状一致，且第二消应力槽14的轴向投影位于次镜3前端面内，第二消应力槽14的宽度一般为1mm，深度一般为1mm，通过开设第二消应力槽14，能够消除第二安装部13上由于螺钉连接对次镜3面型造成的影响。第二安装部13的数量可根据安装需要进行调整，第二安装部13也可以设置在次镜3侧壁上，安装形式并不受限。三个第二安装部13组成的外圆直径约为95mm，大于次镜3反射面最大直径。第二安装部13距离次镜3反射面的轴向距离为9mm。次镜3可选用6061铝合金材料，通过机械加工的方法易于实现第二安装部13、第二消应力槽14等结构的加工，同时，6061铝合金材料在采用单点金刚石车削反射面加工时，具有较好的加工性能。
26.另外，主镜筒2的内圆通过二次精车，能够保证与主镜1外圆相配合处的主镜筒2内圆尺寸，进而保证主镜筒2与主镜1之间的装配间隙满足要求。次镜座4的内圆也可以通过二次精车，保证与次镜3外圆配合的内圆尺寸，进而保证次镜3与次镜座4之间的装配间隙满足要求。基板5通过二次精车与主镜筒2后端配合的外圆尺寸，保证基板5和主镜筒2的装配间隙满足要求。
27.主镜筒2主体结构呈中空柱状，主镜1安装于主镜筒2后端内部，次镜座4安装于主镜筒2前端内部。次镜3与次镜座4通过螺钉穿过第二螺钉安装孔18连接，次镜3安装于次镜座4内，主镜筒2内，位于次镜3和主镜1之间留有轴向间隔。第一遮光罩15与主镜筒2前端相连，位于次镜3和次镜座4前端，第二遮光罩16安装于次镜3上开设的第二通孔12内，通过第一遮光罩15和第二遮光罩16，能够抑制有效光路外部的杂光。
28.主镜筒2、基板5、次镜座4、第一遮光罩15和第二遮光罩16均可选用7075超硬铝合金材料，既能保证激光接收装置主体结构各部分之间的材料属性匹配，又能提高激光接收装置的整体刚度和强度。
29.在实际进行组装时，主镜1、主镜筒2、次镜3、次镜座4、基板5和一个校正镜组均安装在激光接收装置主体结构的前端，另外，激光接收装置主体结构的后端还安装有多个校正镜组和激光接收焦平面组件6，有时，为了满足整体布局要求，还会在激光接收装置主体结构的后端安装多个反射镜。
30.本实施例中，多个校正镜组的具体数量为三个，具体包括第一校正镜组7、第二校正镜组23和第三校正镜组24，第一校正镜组7通过光学定心工艺安装于基板5上。与卡塞格林光学系统中校正镜组的安装形式相同，第一校正镜组7、第二校正镜组23和第三校正镜组24，用于校正激光接收装置的系统像差。为了合理设置激光接收装置的整体布局，在激光接收装置主体结构后端，还可以相应设置多个反射镜，在本实施例中，具体设置了第一反射镜25、第二反射镜26和第三反射镜27，均用于折转光路，压缩激光接收装置的体积。在本发明的其他实施例中，反射镜的设置数量和具体设置位置，均可根据整体结构进行调整。激光接收装置的主体结构后端还设置有激光接收焦平面组件6，具体位于激光接收装置的成像靶面上，用于接收通过激光接收装置获取的激光能量。其中，主镜筒2、第一反射镜25、第二反射镜26、第三反射镜27、激光接收焦平面组件6均通过螺钉固定于安装底板28上。
31.在本发明的一个实施例中，为了保证激光接收装置的光同轴性，以及激光接收装置的整体安装稳定性，主镜筒2两端端面上分别设有第一环形定位台阶19和第二环形定位
台阶20，次镜座4外沿的结构与第一环形定位台阶19相适配，用于限制次镜座4的轴向和径向移动，基板5外沿的结构与第二环形定位台阶20相适配，用于限制基板5的轴向和径向移动。
32.针对本发明上述一种全铝主次镜激光接收装置，本发明还提供了相应的装调方法，如下是本发明一种全铝主次镜激光接收装置的装调方法的具体实施例：在各部件加工时已经过精车削的前提下，对部分配合处进行二次精车。
33.（1）对基板5进行二次精车削可借助定心工装法兰22对基板5进行二次精车，将定心工装法兰22紧贴并固定连接于基板5后端面上，再通过定心工装法兰22固定安装于定心车床21上，然后，通过二次精车削基板5与主镜筒2内圆配合的外圆尺寸（图4中a处），保证配作间隙小于等于0.015mm，最后，二次精车削基板5与第一校正镜组7配合的内圆尺寸（图4中b处）至标准尺寸，保证基板5内外圆的同轴度小于等于0.008mm。
34.（2）连接主镜筒2和基板5，对主镜筒2内圆进行二次精车削不需要将基板5从定心车床21上拆卸下来，将主镜筒2通过螺钉与基板5相连，形成组合体一29。二次精车削主镜筒2与主镜1外圆相配合处的内圆（图5中c处），保证主镜筒2与主镜1之间的配作间隙小于等于0.015mm。二次精车削主镜筒2与次镜座4外圆配合处的内圆尺寸（图5中d处），保证主镜筒2与次镜座4之间的配作间隙小于等于0.015mm。同时，保证主镜筒2和主镜1配作处、主镜筒2和次镜座4配作处的内圆同轴度小于等于0.008mm。
35.（3）连接次镜座4和主镜筒2，对次镜座4内圆进行二次精车削不拆卸组合体一29的情况下，将次镜座4通过螺钉连接于主镜筒2上，形成组合体二30。二次精车削次镜座4与次镜3外圆配合处的内圆尺寸（图6中e处），保证次镜座4和次镜3的配作间隙小于等于0.01mm。
36.（4）对第一校正镜组7进行二次精车削从定心车床21上将组合体二30拆下。将第一校正镜组7连接于定心车床21上，二次精车削第一校正镜组7与基板5内圆配合的外圆尺寸，保证第一校正镜组7和基板5的配作间隙小于等于0.01mm。二次精车削第一校正镜组7内圆尺寸至标准尺寸，保证第一校正镜组7的内圆和外圆同轴度小于等于0.008mm，以此保证第一校正镜组7的光轴偏心和倾斜度满足要求。
37.（5）安装主镜1、次镜3、第一遮光罩15和第二遮光罩16，并将第一校正镜组7安装在基板5内。
38.（6）分别对第一反射镜25、第二反射镜26、第三反射镜27、第二校正镜组23、第三校正镜组24采用十字分划板与经纬仪辅助装调到位。
39.（7）将激光接收焦平面组件6安装到位。
40.上述各步骤中涉及的具体尺寸，均是优选的尺寸参数，经验证，通过满足所有尺寸要求，能够使本发明的激光接收装置处于最佳工作状态。
41.按照上述步骤实现的全铝主次镜激光接收装置能够保证所有光学元件光轴偏心和倾斜满足要求，且各配合面重复定位精度高，连接关系可靠。激光接收装置即使重复拆卸也不会影响其光轴偏心度和倾斜度的精度。
42.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人
员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。