一种空间光学系统的模块化/标准化生产方法与流程

本发明属于光学领域，具体涉及一种空间光学系统的模块化/标准化生产方法。

背景技术：

在现阶段的空间光学产品中，光路结构一般采用的是将每个光学元件分离式的按照顺序安装在面包板上。该种技术方案存在以下问题：首先，由于每个光学元件按顺序分离排列，容易造成整体形态不够整齐紧凑，而且操作人员在按照顺序摆放光学元件时，对于相同的空间光学产品不同的操作人员摆放的光学元件容易出现不一致现象，因此对每个操作人员的技术操作要求较高，且无法分工分模块生产。其次，在面包板上安装光学元件时很难精准定位光学元件在面包板上的安装位置，且需安装的光学元件很多，因此对于生产出来的空间光学产品(即空间光学系统)，很难保证每个产品的结构位置一致，无法标准化生产出相同的产品。最后，安装每一个器件均需要对其中心高度，摆角等参数的调节，光路搭建费时，对操作人员专业水平要求高，生产成本高。

综上所述，基于上述结构的空间光学类产品在模块化生产、标准化生产，并保持产品质量一致性等方面面临很大困难。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种空间光学系统的模块化/标准化生产方法，本空间光学系统的模块化/标准化生产方法基于笼式系统配件的导杆的定位标记，可以实现空间光学类产品的模块化、标准化生产，且结合固定底板的定位标记，可实现整套产品生产的质量一致性，对搭建者或操作人员的专业水平要求低，生产过程更加简便，生产成本低。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种空间光学系统的模块化/标准化生产方法，包括：

步骤1：将空间光学系统内的所有光学元件进行模块划分，从而分成多个结构模块；

步骤2：根据结构模块内光学元件的数量和光学特性，分别为每个结构模块选择适配的笼式系统配件；

步骤3：确定结构模块内每个光学元件的安装顺序和相对位置，并在与结构模块相适配的笼式系统配件的导杆上对每个光学元件的所需安装位置进行标记；

步骤4：将结构模块内每个光学元件按照顺序依次安装在导杆的对应标记位置上；

步骤5：按照步骤3和步骤4的方式将每个结构模块内的光学元件均固定在笼式系统配件的导杆上；

步骤6:通过外部光源对每个结构模块进行光路测试，并根据测试结果判断是否需要调整光路走向；

步骤7:根据每个结构模块的大小和相对位置，确定每个结构模块分别在固定底板上的所需安装位置，在固定底板上进行标记；

步骤8：按照固定底板上标记的安装位置将每个结构模块依次安装在固定底板上，组装完成；

步骤9：对步骤8组装完成的空间光学系统整体进行光路调试，并根据调试结果判断是否需要调整光路走向；完成生产。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述步骤1具体包括：根据空间光学系统内的光路走向，将相同光路走向的光学元件分为一个结构模块，从而分成多个结构模块；或者根据空间光学系统内多个光学元件组合实现的不同功能，将空间光学系统分成多个结构模块。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述的笼式系统配件包括导杆、支撑座和光学镜架；所述的光学镜架的四个对角位置均开设有安装孔，导杆穿过光学镜架的安装孔且光学镜架通过紧定螺钉与导杆固定连接；所述支撑座的顶部用于支撑导杆且底部用于与固定底板连接；所述光学镜架用于安装光学元件，所述光学元件用于通过光学镜架安装在导杆上。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤2具体包括：根据结构模块内光学元件的数量、与光学元件匹配的光学镜架的尺寸信息、光学元件的光学特性以及待操作光学元件需预留操作空间大小，分别为每个结构模块选择合适长度的导杆；并为结构模块内的每个光学元件选择与其尺寸相适配的光学镜架，所有光学元件的光学镜架均采用笼式同轴镜架。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述的步骤3包括：确定结构模块内每个光学元件的安装顺序和相对位置以及支撑座在导杆上的支撑位置，在与结构模块相适配的笼式系统配件的导杆上对每个光学元件的安装位置进行标记，同时在导杆上对支撑座的支撑位置进行标记；

所述的步骤4包括：将结构模块内的每个光学元件分别安装在与其尺寸相适配的光学镜架上，再将每个光学元件通过各自安装的光学镜架按照顺序依次套接在导杆的标记位置上，同时将支撑座安装在导杆标记的支撑位置上；

所述的步骤5包括：按照步骤3和步骤4的方式将所有的结构模块内的光学元件和支撑座均固定在同组导杆的标记位置上；

所述的步骤6包括：通过外部光源对每个结构模块进行光路测试，根据测试结果判断是否需要调整光路走向，若需要调整，则通过调节光学镜架从而实现光路走向的调整；

所述的步骤7包括：根据每个结构模块的大小和相对位置，确定每个结构模块分别在固定底板上的安装位置，根据结构模块的导杆上的支撑座的位置，确定支撑座在固定底板上的安装位置，在固定底板上对支撑座的安装位置进行标记；

所述的步骤8包括：将每个结构模块的导杆上的支撑座固定到固定底板标记的安装位置上，其中所有支撑座的高度需保证同一层次所有结构模块上的光学元件的中心均在同一高度，若空间光学系统为多层次结构，则需保证每层结构内的结构模块的光学元件中心保持同一高度。

作为本发明进一步改进的技术方案，每个结构模块所使用的导杆共3根或4根且3根或4根的导杆平行设置，每个光学镜架均设有4个安装孔，3根或4根导杆用于分别穿过光学元件上的光学镜架的不同安装孔。

作为本发明进一步改进的技术方案，每个结构模块上的导杆均通过支撑座固定到固定底板上，且支撑座的数量和位置根据导杆长度分配，保持支撑座位置和承重相对均匀。

作为本发明进一步改进的技术方案，包含粗细、虚实、颜色不同的线条，或者色带、色块，坐标尺，或者其他用于位置标记的方法。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述固定底板上的标记包括喷绘线条标记或者色块标记等。

作为本发明进一步改进的技术方案，所述的固定底板包含光学面包板或加工定制的金属板。

本发明的有益效果为：

(1)本发明将空间光学系统分为多个结构模块，每个结构模块分别固定到各自的导杆上，可实现分工分模块化生产；本发明结构模块内的光学元件在导杆上有显著标志，在安装光学元件时，可保证整体形态整齐紧凑，操作人员均可按照导杆上的标记位置将光学元件套接在导杆上，安装结果可保证一致性；方便进行分工分模块化生产。

(2)本发明同一空间光学系统内的所有光学元件均使用笼式同轴镜架，固光学元件的中心位置自动对准无需调节；对生产人员专业素养要求低。且摆角的调节可通过调节光学镜架实现光路搭建，简单快捷，生产成本低。

(3)本发明单个结构模块内的光学元件采用同组导杆连接，且均按照导杆的标记位置进行安装光学元件，可保证相同的结构模块内光学元件的安装位置一致性，可实现标准化生产。采用同样支撑座支撑结构模块上的导杆，使结构模块中心高度一致无需调节，结构模块也可匹配使用；固可实现模块化分工生产。对于系统结构中的单个结构模块，也可以在同类其他产品中复用。

(4)本发明结构模块内的光学元件在导杆上均有显著标志，固相同结构模块的生产工艺具有一致性、标准化。结构模块使用的支撑座在面包板上有显著标志，固结构模块组装方式可形成工艺文件，可实现标准化生产。按照本发明的生产方法生产出的空间光学类产品具有一致性，可保证每个产品的结构位置一致，能标准化生产出相同的产品。

附图说明

图1为实施例中纠缠产生模块内的光学元件在导杆上的标记线图。

图2为实施例中纠缠产生模块内的光学元件在导杆上的装配位置图。

图3为实施例中纠缠测量模块-1内的光学元件在导杆上的标记线图。

图4为实施例中纠缠测量模块-1内的光学元件在导杆上的装配位置图。

图5为实施例中支撑座在面包板上的圆环标志图。

图6为实施例的平面结构示意图。

图7为实施例的立体结构示意图。

具体实施方式

下面根据图1至图7对本发明的具体实施方式作出进一步说明：

一种空间光学系统的模块化/标准化生产方法，其特征在于，包括：

步骤1：将空间光学系统内的所有光学元件进行模块划分，从而分成多个结构模块；

具体为：根据空间光学系统内的光路的走向，将相同光路走向的光学元件分为一类，从而分成多类结构模块；或者根据空间光学系统内多个光学元件组成后形成的不同功能，将空间光学系统分成多类结构模块。

步骤2：根据结构模块内光学元件的数量和光学特性，分别为每个结构模块选择适配的笼式系统配件。笼式系统配件包括导杆、支撑座和光学镜架；所述的光学镜架的四个对角位置均开设有安装孔，导杆穿过光学镜架的安装孔且光学镜架通过紧定螺钉与导杆固定连接；所述支撑座的顶部用于支撑导杆且底部用于与固定底板连接；所述光学镜架用于安装光学元件，所述光学元件用于通过光学镜架安装在导杆上。

所述的步骤2具体包括：根据结构模块内光学元件的数量、与光学元件匹配的光学镜架的尺寸信息、光学元件的光学特性以及待操作光学元件需预留操作空间大小(有的光学元件在工作时需要进行操作，例如旋转，因此需要为该种类型的光学元件预留操作空间)，分别为每个结构模块选择合适长度的导杆；并为结构模块内的每个光学元件选择与其尺寸相适配的光学镜架，所有光学元件的光学镜架均采用笼式同轴镜架，无需操作的光学元件可以密接，以减少光路的长度。光学特性包括透镜类光学元件的焦距。

步骤3：确定结构模块内每个光学元件的安装顺序和相对位置以及支撑座在导杆上的支撑位置，并在与结构模块相适配的笼式系统配件的导杆上对每个光学元件的安装位置进行标记，同时在导杆上对支撑座的支撑位置进行标记。

步骤4：将结构模块内每个光学元件和支撑座按照顺序依次安装在导杆的对应标记位置上。

具体为：将结构模块内的每个光学元件分别安装在与其尺寸相适配的光学镜架上，再将每个光学元件通过各自安装的光学镜架按照顺序依次套接在导杆的标记位置上，同时将支撑座安装在导杆标记的支撑位置上。

步骤5：按照步骤3和步骤4的方式将所有的结构模块内的光学元件和支撑座固定在同组导杆的标记位置上。

步骤6:通过外部光源对每个结构模块进行光路测试，根据测试结果判断是否需要调整光路走向，若需要调整，则通过调节光学镜架从而实现光路走向的调整。

步骤7:根据每个结构模块的大小和相对位置，确定每个结构模块分别在固定底板上的安装位置，根据结构模块的导杆上的支撑座的位置，确定支撑座在固定底板上的安装位置，在固定底板上对支撑座的安装位置进行标记。

步骤8：将每个结构模块的导杆上的支撑座固定到固定底板标记的安装位置上，其中所有支撑座的高度需保证同一层次所有结构模块上的光学元件的中心均在同一高度，若空间光学系统为多层次结构，则需保证每层结构内的结构模块的光学元件中心保持同一高度，组装完成。

步骤9：对步骤8组装完成的空间光学系统整体进行光路调试，并根据调试结果判断是否需要调整光路走向；若需要调整，则通过调节光学镜架从而实现光路走向的调整；完成生产。

每个结构模块所使用的导杆共3根或4根且3根或4根的导杆平行设置，每个光学镜架均设有4个安装孔，3根或4根导杆用于分别穿过光学元件上的光学镜架的不同安装孔。每个结构模块上的导杆均通过支撑座固定到固定底板上，且支撑座的数量和位置根据导杆长度分配，保持支撑座位置和承重相对均匀。其中固定底板为光学面包板或定制加工金属板等。导杆上的标记可采用色带、色块或标志线进行标记，且不限于此。固定底板上的标记可采用喷绘或者色块进行标记，且不限于此。

下面以纠缠光学产品例，说明本发明的具体实施过程：

(1)首先根据空间光学系统的功能(即空间光学系统内多个光学元件组成后形成的不同功能)，将整个系统分成三个结构模块：纠缠光子产生模块、纠缠测量模块-1和纠缠测量模块-2。

(2)根据结构模块内光学元件的数量、光学元件的光学特性、与光学元件匹配的光学镜架的尺寸信息，以及判断结构模块内是否包含需要操作的光学元件(因为要为需要操作的光学元件预留操作空间)，根据上述情况选择合适长度分别为20cm和15cm的笼式系统配件的导杆，选择与镜片匹配的光学镜架等。本实施例中纠缠测量模块-1和纠缠测量模块-2内的四分之一波片(qwp-b)和半波片(hwp-b)需要预留操作空间。

(3)确定每个结构模块内光学元件的安装顺序和相对位置以及支撑座在导杆上的所需支撑位置，在与每个结构模块相适配的导杆上分别予以标记；同时在导杆上对支撑座所需支撑位置进行标记。

(4)将每个结构模块内光学元件均安装到与其适配的光学镜架上。

(5)将结构模块内光学元件上的光学镜架顺次套接至导杆的标记位置并通过紧定螺钉固定；同时将支撑座顶部安装到导杆标记的支撑位置上，完成模块组装。

(6)对每个结构模块进行光路测试、光路走向的调整。

(7)根据每个结构模块大小和位置，确定每个结构模块在固定底板上的所需安装位置，根据每个结构模块内导杆上的支撑座底位置确定支撑座在固定底板上的安装位置，并在固定底板上对支撑座的安装位置进行标记。

(8)将结构模块内导杆上的支撑座的固定底座固定到固定底板标记的安装位置上，其中所有支撑座的高度需保证同一层次所有结构模块上的光学元件的中心均在同一高度，完成组装。

(9)系统整体调试、光路走向调整，完成生产。

详细来说，三个结构模块中，所用支撑座为同一规格，高度均为25.4mm。所用支撑座包括6个，分别为支撑座一1、支撑座二2、支撑座三3、支撑座四4、支撑座五5以及支撑座六6。

纠缠产生模块所涉及光学元件主要是405nm波段器件，包括偏振分束器(pbs-a)，凸透镜(lens-a)，半波片(hwp-a1)、bbo晶体。入射到此纠缠产生模块的光偏振为竖直偏振线偏光。若为水平偏振光，则需在pbs-a之前增加半波片，调整入射光的偏振态。

纠缠产生模块中的上述光学元件嵌套在同样长度为20cm四根导杆上，成为一个整体，该四根导杆属于同组导杆。

纠缠产生模块中的上述光学元件在导杆上的标记线以及支撑座一1、支撑座二2在导杆上的标记线如图1所示，纠缠产生模块中的上述光学元件、支撑座一1、支撑座二2在导杆上的装配位置图如图2所示。

其中透镜和bbo晶体的中心距离等于透镜焦距15cm。考虑光路最小化，凸透镜(lens-a)与偏振分束器(pbs-a)密接。

纠缠产生模块中，考虑模块稳定性，系统的支撑座分布在导轨两端。其中，支撑座一1置于凸透镜(lens-a)右侧，支撑座二2置于bbo晶体左侧。由于bbo晶体在调试过程需要取下，固其安装在支撑座二2的右端，导杆的近端点处。

纠缠测量模块-1所涉及的光学元件为810nm波段器件，包括四分之一波片(qwp-b)、半波片(hwp-b)、偏振片(polarizer)、滤波器(filter)、准直器(collimator)。

纠缠测量模块-1中，上述光学元件嵌套在同样长度为15cm四根导杆上，成为一个整体，该四根导杆属于同组导杆。

纠缠测量模块-1中的上述光学元件在导杆上的标记线以及支撑座三3、支撑座四4在导杆上的标记线如图3所示，纠缠测量模块-1中的上述光学元件、支撑座三3、支撑座四4在导杆上的装配位置图如图4所示。其中四分之一波片(qwp-b)和半波片(hwp-b)与相邻光学元件之间的距离需大于两厘米，可供操作。

纠缠测量模块-1中，为了光路最小化，偏振片(polarizer)、滤波器(filter)、准直器(collimator)尽量密接。

纠缠测量模块-2内的光学元件以及光学元件在导杆上的安装位置均和纠缠测量模块-1完全相同，在词不做叙述。

三个结构模块中，所有光学元件的位置在导杆上均刻有标记线表示。此标志包含但不限于变更为粗细、虚实、颜色不同的线条，或者色块，坐标尺，或者其他用于位置标记的方法。

三个结构模块中，结构模块内光学元件的组装方式为：按图1的标记线将所涉及光学元件通过光学镜架的安装孔顺序套入导杆，滑至标志的标记线位置，然后逐一拧紧紧定螺钉。

对于上述系统结构，三个结构模块安装在40*40cm大小的面包板上。应强调的是，面包板的尺寸随着光路复杂程度和体积变化而变化。

对于上述系统结构，如图5所示，支撑座底部的固定底座在面包板上有显著圆环标志。图5中10表示支撑座一1的圆环标志，11表示支撑座二2的圆环标志，12表示支撑座三3的圆环标志，13表示支撑座四4的圆环标志，14表示支撑座五5的圆环标志，15表示支撑座六6的圆环标志。

如图6所示，为纠缠光学产品的结构平面图，如图7所示，为纠缠光学产品的结构立体图，其中7表示导杆，8表示光学镜架，9表示面包板。

对于上述系统结构，光学元件使用笼式同轴镜架，固光学元件的中心位置自动对准无需调节；对生产人员专业素养要求低。采用同样支撑座的三个结构模块，中心高度一致无需调节，模块可匹配使用，固生产可实现模块化分工生产。对于系统结构中的结构模块，可以在同类其他产品如ppktp纠缠源系统中复用。光学元件位置在导杆上有显著标志，固结构模块的生产工艺具有一致性、标准化。支撑座的固定底座在面包板上有显著标志，即三个结构模块组装后的整体产品具有工艺一致性、标准化。

此设计理念可使用在基于bbo晶体的纠缠源产生方案，基于ppktp晶体的纠缠源产生方案，空间量子密钥分配系统等空间量子光学产品及其他经典光学产品中。

上述的模块化、标准化生产方式，可推广适用于其他空间光路类产品，比如ppktp纠缠源产品，ii型bbo纠缠源产品。应强调的是，当系统结构根据需要增加或者减少光学元件，亦在本发明保护范围。导杆上标志由直线变更为虚线、彩色线、色块等做标志行为，亦在本发明保护范围。本发明提出的搭建笼式系统并在导杆上对光学元件位置定标的方法，有利于形成模块化、标准化的产品。基于此设计理念的产品，均在本发明保护范围。

本发明的保护范围包括但不限于以上实施方式，本发明的保护范围以权利要求书为准，任何对本技术做出的本领域的技术人员容易想到的替换、变形、改进均落入本发明的保护范围。