用于光机装调的自适应组合垫片以及光机装调方法

本发明涉及光机装调，尤其涉及一种用于光机装调的自适应组合垫片以及光机装调方法。

背景技术：

1、光机装调，是指在光学仪器制造、安装或改造完成后，通过一系列的工艺操作和技术手段，使设备达到预定的性能指标并正常工作的过程。更具体的说，就是将光学仪器中将各个光学零件，借助机械壳结构，调整到合适的位置，装调后的光学元件位置与设计位置越接近，仪器的光学性能越能得到最大化的实现，因此精细地控制光学元件的位置是光机装调的关键所在。

2、光机设计的基本思路是先将光学元件镶嵌在一个机械壳内，再将机械壳固定在仪器框架上，从而确定光学元件在仪器中的摆放位置和摆放角度。为了实现光学元件的精确可调，通常会在机械壳和仪器框架中间设置一个垫片，通过修研垫片，实现对光学元件位置和空间角度的精细调整。

3、在一个三维笛卡尔坐标系中，光学元件的位置由六个自由度定义，分别是沿着三个轴向的平移和绕着三个轴的旋转，所以对光学元件位置的调整，需要垫片有六个可调维度，单层的垫片通常无法实现，所以通过光学设计、机械设计，将垫片可调维度的需求降为3个，如图1所示，分别是垫片厚度，调整沿着垫片法线z轴的平移，以及垫片上下两个接触面的空间二面角，调整绕着x、y轴的旋转。其他维度通过另外的结构调整或者无需调整。

4、光机装调的难点在于，并不能事先计算或者测量出垫片的厚度和角度，只有光学元件真正的摆放在其最合适的位置后，才能通过测量得到垫片的准确尺寸。所以装调时，首先将仪器框架固定，并另外搭建一台多维调整架，多维调整架驱动光学元件在其理论位置附近做微小的平移或者旋转，直到检测到此时光学性能达到最优，确认该位置为光学元件的合适位置，再测量光学元件元与仪器框架间的距离，确定垫片的厚度和角度。修研垫片尺寸到测量值，再将光学元件固定在仪器框架上，完成装调过程。

5、另外一种确定垫片尺寸的方法是试错法，需要制作一系列不同厚度、不同角度的垫片，装调过程就是不断的试验各种不同尺寸垫片的效果，直到达到最佳的光学性能，确定此时使用的垫片尺寸最为合适。

6、利用多维调整架进行装调是常用的装调方法，这种方法的适应性比较好，可以实现光学元件多维度的自由调整。方法的难点在于测量需要垫片的尺寸，确定了光学元件合适位置后，需要测量元件机械壳和仪器框架间的距离，这个距离空间通常是半封闭的，受到其他结构的遮挡，普通的测量设备无法深入，采用间接测量的方法往往影响测量的精度，导致最后制作垫片并装配后的效果与装调时的效果不尽相同，通过替换垫片无法完全还原装调时的光学元件位置。

7、利用多维调整架装调的另一个缺点是系统复杂。本身多维调整架结构复杂，成本较高，需要占用大量的空间，一些大型的光学仪器装调时还有足够的空间供多维调整架摆放，对于一些小型化的或者结构复杂的光学仪器，不仅光学元件机械壳上没有多余的空间供多维调整架夹持，多维调整架也无法将光学元件连同机械壳安放在其理论位置附近并调整。例如一些仪器的体积本身就比多维调整架小，更不要说利用多位调整架装调仪器上的元件了。

8、利用试错法，制作大量不同尺寸的垫片，这种方法显然效率很低，需要通过不断的重复性试验寻找合适的结果，而且要覆盖所有垫片尺寸需要制作大量的垫片，费时费力，效果却不一定理想。如果是批产的仪器可以采用该方法，制作的大量的垫片可以重复利用。但这种方法并不适用于单件或者小批量的产品。

技术实现思路

1、本发明为解决现有的垫片装调方法的不足，提出了一种具有尺寸自适应功能的组合垫片以及使用该自适应组合垫片的装调方法。

2、本发明提供用于光机装调的自适应组合垫片，其特征在于，所述自适应组合垫片包括厚度垫片和角度垫片，所述厚度垫片与所述角度垫片的端面相互接触；所述厚度垫片为圆柱形垫片，所述角度垫片包括球头片和锥座片；所述球头片可在所述锥座片内任意小角度旋转，用以改变所述球头片的上平面和所述锥座片的下平面之间的角度。

3、优选的，所述小角度的角度范围为0度～2度。

4、优选的，所述厚度垫片的可调整厚度范围为3mm～5mm。

5、优选的，所述球头片窝在所述锥座片中，所述球头片的球面与所述锥座片的锥面相互接触并压紧。

6、优选的，所述球头片的工作面为凸球面，所述锥座片包括凹锥面，所述凹锥面与所述凸球面配合使用。

7、本发明还提供一种光机装调方法，所述光机装调方法通过本发明的自适应组合垫片实现。

8、优选的，光机装调方法包括步骤：

9、s1、使用螺钉连接光学元件的金属壳和仪器框架，在每个螺钉位置处的界面，均插入一组组合垫片，所述组合垫片为权利要求1～6任意一项所述的自适应组合垫片；

10、s2、通过替换所述自适应组合垫片中的厚度垫片，实现光学元件的上下平移；和/或，

11、通过所述角度垫片自适应安装角度，实现光学元件的倾斜旋转。

12、与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

13、(1)对于一些没有严格力学要求的仪器，所调即所得。利用调整架装调时，需要测量光学元件机械壳与仪器框架间的距离，并制作整体垫片，测量误差影响垫片尺寸的准确性，装调过程中仪器的性能和最后完成的仪器的性能存在一定差异。而利用组合垫片进行装调，在确定了元件的合适位置后，可以直接紧固螺钉，完成装调，仪器性能在装调前后一致。

14、(2)测量垫片的尺寸更加方便、准确。利用组合垫片装调完成后，如果需要制作整体垫片，测量组合垫片的厚度更为便捷，可以将组合垫片拆下后测量，测量更为容易，准确性更高，制作的整体垫片尺寸也更为准确，降低了最终完成仪器性能下降的可能性。

15、(3)装调成本更低。相较于调整架装调，组合垫片装调法不需要复杂的调整架，只需要制作简单的厚度垫片就可以完成装调，装调成本大大降低。而相比于试错法的装调方法，制作大量不同尺寸的垫片成本还是很高的，组合垫片装调方法只需要制作形状简单的小尺寸垫片即可，而且这些小尺寸的厚度垫片还具有一定的通用性，可以在其他类似的结构位置继续使用。

16、(4)缓解螺钉紧固过程中的扭曲应力，减低光学元件面型发生变化的风险。光学元件镶嵌在机械壳中，机械壳在被螺钉卡紧的过程中，由于应力传导，还是不可避免影响光学元件的面形，尤其是在接触面不平行时，会在卡紧过程中产生扭曲应力，对光学元件面形影响极大。使用组合垫片的好处是，组合垫片中的角度垫片，由于自适应接触面间角度变化，巧妙化解了扭曲应力，使装调后整个系统的性能更好。

17、(5)通用性强。组合垫片是配合螺钉使用的，一般采用螺钉固定光学元件的光机结构形式，都可以使用组合垫片进行装调，只需要预留足够厚度空间即可。

技术特征：

1.一种用于光机装调的自适应组合垫片，其特征在于，所述自适应组合垫片包括厚度垫片和角度垫片，所述厚度垫片与所述角度垫片的端面相互接触；所述厚度垫片为圆柱形垫片，所述角度垫片包括球头片和锥座片；所述球头片可在所述锥座片内任意小角度旋转，用以改变所述球头片的上平面和所述锥座片的下平面之间的角度。

2.根据权利要求1所述的自适应组合垫片，其特征在于，所述小角度的角度范围为0度～2度。

3.根据权利要求1所述的自适应组合垫片，其特征在于，所述厚度垫片的可调整厚度范围为3mm～5mm。

4.根据权利要求1所述的自适应组合垫片，其特征在于，所述球头片窝在所述锥座片中，所述球头片的球面与所述锥座片的锥面相互接触并压紧。

5.根据权利要求1所述的自适应组合垫片，其特征在于，所述球头片的工作面为凸球面，所述锥座片包括凹锥面，所述凹锥面与所述凸球面配合使用。

6.一种光机装调方法，其特征在于，所述光机装调方法通过权利要求1～5任意一项所述的自适应组合垫片实现。

7.根据权利要求6所述的光机装调方法，其特征在于，所述光机装调方法包括步骤：

技术总结
本发明涉及光机装调技术领域，尤其涉及一种用于光机装调的自适应组合垫片以及光机装调方法，自适应组合垫片包括厚度垫片和角度垫片，厚度垫片为圆柱形垫片，角度垫片包括球头片和锥座片；球头片可在锥座片内任意小角度旋转，用以改变球头片的上平面和锥座片的下平面之间的角度；本发明的自适应组合垫片通用性强，对于一些没有严格力学要求的仪器，所调即所得，测量垫片的尺寸更加方便、准确，可缓解螺钉紧固过程中的扭曲应力，减低光学元件面型发生变化的风险；整体使得装调成本更低，应用于光机装调方法中，可以很方便的调节光学元件的空间位置，使得装调过程难度大大降低，系统像质满足指标要求。

技术研发人员：崔庆龙,林冠宇,张子辉
受保护的技术使用者：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12