专利名称：光学系统定心定位装置及其使用方法
技术领域：
本发明涉及光学系统，特别是一种用于光学系统装校时的光学系统定心定位装置及其使用方法。
背景技术：
光学中心偏差是光学仪器制造误差中一项对整机光学装配质量影响较大，同时也较难控制的误差。光学元件中心偏差的存在破坏了光学系统的共轴性，导致成像质量的下降。光学中心间隔误差是光学仪器制造误差中的另外一项重要误差，它的存在直接影响到光学系统的成像性能。
在光学系统的装校过程中，特别是精密光学系统，如投影光刻机物镜、航测镜头、 干涉仪标准镜头、激光谐振腔腔长、空间激光通信地面验证系统等的装配过程中，对光学中心偏差和中心间隔都有很严格的控制要求。
因此，在光学仪器装调过程中如何有效解决光学元件的中心偏差和中心间隔误差是保证光学系统性能的关键所在。
在实际工作中，测量光学中心偏差的方法主要有两种一种是静止法，另一种是旋转法。静止法是以某些测量仪器的视轴为基准，测量各球心自准直像偏离仪器视轴的偏差， 然后进行计算。而旋转法是以一个精密机械轴系为测量基准轴，将被测系统固定在旋转轴上，当轴系旋转时，所有的反射自准像都做划圆运动，测出各球心自准像相对于划圆中心的相对位置就得到中心偏差。
测量光学系统各元件的中心间隔主要有两种方法一种是机械法，另一种是干涉法。机械法采用接触的方式测量光学元件的中心厚度和隔圈厚度，通过计算得到光学元件之间的间隔。机械法只能在光学装校中进行测量，一旦装校工作完成，就不能测量整个光学系统的中心厚度和空气间隔了，无法判断影响成像质量的因素。机械法测量采用间接测量得到光学系统的中心空气间隔，误差一般较大。干涉法是采用迈克尔逊干涉的原理进行测量，该方法以非接触方式，通过光的干涉，测量光学元件的中心厚度和间隔，其测量精度可达纳米级，干涉法在装校过程中和装校完成后都可以进行中心厚度和间隔的测量。
目前，市场上有很多商品化的光学中心偏差测量仪，一般用于照相机镜头、摄像镜头等小型光学元件。对于投影光刻机物镜、航测镜头等高精度、大型光学仪器的光学中心偏差测量仪，只有国外少数公司可以制造，且价格非常昂贵。虽然，国内有单位研制了光学定心仪，但未形成商品化的产品。将光学中心偏差测量与光学中心厚度和间隔测量集成于一体的光学定心定位装置，在目前市场上还没有成熟的产品出现。有些单位是分别采购不同公司的光学定心仪和光学定位仪，通过一些装置将它们机械地合并在一起，这样必然大大提高采购成本。此外，市场上商品化的白光光纤干涉仪在测量过程中，只能通过观察探测到反射光束信号的强弱来判断两个光轴的对准状态，无法监视测量光束光轴和被检光学系统光轴的对准状态，无法使其测量光束光轴和被检光学系统光轴精确对准，带来测量信号弱， 不易探测，操作不便等问题。
由于工作环境的需求，一些光学系统需要采用光轴和地面平行的卧式姿态工作， 或以其它复杂姿态放置，装配这些光学系统必然要考虑光学元件自身重力带来的中心偏差。目前，市场上销售的高精度中心偏差测量仪一般采用立式旋转反射法，无法有效测量这些光学系统的中心偏差问题，如神光装置、空间激光通讯地面验证系统、光刻机照明系统等大型光学装置中都存在的大量卧式工作系统。发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明要解决的技术问题是提供一种光学系统定心定位装置及其使用方法，该装置在光学装校过程中能够同时测量光学元件的中心偏差、中心厚度和中心间隔，对光学系统进行定心定位的装置，该装置适用于卧式或具有转折光轴等复杂工作姿态同轴光学系统的装配调试，同时还可推广应用到旋转反射法光学系统的定心定位装配、光学透镜中心偏差和中心厚度的测量、光学透镜的胶合、光学透镜的定心磨边、精密角度测量、精密位置测量等。
本发明的技术解决方案如下
一种光学系统定心定位装置，特点在于其构成包括内调焦望远镜、白光光纤干涉仪、电子学部分、计算机、调整架、导轨和光学平台，上述元部件的位置关系如下
所述的白光光纤干涉仪、电子学部分、计算机和导轨置于所述的光学平台上，所述的内调焦望远镜置于所述的调整架上，所述的调整架为一个四维调整架，用于调整所述的内调焦望远镜的高低、左右位移和俯仰、方位倾斜，所述的调整架置于所述的导轨上，所述的调整架在所述的导轨上移动，用于调节所述的内调焦望远镜的轴向移动；
所述的内调焦望远镜由光源、聚光镜组、棱镜、场镜分划板、调焦镜组、固定镜组、 分光镜、中继透镜和CXD探测器组成，所述的固定镜组、调焦镜组、场镜分划板、分光镜、中继透镜和CCD探测器构成内调焦望远镜的光轴；
所述的白光光纤干涉仪的光纤耦合镜组与所述的内调焦望远镜的分光镜、场镜分划板共光轴，该白光光纤干涉仪具有对共光轴的光学系统自动扫描测量各个透镜的中心厚度和中心间隔的功能；
所述的光源发出的光，经聚光镜组的会聚，棱镜的反射，照明场镜分划板，场镜分划板的像经调焦镜组和固定镜组成像于无穷远处，当待测光学系统的被检表面的球心正好处于场镜分划板的像的位置时，该被检表面的反射光又经过所述的固定镜组、调焦镜组成像在场镜分划板的表面上，该像再经过所述的分光镜反射，中继透镜会聚成像在所述的CCD 探测器的探测面上，称为物像，所述的场镜分划板本身经所述的分光镜反射、中继透镜会聚将成像在所述的CCD探测器的探测面的中心，称为场镜分划板像；
所述的电子学部分用于控制内调焦望远镜中调焦镜组和中继镜组的移动，并记录位移信息，所述的计算机与所述的电子学部分和所述的CCD探测器相连，控制装置的协同工作和数据处理。
所述的待测光学系统或待安装光学系统为无中心遮拦的同轴光学系统，所述的待测光学系统或待安装光学系统置于所述的光学平台上。
利用上述的光学系统定心定位装置进行光学系统中心偏差和中心厚度与中心间隔的测量方法，其特点在于该方法包括下列步骤〔0019〕 ①在所述的光学系统定心定位装置的光学平台上固定好待测光学系统，使待测光 学系统的光轴大致与光学系统定心定位装置的内调焦望远镜的光轴基本一致，启动光学系 统定心定位装置；
〔0020〕 ②通过伺服电机驱动，移动内调焦望远镜中的调焦镜组，使场镜分划板通过调焦 镜组和固定镜组成像到待测光学系统的第一片透镜的第一表面的球心，第一表面的反射 光，依次经固定镜组、调焦镜组、场镜分划板、分光镜、中继透镜会聚成像在沈0探测器获得 清晰的第一表面的物像^ ；同时，场镜分划板经分光镜、中继透镜组会聚成像在沈0探测器 视场中心形成场镜分划板像&，调节所述的调整架使第一个表面的物像6与所述的场镜分 划板像3重合；
〔0021〕 ③通过伺服电机驱动，移动内调焦望远镜中的调焦镜组，使场镜分划板成像到被 检光学系统第一片透镜的第二个表面的球心，该第二个表面的反射光，依次经固定镜组、调 焦镜组、场镜分划板、分光镜、中继透镜会聚成像在沈0探测器获得清晰的第二个表面的物 像6 ；调节调整架使待测光学系统的第二个表面的物像6与位于(⑶探测器视场中心的场 镜分划板的像3重合；
〔0022〕 ④重复上述步骤②和步骤③使待测光学系统第一个表面的物像13和第二个表面 的物像6都和(⑶探测器视场中心的场镜分划板像3重合；这时所述的内调焦望远镜的光 轴与被检光学系统的第一片透镜的光轴重合，并称该光轴为基准光轴； 〔0023〕 ⑤通过伺服电机驱动，移动调焦镜组，使场镜分划板成像到待测光学系统的第三 表面的球心；通过光电编码器测量伺服电机的转动角度9，已知导轨的导程？，计算固定组
和调焦组之间的距离0 ；通过(⑶探测器采集到场镜分划板像3和物像6的图像，
360
采用质心法通过图像处理得到场镜分划板像3在(⑶探测器上的中心坐标〈X。，和物像 13在(⑶探测器上的中心坐标〈X，丫)，已知(⑶探测器的像素大小？!I，利用下列公式计算被 待测光学系统的第三表面反射的物像6与位于沈0探测器视场中心的场镜分划板像3之间 的距离(‘
〔0024〕
权利要求
1.一种光学系统定心定位装置，特征在于其构成包括内调焦望远镜(01)、白光光纤干涉仪(02)、电子学部分(03)、计算机(04)、调整架(05)、导轨(06)和光学平台(07)，上述元部件的位置关系如下所述的白光光纤干涉仪(0 、电子学部分(03)、计算机(04)和导轨(06)置于所述的光学平台(07)上，所述的内调焦望远镜(01)置于所述的调整架(0 上，所述的调整架(0 为一个四维调整架，用于调整所述的内调焦望远镜(01)的高低、左右位移和俯仰、 方位倾斜，所述的调整架(0 置于所述的导轨(06)上，所述的调整架(0 在所述的导轨 (06)的移动，用于调节所述的内调焦望远镜(01)的轴向移动；所述的内调焦望远镜(01)由光源(101)、聚光镜组(102)、棱镜(103)、场镜分划板 (104)、调焦镜组(105)、固定镜组(106)、分光镜(107)、中继透镜(108)和CCD探测器(109) 组成，所述的固定镜组(106)、调焦镜组(105)、场镜分划板(104)、分光镜(107)、中继透镜 (108)和CCD探测器(109)构成内调焦望远镜(01)的光轴；所述的白光光纤干涉仪(0 的光纤耦合镜组(20 与所述的内调焦望远镜(01)的分光镜(107)、场镜分划板(104)共光轴，该白光光纤干涉仪(0 具有对共光轴的光学系统自动扫描测量各个透镜的中心厚度和中心间隔的功能；所述的光源(101)发出的光，经聚光镜组(102)的会聚，棱镜(103)的反射，照明场镜分划板(104)，场镜分划板(104)的像经调焦镜组(10 和固定镜组(106)成像于无穷远处，当待测光学系统(08)的被检表面的球心正好处于场镜分划板(104)的像的位置时，该被检表面的反射光又经过所述的固定镜组(106)、调焦镜组(10 成像在场镜分划板(104) 的表面上，该像再经过所述的分光镜(107)反射，中继透镜(108)会聚成像在所述的C⑶探测器(109)的探测面上，称为物像，所述的场镜分划板(104)经所述的分光镜(107)反射、 中继透镜(108)会聚将成像在所述的CCD探测器(109)的探测面的中心，称为场镜分划板像；所述的电子学部分(03)用于控制内调焦望远镜01中调焦镜组和中继镜组的移动，并记录位移信息，所述的计算机(04)与所述的电子学部分(0 和所述的CCD探测器(109) 相连，控制装置的协同工作和数据处理。
2.根据权利要求1所述的光学系统定心定位装置，其特征在于被检光学系统(08)为无中心遮拦的同轴光学系统，该被检光学系统(08)置于所述的光学平台(07)上。
3.利用权利要求1所述的光学系统定心定位装置进行光学系统中心偏差和中心厚度与中心间隔的测量方法，其特征在于该方法包括下列步骤①在所述的光学系统定心定位装置的光学平台(07)上固定好待测光学系统(08)，使待测光学系统(08)的光轴大致与光学系统定心定位装置的内调焦望远镜的光轴基本一致，启动光学系统定心定位装置；②通过伺服电机驱动，移动内调焦望远镜中的调焦镜组(105)，使场镜分划板(104)通过调焦镜组(10 和固定镜组(106)成像到待测光学系统(08)的第一片透镜的第一表面的球心，第一表面的反射光，依次经固定镜组(106)、调焦镜组(105)、场镜分划板(104)、分光镜(107)、中继透镜(108)会聚成像在CXD探测器(109)获得清晰的第一表面的物像b ； 同时，场镜分划板(104)经分光镜(107)、中继透镜组会聚成像在CXD探测器(109)视场中心形成场镜分划板像a，调节所述的调整架(0 使第一个表面的物像b与所述的场镜分划CN 102538689 A板像a重合；③通过伺服电机驱动，移动内调焦望远镜中的调焦镜组(105)，使场镜分划板(104)成像到被检光学系统第一片透镜的第二个表面的球心，该第二个表面的反射光，依次经固定镜组(106)、调焦镜组(105)、场镜分划板(104)、分光镜(107)、中继透镜(108)会聚成像在 CCD探测器(109)获得清晰的第二个表面的物像b ；调节调整架(0 使待测光学系统(08) 的第二个表面的物像b与位于CCD探测器视场中心的场镜分划板的像a重合；④重复上述步骤②和步骤③使待测光学系统(08)第一个表面的物像b和第二个表面的物像b都和CCD探测器视场中心的场镜分划板像a重合；这时所述的内调焦望远镜的光轴与被检光学系统的第一片透镜的光轴重合，并称该光轴为基准光轴；⑤通过伺服电机驱动，移动调焦镜组，使场镜分划板成像到待测光学系统(08)的第三表面的球心；通过光电编码器测量伺服电机的转动角度θ，已知导轨的导程P，计算固定组和调焦组之间的距离e =-I-Xi3 ；通过CXD探测器采集到场镜分划板像a和物像b的图像，360采用质心法通过图像处理得到场镜分划板像a在CXD探测器上的中心坐标OCtl，Y0)和物像 b在CXD探测器上的中心坐标(X，Y)，已知CXD探测器的像素大小ΡΗ，利用下列公式计算被待测光学系统(08)的第三表面反射的物像b与位于CCD探测器视场中心的场镜分划板像 a之间的距离C'C=^(X-X0)2+(Y-Y0)2XPH;其中固定组的焦距f/，调焦组的焦距f2'，固定组到场镜分划板的距离L，中继透镜的倍率^为已知；利用下列公式计算出待测光学系统(08)的第三光学表面与基准光轴的中心偏差；当第三光学表面为球面时，其中心偏差为该光学表面球心到基准光轴的距离，C=C= C _ 1 _/i '/2__(7)"2^" 2βα ·βκ~2βκ J1 '.(/2 '+e-L)-L-(f2 '-e) - e2当第三光学表面是平面时，其中心偏差为该表面的法线和基准光轴的夹角，2/ο'Λ 2/’ζ 2βκ Z1'-Z2 ‘⑥重复步骤⑤，移动调焦镜组，使场镜分划板成像到待测光学系统(08)的第四表面， 第五表面，…，最后表面的球心，分别测量计算出被检表面与基准光轴的中心偏差；⑦利用白光光纤干涉仪的自动扫描测量各个透镜的中心厚度和中心间隔。
4.利用权利要求1所述的光学系统定心定位装置在光学系统装配时对待装光学系统进行光学定心定位的方法，包括下列步骤①在所述的光学系统定心定位装置的光学平台(07)上固定好待装光学系统(08)的第一片透镜，使待装光学系统(08)的光轴大致与光学系统定心定位装置的内调焦望远镜的光轴基本一致，启动光学系统定心定位装置；②通过伺服电机驱动，移动内调焦望远镜中的调焦镜组(105)，使场镜分划板(104)通过调焦镜组(10 和固定镜组(106)成像到第一片透镜的第一表面的球心，第一表面的反射光，依次经固定镜组(106)、调焦镜组(105)、场镜分划板(104)、分光镜(107)、中继透镜 (108)会聚成像在CCD探测器(109)获得清晰的第一表面的物像b ；同时，场镜分划板(104)经分光镜(107)、中继透镜组会聚成像在CXD探测器(109)视场中心的场镜分划板像a，调节所述的调整架(0 使第一个表面的物像b与所述的场镜分划板像a重合；③通过伺服电机驱动，移动调焦镜组(105)，使场镜分划板(104)成像到被检光学系统第一片透镜的第二个表面的球心，该第二个表面的反射光，依次经固定镜组(106)、调焦镜组(105)、场镜分划板(104)、分光镜(107)、中继透镜(108)会聚成像在CCD探测器(109) 获得清晰的第二个表面的物像b ；调节调整架05使第二个表面的物像b与位于CCD探测器视场中心的场镜分划板的像a重合；④重复上述步骤②和步骤③使第一个表面物像b和第二个表面的物像b都和CXD探测器视场中心的场镜分划板像a重合；这时内调焦望远镜的光轴与被检光学系统的第一片透镜的光轴重合，并称该光轴为基准光轴；⑤根据第二片透镜与第一片透镜的设计的间距安装第二片透镜；⑥重复上述步骤②和步骤③，调整所述的第二片透镜，使第二片透镜的两个表面的物像b均与位于CXD探测器视场中心的场镜分划板像a重合，完成第二片透镜的定心；⑦用白光光纤干涉仪测量第一片透镜与第二片透镜的中心间隔，当测量的中心间隔的误差在设计公差范围内，不做调整，即进入步骤⑧，当测量的中心间隔的误差超出设计公差范围，返回步骤⑤；⑧根据第三片透镜与第二片透镜的设计的间距安装并调整第三片透镜，重复上述步骤 ⑥和步骤⑦；⑨依次类推，完成光学系统的定心定位。
全文摘要
一种光学系统定心定位装置及其使用方法，该装置的构成包括内调焦望远镜、白光光纤干涉仪、电子学部分、计算机、调整架、导轨和光学平台，本发明装置在光学装校过程中能够同时测量光学元件的中心偏差、中心厚度和中心间隔，对光学系统进行定心定位的装置，该装置适用于卧式或具有转折光轴等复杂工作姿态同轴光学系统的装配调试，同时还可推广应用到旋转反射法光学系统的定心定位装配、光学透镜中心偏差和中心厚度的测量、光学透镜的胶合、光学透镜的定心磨边、精密角度测量、精密位置测量等。
文档编号G01B11/26GK102538689SQ20111045294
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者曾爱军, 朱菁, 杨宝喜, 肖艳芬, 胡中华, 谢承科, 陈明, 黄惠杰 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所