高精度光学镜头定心装校方法

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1、高精度光学镜头定心装校方法高精度光学镜头定心装校方法 蒋世磊 1,2 付新国1 李 蕾1 （1.中国科学院光电技术研究所 成都 610209；2.中国科学院研究生院 北京 100039） 摘 要摘 要：光学镜头定心装校是高精度光学镜头装配生产过程中必不可少的阶段，光学镜头定心 装校质量的好坏直接影响光学镜头的成像质量。车削定心修切装校方法和精研磨定心装校方法是高 精度光学镜头定心装校常用的方法， 本文叙述了光学中心误差的定义， 介绍了用 CELAS 软件分析评 价光学系统中心误差，对两种光学镜头定心装校方法的特点、适用范围、典型结构、方法步骤和所 能达到的定心精度，进行了较为全面的分析，给出了

2、两种方法定心装校镜头实例及镜头中心误差实 测数据。 关键词关键词：光学镜头；定心装校；光学中心误差 1. 引引 言言 随着航空航天等军工技术的快速发展，高精度可见、红外光学镜头越来越广泛地被用于这些领 域。光学镜头定心装配，是高精度光学镜头装校过程中最为关键过程之一，光学镜头定心装配广泛 应用于航空航天军工领域的高精度光学镜头的装配于调校，该方法在光学材料光学最大限度的挖掘 镜头潜力，提高光学镜头的成像质量，最大限度满足用户需求。 2. 光学透镜中心误差概述光学透镜中心误差概述 2.1 光学中心误差定义光学中心误差定义 中心误差：光学表面定心顶点处的法线对基准轴的偏离量。 中心误差是用光学表面

3、定心顶点处的法线与基准轴的夹角来度量，此夹角称为面倾角，用字母 表示（见图 1） 。 定心顶点：光学表面与基准轴的交点。 基准轴：用来标注、检验和校正中心误差的一条确定的直线该直线应体现系统的光轴。 图图 1 面倾角测量面倾角测量 2.2 光学中心误差测量与基准的确定光学中心误差测量与基准的确定 光学中心误差测量：在本文探讨的装调方法中采用对心器和中心偏来测量。它们测量原理相同， 是通过测量透镜球心像的划圆量，来计算光学中心误差的。 基准轴的选定：单透镜可根据透镜安装表面的形状和装夹条件来选定基准轴；胶合镜除了可选 用单透镜中部分标准外，也可选定心仪的旋转轴为胶合镜的基准轴。具体参阅 GB72

4、42-87。 对于光学镜头而言，光学中心误差远比上述的复杂，光学中心误差我们用光学镜头各个球面球 心对基准轴或者评价光轴的偏移量的大小来评定的。我们使用由中国科学院光电技术研究所研发的 CELAS 软件即光学系统中心误差分析软件（Centering Errors of Lenses Analysis Software）进行测量 分析计算，从而给出光学系统的中心误差结果。 3. 光学镜头定心装校方法光学镜头定心装校方法 光学镜头定心装校方法比较多，诸如透射定心、反射定心、激光定心等，设计者可根据需要选 择适合的方法，对光学镜头进行定心装校，使镜头的中心误差达到设计要求。常用的光学镜头定心 装校方

5、法有以下两种，一种是车削定心修切装校方法；另一种是精研磨定心装校方法，以下分别叙 述两种方法的特点和适用范围、典型结构、方法步骤、能达到的精度。 3.1 车削定心修切装校方法车削定心修切装校方法 车削定心修切装校方法，是目前光学镜头定心装校比较常用的方法，该方法是将光学透镜首先 胶固定在镜框内，光学透镜连同镜框固定于车床的万向卡头上，用定心器对其偏心进行监视调整， 当被测透镜光学中心与车床转轴中心重合时再对其外圆和端面进行精密车削，从而保证透镜光轴于 镜框的外圆同心于镜框端面垂直，进而保证整个镜头的光学中心误差小于设计要求。 3.1.1 车削定心修切装校适用范围 车削定心修切装校适用范围 车削

6、定心修切装校适用于对光学镜头的定心精度有一定要求，光学透镜的几何尺寸不太大，口 径小于 80mm,并可以承受一定的震动冲击。由于车削定心修切装校的效率不高，因此，该方法只适 合单件小批量光学镜头的装配生产。 3.1.2 车削定心修切装校的典型结构 车削定心修切装校的典型结构 用于车削定心修切装校的光学镜头，一般有双层结构，内外之间采用精密配合，以保证镜头最 终精度，如图 2 所示。 3.1.3 车削定心修切装校的方法步骤 车削定心修切装校的方法步骤 车削定心修切装校一般由以下几个步骤完成： （1）准备必要的工艺工装如车床用万向调节头、内调焦对心器，将被车削透镜装入镜框用胶固 定。 （2）调节对

7、心，将胶入镜框的透镜连同镜框固定于万向调节头上，用对心器观测透镜球心像， 调节万向调节头，使两个球心像划圆最小。 （3）保持观测透镜球心像不动，紧固万向调节头，对透镜镜框进行外圆和端面的精密车削，使 其达到配合尺寸精度要求。 透镜组件 3透镜组件 2 透镜组件 1台阶面 各组件压圈 镜筒 图图 2 用于车削定心修切装校的光学镜头示意图用于车削定心修切装校的光学镜头示意图 （4）将车削合格的透镜组件进行清洁，装入整个镜头的镜框，然后紧固点胶，完成整个镜头的 装配。 3.1.4 车削定心修切装校的精度 车削定心修切装校的精度 车削定心修切装校适合于中心误差有一定要求，结构尺寸较小，小批量生产的光学

8、镜头的装校， 该方法加工的镜头中心误差一般在 30到 2之间，能够满足有一定要求的光学镜头装配要求。 3.2 精研磨定心装校方法精研磨定心装校方法 精研磨定心装校方法精度高，一般只用于精度要求很高的光学镜头的定心装校。 3.2.1 精研磨定心装校方法适用范围 精研磨定心装校方法适用范围 精研磨定心装校方法一般适用于高精度镜头装调，如高分辨率光刻物镜、高分辨率航测镜头和 高分辨率成像物镜等，并且镜头在结构上一般要有双层镜框，以便实现精研磨调校，如下 2.2 中所 讲的结构即常用镜头结构。 3.2.2 精研磨定心装校典型结构 精研磨定心装校典型结构 能够进行精研磨定心装较的典型结构如图 4 所示：

9、 该类结构的主要特点是：镜头中每个透镜都单独装在一个金属镜框内，而每个金属镜框在镜筒 内各自单独对应一个定位的台阶面，并且由压圈固定在镜筒内，镜筒上要有顶丝孔，用于调节平移； 对单个透镜组件而言，金属镜框的修正面距离玻璃面要有一定量距离，为便于研磨，修正面一般做 成较窄的环状，修正面用于研磨以调整倾斜。 3.2.3 精研磨定心装校的方法步骤 精研磨定心装校的方法步骤 一个镜头一般由两三片以上的透镜组成，现以 2.2 中所示镜头为例来分析精研磨定心装较的方 法和步骤： 图示镜头中共有三片镜子，其中透镜组件 1 是从镜桶右端装入，透镜组件 2、3 是从镜桶左端装 托框 胶合镜内调焦对心器 高精度车

10、床万向调节头联接件 图图 3 车削定心修切装校步骤车削定心修切装校步骤 透镜组件 3 台阶面 透镜组件 2 透镜组件 1 顶丝孔 各组件压圈镜筒 镜头示意图镜片组件 压圈 橡 胶 垫 修 正 面 图图 4 进行精研磨定心装较的典型结构图进行精研磨定心装较的典型结构图 入。在装之前先要计算各球心像的位置，之后开始装调。 首先对组件 1 进行车削定心修切端面和外圆，具体方法如上述，外圆的修切量要根据镜桶口径 而定，配合间隙要尽量小一些，修切好之后直接将其装入镜筒，在确保镜框修切面与镜筒台阶面完 全接触后，拧上压圈并点胶。然后将装有第一块镜子的镜筒用工装大致固定于中心偏转台的中心， 锁紧程度以用手不

11、能轻松搬动为准。从中心偏测量头观察两个球心像（需分别调焦） ，先将离支点近 的球心像通过调镜筒平移至划圆量近似为零，再将离支点远的球心像通过调转台倾斜至划圆量近似 为零（如下图示） ，如此反复调节，直至两个球心像划圆量满足要求。其中平移是靠轻轻敲击工装从 而带动镜头移动来完成的，而倾斜是通过调整中心偏上的调平机构来完成的。至此完成了第一片镜 子的装调，同时也为整个镜头装调建立了基准。 在装第二块镜子前，先要测量 1 和 2 两块镜子之间空气间隔，如果间隔较小，则直接将组件 2 放入镜筒内并在镜筒对应位置装上顶丝，调节顶丝使镜框在镜筒内平移，直至离支点近的球心像划 圆量近似为零，然后观察另一球心

12、像划圆量，并根据该划圆量进行研磨，最终研磨至该球心像划圆 量满足要求，该研磨是倾斜研磨，之后如果间隔不到位则可通过平研来修正，此过程在具体操作时 一般在调倾斜过程中完成。 如果间隔较大，则先进行车削定心修切，使间隔适当大于要求值（余量应保证能够将倾斜调到 位） ，然后重复以上步骤。 3.2.4 精研磨定心装校达到精度 精研磨定心装校达到精度 经过精研磨定心装较的单个透镜光轴与镜头基准轴的夹角能够控制在 10 个甚至 5 个角秒以内， 该方法精度很高，但是加工效率低，生产周期长，加工成本高，只适合高精度单件小批量光学镜头 的加工生产。 4. 两种定心装校的镜头中心误差测试结果示例两种定心装校的镜

13、头中心误差测试结果示例 4.1 车削定心修切装校镜头的测试结果车削定心修切装校镜头的测试结果 以图 6 所示镜头为例； 球心像 2 球心像 1 支点 高精度旋转轴 图图 5 球心像通过调转台倾斜至划圆量近似为零球心像通过调转台倾斜至划圆量近似为零 图图 6 车削定心修切装校镜头车削定心修切装校镜头 图图 7 镜头示意图镜头示意图 该镜头经车削定心修切装校后的测试结果如下： 表表 1 车削定心修切装校镜头经车削定心修切装校后的测试结果车削定心修切装校镜头经车削定心修切装校后的测试结果 序号 r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 1.872 1.264 0.853 2.645 0.643

14、 1.116 1.364 1.426 偏 心 c 0.0341 0.0213 0.01340.03520.05340.13460.0428 0.0534 序号 R9 R10 R11 r12 R13 R14 R15 R16 1.534 2.056 0.873 1.221 1.389 1.624 1.326 1.537 偏 心 c 0.0634 0.2163 0.03160.05360.03680.13400.0671 0.0351 序号 R17 R18 R19 R20 R21 R22 1.713 1.352 1.531 1.003 0.925 0.340 偏 心 c 0.0735 0.0391

15、0.09730.06420.09750.0672 4.2 精研磨定心修切装校镜头的测试结果精研磨定心修切装校镜头的测试结果 以图 7 所示镜头为例，该镜头经精研磨定心修切装校后的测试结果如下： 表表 2 图图 7 镜头经精研磨定心修切装校后的测试结果镜头经精研磨定心修切装校后的测试结果 序号 r1 r2 r3 r4 r5 r6 r7 r8 -2.5782 -7.2082 9.1984 -8.1338 9.98973-9.4733 -8.5515 3.9982 偏 心 c 0.00143 0.01080 0.052640.002350.009490.6802 0.00313 0.00503 表中表示球心像的角偏心误差，单位为 s；c 表示球心像的线偏心误差，单位为 mm。 5. 结束语结束语 通过两种方法光学镜头的装校实例和实测数据的对比我们可以看出，车削定心修切装校与精研 磨定心修切装校各自的特点和适用的对象以及所能达到的定心精度， 以便设计者根据需要参考定夺。