大口径空间光学相机镜头装调系统及装调方法与流程

本发明涉及空间光学遥感技术领域，具体涉及一种大口径空间光学相机镜头装调系统及装调方法。

背景技术：

大口径空间光学相机镜头通常为反射式光学系统，一般由主反射镜、次反射镜和第三反射镜构成。对于大口径空间光学相机镜头，三个反射镜需要具有极高的相对位置精度，以保证光学系统的成像质量。在大口径空间光学相机镜头的研制生产过程中可通过对各反射镜的高精度装调，最终使光学系统的成像质量满足要求。然而，由于大口径空间光学相机镜头工作在太空的微重力环境中，其结构在地面时所受到的重力会消失，而重力变化会导致各反射镜间的相对位置精度下降，进而降低光学系统的成像质量。因此，在对大口径空间光学相机镜头进行设计和装调时，需要尽量降低重力变化对各反射镜间相对位置精度的影响，以保证光学系统的成像质量。

目前，空间光学相机镜头通常采用光轴水平的装调方式，这种装调方式是将相机镜头、装调工装和检测设备平铺在隔振平台上简单错位布置，相机镜头采用高刚度的结构设计，这样在入轨工作后，重力变化引起的各反射镜间相对位置精度的变化很小，光学系统的成像质量变化不大。但是，上述这种装调方法只适用于口径较小的空间光学相机镜头，对于大口径空间光学相机镜头，由于其结构尺寸巨大，特别是主反射镜和次反射镜的间距较大(近似于悬臂结构)，其结构挠度大，重力变化引起的各反射镜间相对位置精度变化较大，导致光学系统的光学传递函数大幅度下降，光学系统成像质量大幅度下降。

综上所述，亟需研制出一种适用于大口径空间光学相机镜头的装调系统及方法，以消除重力变化引起的光学系统中各反射镜间相对位置精度变化较大的问题。

技术实现要素：

为了解决大口径空间光学相机镜头在地面光轴水平完成装调后，由于光学系统中的主次镜间距较大造成的悬臂效应对重力变化非常敏感，进入太空的微重力环境后，各反射镜间相对位置精度会发生较大变化，造成光学系统的光学传递函数和成像质量大幅度下降的问题，本发明提供一种大口径空间光学相机镜头装调系统及装调方法。

本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的大口径空间光学相机镜头装调系统，包括：

镜头装调架；

均匀分布在镜头装调架下端内壁圆周上的三个镜头连接座；

固定在镜头装调架上端的次镜装调架；

固定在次镜装调架下表面中心的次镜调整架；

固定连接在镜头装调架顶端的平面镜二维调整机构；

固定在平面镜二维调整机构上的平射镜；

放置在镜头装调架底端的干涉仪调整架；

安装在干涉仪调整架上的干涉仪；

固定在镜头装调架下端内壁上的三镜调整架；

相机镜头，其光轴沿着竖直方向设置，包括相机基板、均匀分布在相机基板下表面圆周且与三个镜头连接座一一对应相连的三个连接支座、固定在相机基板下表面的后支架、固定在相机基板上表面的主镜组件、固定在相机基板上表面边缘的相机框架、固定在后支架上的第一折叠镜组件和第二折叠镜组件、固定在次镜调整架下表面中心同时通过次镜垫块安装在相机框架上端中心的次镜组件、固定在三镜调整架上同时通过三镜垫块安装在相机基板下表面的三镜组件；所述第一折叠镜组件与相机镜头光轴成45°夹角，所述第一折叠镜组件中心位于相机镜头视轴上；

所述平面镜、次镜组件、主镜组件三者的光轴均与相机镜头的光轴重合。

进一步的，通过次镜调整架实现对次镜组件在X轴、Y轴、Z轴三个平动方向和俯仰、扭摆、旋转三个转动方向上的六维调整。

进一步的，通过平面镜二维调整机构实现对平面镜在俯仰、扭摆两个转动方向上的调整。

进一步的，通过干涉仪调整架实现对干涉仪在俯仰、扭摆两个转动方向和X轴、Y轴、Z轴三个平动方向上的五维调整。

进一步的，通过三镜调整架实现对三镜组件在X轴、Y轴、Z轴三个平动方向和俯仰、扭摆、旋转三个转动方向上的六维调整。

本发明还提供了一种大口径空间光学相机镜头装调方法，包括以下步骤：

步骤一、先将连接支座固定在相机基板下表面，再将主镜组件按照其理论位置固定在相机基板上表面，最后将相机框架通过定位销与相机基板进行定位后紧固；

步骤二、先将镜头连接座固定在镜头装调架下端内壁上，再将相机基板连同连接支座、主镜组件、相机框架吊装到镜头装调架上，最后将连接支座与镜头连接座紧固连接，保证相机镜头1的光轴沿着竖直方向；

步骤三、将平射镜固定在平面镜二维调整机构上，再将二者整体固定在镜头装调架顶端；

步骤四、将后支架固定在相机基板下表面，将第一折叠镜组件按照其理论位置固定在后支架上；

步骤五、将次镜装调架、次镜调整架和次镜组件固连后安装到镜头装调架上端，通过调整干涉仪调整架调整干涉仪使其位于一次像面处；

步骤六、采用系统自准直方法，所述干涉仪从一次像面处发出的光束依次经第一折叠镜组件、相机基板、主镜组件、次镜组件、主镜组件、平射镜反射后按照原光路反射回干涉仪中，最终形成干涉条纹和系统波前误差，根据干涉条纹中的像差类型和大小多次调整次镜调整架消除像差，实现主镜组件和次镜组件相对位置的精确调整；

步骤七、测量次镜组件与相机框架各连接点之间的距离，修研次镜垫块，将次镜组件、次镜垫块、相机框架固连后将次镜装调架、次镜调整架移除；

步骤八、将第二折叠镜组件按照其理论位置固定在后支架上，将三镜组件与三镜调整架固定后放置在三镜组件处，通过调整干涉仪调整架调整干涉仪使其位于二次像面处；

步骤九、采用系统自准直方法，所述干涉仪从二次像面处发出的光束依次经第二折叠镜组件、三镜组件、第一折叠镜组件、相机基板、主镜组件、次镜组件、主镜组件、平射镜反射后按照原光路反射回干涉仪中，最终形成干涉条纹和系统波前误差，根据干涉条纹中的像差类型和大小多次调整三镜调整架消除像差，实现三镜组件、主镜组件和次镜组件相对位置的精确调整；

步骤十、测量三镜组件与相机基板各连接点之间的距离，修研三镜垫块，将三镜组件、三镜垫块、相机基板固连后将三镜调整架移除，完成相机镜头整体装调。

本发明的有益效果是：

1、本发明的大口径空间光学相机镜头装调系统，采用平面镜、干涉仪和相机镜头的系统自准直检测方法，通过微调各反射镜间相对位置进行相机镜头的精密调整，同时采用相机镜头光轴竖直方向的装调结构，可以保证大口径空间光学相机镜头在地面完成装调后，进入太空的微重力环境时，各反射镜间相对位置精度变化较小，光学系统成像质量基本保持不变。本发明的大口径空间光学相机镜头装调系统，结构简单，操作方便，装调难度小。

2、本发明的大口径空间光学相机镜头装调方法，由于采用了相机镜头的光轴竖直方向的装调方式，主次镜间几乎无悬臂，结构刚度高，因此在大口径空间光学相机镜头进入太空的微重力环境时，各反射镜间相对位置精度变化较小，光学系统成像质量基本保持不变。本发明的大口径空间光学相机镜头装调方法，操作简单可靠，具有极佳的工程可实施性。

3、本发明的大口径空间光学相机镜头装调系统及装调方法适用于光学遥感器反射镜检测以及光学系统装调等领域。

附图说明

图1为相机镜头的主视图。

图2为图1所示的相机镜头的俯视图。

图3为本发明的大口径空间光学相机镜头装调系统的剖面图。

图4为本发明的大口径空间光学相机镜头装调系统的剖面图。

图中：1、相机镜头，101、相机框架，102、次镜组件，103、次镜垫块，104、主镜组件，105、相机基板，106、后支架，107、第一折叠镜组件，108、三镜组件，109、三镜垫块，110、第二折叠镜组件，111、一次像面，112、二次像面，113、连接支座，2、镜头装调架，3、镜头连接座，4、次镜装调架，5、次镜调整架，6、平面镜，7、平面镜二维调整机构，8、干涉仪，9、干涉仪调整架，10、三镜调整架。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的大口径空间光学相机镜头装调系统，主要包括：相机镜头1、镜头装调架2、三个镜头连接座3、次镜装调架4、次镜调整架5、平面镜6、平面镜二维调整机构7、干涉仪8、干涉仪调整架9、三镜调整架10。

如图1至图4所示，三个镜头连接座3通过螺钉固定连接在镜头装调架2下端内壁上，三个镜头连接座3沿着镜头装调架2下端内壁圆周均匀分布。次镜装调架4固定连接在镜头装调架2上端。次镜调整架5固定连接在次镜装调架4下表面中心，次镜调整架5可以实现三个平动方向(X轴、Y轴、Z轴)和三个转动方向(俯仰、扭摆、旋转)的六维调整。平射镜6固定连接在平面镜二维调整机构7上。平面镜二维调整机构7固定连接在镜头装调架2顶端，平面镜二维调整机构7可以实现俯仰和扭摆两个转动方向的调整。干涉仪调整架9放置在镜头装调架2底端，干涉仪调整架9可以实现绕相机镜头1的光轴转动以外的两个转动方向(俯仰、扭摆)和三个平动方向(X轴、Y轴、Z轴)的五维调整。干涉仪8安装在干涉仪调整架9上。三镜调整架10固定在镜头装调架2下端内壁上，三镜调整架10可以实现三个平动方向(X轴、Y轴、Z轴)和三个转动方向(俯仰、扭摆、旋转)的六维调整。次镜调整架5、平面镜二维调整机构7、干涉仪调整架9、三镜调整架10的调整量和调整精度均需要根据具体的光学设计公差精度进行确定。

如图1至图4所示，相机镜头1包括：相机框架101、次镜组件102、次镜垫块103、主镜组件104、相机基板105、后支架106、第一折叠镜组件107、三镜组件108、三镜垫块109、第二折叠镜组件110、一次像面111、二次像面112、三个连接支座113。相机基板105中心为通孔，该通孔尺寸与主镜组件104的中心孔尺寸相同。三个连接支座113均通过螺钉固定连接在相机基板105下表面，三个连接支座113沿着相机基板105下表面圆周均匀分布。后支架106通过螺钉固定连接在相机基板105下表面。主镜组件104通过螺钉固定连接在相机基板105上表面。相机框架101先通过定位销与相机基板105进行定位，再通过螺钉将两者紧固连接，相机框架101固定连接在相机基板105上表面边缘。将连接后的相机基板105整体(即相机基板105连同连接支座113、主镜组件104、相机框架101)吊装到镜头装调架2上，然后将三个连接支座113分别与三个镜头连接座3采用螺钉紧固，使相机镜头1与镜头调整架2稳固的连接在一起。次镜组件102固定连接在次镜调整架5下表面中心，同时次镜组件102通过次镜垫块103安装在相机框架101上端中心。第一折叠镜组件107通过螺钉固定连接在后支架106上，第一折叠镜组件107位于相机基板105的通孔下端，第一折叠镜组件107与相机镜头1的光轴成45°夹角，第一折叠镜组件107的中心位于相机镜头1的视轴上。三镜组件108固定连接在三镜调整架10上，同时三镜组件108通过三镜垫块109安装在相机基板105下表面。第二折叠镜组件110通过螺钉固定连接在后支架106上。在对次镜组件102、主镜组件104和三镜组件108进行装调的过程中，需要平面镜6和干涉仪8共同进行微调以实现其精密调整。

上述的平面镜6、次镜组件102、主镜组件104三者的均光轴与相机镜头1的光轴重合。

本发明的一种大口径空间光学相机镜头装调方法，是通过上述的大口径空间光学相机镜头装调系统实现的，主要采用相机镜头1的光轴竖直方向的装调方式，其具体的装调过程如下：

步骤一、先将连接支座113固定在相机基板105下表面，再将主镜组件104按照其理论位置固定在相机基板105上表面，最后将相机框架101通过定位销与相机基板105进行定位后紧固；

步骤二、先将镜头连接座3固定在镜头装调架2下端内壁上，再将相机基板105连同连接支座113、主镜组件104、相机框架101吊装到镜头装调架2上，最后将连接支座113与镜头连接座3紧固连接，保证相机镜头1的光轴沿着竖直方向；

步骤三、将平射镜6固定在平面镜二维调整机构7上，再将二者整体固定在镜头装调架2顶端；

步骤四、将后支架106固定在相机基板105下表面，将第一折叠镜组件107按照其理论位置固定在后支架106上；

步骤五、将次镜装调架4、次镜调整架5和次镜组件102固连后安装到镜头装调架2上端，通过调整干涉仪调整架9调整干涉仪8使其位于一次像面111处；

步骤六、采用系统自准直方法，所述干涉仪8从一次像面111处发出的光束依次经第一折叠镜组件107、相机基板105、主镜组件104、次镜组件102、主镜组件104、平射镜6反射后按照原光路反射回干涉仪8中，最终形成干涉条纹和系统波前误差，根据干涉条纹中的像差类型和大小多次调整次镜调整架5消除像差，使系统波前误差RMS值优于λ/15，实现主镜组件104和次镜组件102相对位置的精确调整；

步骤七、测量次镜组件102与相机框架101各连接点之间的距离，修研次镜垫块103，将次镜组件102、次镜垫块103、相机框架101固连后将次镜装调架4、次镜调整架5移除；

步骤八、将第二折叠镜组件110按照其理论位置固定在后支架106上，将三镜组件108与三镜调整架10固定后放置在三镜组件108处，通过调整干涉仪调整架9调整干涉仪8使其位于二次像面112处；

步骤九、采用系统自准直方法，所述干涉仪8从二次像面112处发出的光束依次经第二折叠镜组件110、三镜组件108、第一折叠镜组件107、相机基板105、主镜组件104、次镜组件102、主镜组件104、平射镜6反射后按照原光路反射回干涉仪8中，最终形成干涉条纹和系统波前误差，根据干涉条纹中的像差类型和大小多次调整三镜调整架10消除像差，使系统波前误差RMS值优于λ/10，实现三镜组件108、主镜组件104和次镜组件102相对位置的精确调整；

步骤十、测量三镜组件108与相机基板105各连接点之间的距离，修研三镜垫块109，将三镜组件108、三镜垫块109、相机基板105固连后将三镜调整架10移除，完成相机镜头1整体装调。

具体实施方式一

针对一个口径2.5m、主镜与次镜间隔达到3.5m、焦距为30m的大口径空间光学相机镜头进行装调，具体过程如下：

步骤一、将三个连接支座113通过螺钉固定连接在相机基板105下表面，三个连接支座113沿着相机基板105下表面圆周均匀分布，将主镜组件104按照其理论位置通过螺钉固定连接在相机基板105上表面，将相机框架101与相机基板105通过定位销进行定位，然后将相机框架101通过螺钉固定连接在相机基板105上表面边缘。

步骤二、将三个镜头连接座3通过螺钉固定连接在镜头装调架2下端内壁上，三个镜头连接座3沿着镜头装调架2下端内壁圆周均匀分布，将连接后的相机基板105整体(相机基板105连同连接支座113、主镜组件104、相机框架101)吊装到镜头装调架2上，然后采用螺钉将三个连接支座113分别与三个镜头连接座3进行紧固连接，使相机镜头1与镜头调整架2稳固的连接在一起，同时，需要保证相机镜头1的光轴沿着竖直方向。

步骤三、将平射镜6固定连接在平面镜二维调整机构7上，将平面镜二维调整机构7连同平面镜6固定连接在镜头装调架2顶端。

步骤四、将后支架106通过螺钉固定连接在相机基板105下表面，将第一折叠镜组件107按照其理论位置通过螺钉固定连接在后支架106上。

步骤五、如图3所示，将次镜装调架4、次镜调整架5和次镜组件102通过螺钉固定连接在一起后安装到镜头装调架2上端，将干涉仪8安装在干涉仪调整架9上，通过调整干涉仪调整架9来调整干涉仪8的位置，使用卷尺等粗定位工具进行测量，使干涉仪8位于一次像面111的理论位置附近。

步骤六、如图3所示，采用系统自准直的检测方法，干涉仪8从一次像面111处发出光束射到第一折叠镜组件107上，被第一折叠镜组件107反射后依次通过相机基板105的通孔、主镜组件104的中心孔入射到次镜组件102上，次镜组件102将接收到的光束反射到主镜组件104上，主镜组件104将接收到的光束反射到平射镜6上，反射到平射镜6上的光束再按照原光路反射回干涉仪8中(即光束按照平面镜6、主镜组件104、次镜组件102、第一折叠镜组件107、干涉仪8的顺序进行反射)，最终形成干涉条纹和系统波前误差，由于主镜组件104和次镜组件102之间存在0.3mm左右的初始位置误差，因此形成的干涉条纹中会出现球差、慧差和像散等像差，系统波前误差也会比较大，根据像差的类型和大小多次微调次镜调整架5消除像差，使系统波前误差RMS值优于λ/15(λ是光学系统检测时，干涉仪8发出的激光束的波长，λ＝632.8nm)的设计要求，实现主镜组件104和次镜组件102两者之间相对位置的精确调整。

步骤七、使用内径千分表等高精度测量工具测量次镜组件102与相机框架101各连接点之间的距离，修研次镜垫块103，将次镜组件102、次镜垫块103、相机框架101通过螺钉固定连接在一起，然后将次镜装调架4、次镜调整架5与次镜组件102之间的连接螺钉松开，并将次镜装调架4、次镜调整架5移除。

步骤八、如图4所示，将第二折叠镜组件110按照其理论位置通过螺钉固定连接在后支架106上，将三镜组件108与三镜调整架10通过螺钉固定连接后放置在三镜组件108的理论位置附近，通过调整干涉仪调整架9来调整干涉仪8的位置，使用卷尺等粗定位工具进行测量，使干涉仪8位于二次像面112的理论位置附近。

步骤九、如图4所示，采用系统自准直的检测方法，干涉仪8从二次像面112处发出光束射到第二折叠镜组件110上，第二折叠镜组件110将接收到的光束反射到三镜组件108上，三镜组件108将接收到的光束反射到第一折叠镜组件107上，第一折叠镜组件107对接收到的光束进行反射后依次通过相机基板105的通孔、主镜组件104的中心孔入射到次镜组件102上，次镜组件102将接收到的光束反射到主镜组件104上，主镜组件104将接收到的光束反射到平射镜6上，反射到平射镜6上的光束再按照原光路反射回干涉仪8中(即光束按照平面镜6、主镜组件104、次镜组件102、第一折叠镜组件107、干涉仪8的顺序进行反射)，最终形成干涉条纹和系统波前误差，由于三镜组件108与由主镜组件104和次镜组件102组成的系统间存在0.4mm左右的初始位置误差，因此形成的干涉条纹中会出现球差、慧差和像散等像差，系统波前误差也会比较大，根据像差的类型和大小多次微调三镜调整架10消除像差，使系统波前误差RMS值优于λ/10(λ是光学系统检测时，干涉仪8发出的激光束的波长，λ＝632.8nm)的设计要求，实现三镜组件108、主镜组件104和次镜组件102三者之间相对位置的精确调整。

步骤十、使用内径千分表等高精度测量工具测量三镜组件108与相机基板105各连接点之间的距离，修研三镜垫块109，将三镜组件108、三镜垫块109、相机基板105通过螺钉固定连接在一起，然后将三镜调整架10与三镜组件108之间的连接螺钉松开，并将三镜调整架10移除，完成相机镜头1的整体装调。

本实施方式中，各反射镜的理论位置可以理解为：

主镜组件104中的主镜与次镜组件102中的次镜之间的相对位置关系为：主镜中心与次镜中心均位于相机镜头1的光轴上，主镜中心与次镜中心沿相机镜头1光轴方向上的距离为3500mm。

次镜组件102中的次镜与第一折叠镜组件107中的第一折叠镜之间的相对位置关系为：次镜中心与第一折叠镜中心沿相机镜头1光轴方向上的距离为4100mm，沿垂直于相机镜头1光轴方向上的距离为107mm。

第一折叠镜组件107中的第一折叠镜与一次像面111之间的相对位置关系为：第一折叠镜中心与一次像面111中心沿相机镜头1光轴方向上的距离为112mm，沿垂直于相机镜头1光轴方向上的距离为455mm。

一次像面111与三镜组件108中的三镜之间的相对位置关系为：一次像面111中心与三镜中心沿相机镜头1光轴方向上的距离为121mm，沿垂直于相机镜头1光轴方向上的距离为615mm。

三镜组件108中的三镜与第二折叠镜组件110中的第二折叠镜之间的相对位置关系为：三镜中心与第二折叠镜中心沿相机镜头1光轴方向上的距离为31mm，沿垂直于相机镜头1光轴方向上的距离为1637mm。

第二折叠镜组件110中的第二折叠镜与二次像面112之间的相对位置关系为：第二折叠镜中心与二次像面112中心沿相机镜头1光轴方向上的距离为129mm，沿垂直于相机镜头1光轴方向上的距离为1026mm。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。