[发明专利]光学元件光轴与机械轴偏差测试系统、测试方法以及偏差修正方法

说明书

光学元件光轴与机械轴偏差测试系统、测试方法以及偏差修正方法。涉及光学元件加工领域，解决了机械臂加工光学元件误差大的问题。将光学元件与高精度转台精密定位并夹紧；将光学元件光轴与干涉仪光轴调整至重合状态，记录角度初值；将光学元件转动180°，记录慧差量、倾斜量。将光学元件调整至慧差量为零状态，记录调整过程中角度变化量。根据上述步骤中慧差量、倾斜量以及夹角分析计算，获得光学元件光轴与机械轴的偏移量。以测试结果为依据采用机械臂夹持光学元件进行表面精密抛修。本发明可应用于光学加工阶段对光学元件的光轴与镜体机械轴偏差的精确测量和修正工作中，降低系统调试难度和集成耗时，实现高效装调。

技术领域

本发明涉及光学元件加工领域，具体涉及光轴与机械轴偏差的测试和修正技术。

背景技术

光学元件镜体是光学成像系统集成时依据的主要装调基准。光学元件的光学表面型状主要有：平面、球面与非球面，在光学系统多个元件集成组装为光学系统时，当与其所在镜体存在位置误差(偏心、倾斜等)时，需要进行复杂的精密调试，以实现光学元件光轴与系统成像光轴同心、无偏置，并确保完成光学元件精密调试后在元件固定过程中位置稳定不变。

在光学元件镜面的铣磨成型、研磨与抛光过程中，由于镜体与加工机床的相对位置误差，易使得光学镜面轴与其自身的机械轴存在偏差，引起反射镜面形产生慧差。

传统的光学元件加工方法，为了减小加工误差，多是使用高精度机床进行加工，这种方式加工的光学元件加工精度高，光轴与机械轴偏差小，后期组装为光学系统时，集成和调试过程简单，耗时较短。但是，由于高精度机床价格昂贵，为了节约成本，目前本领域常常用机械臂代替高精度机床对光学元件进行加工，但是这种加工方法产生的加工误差较大，在集成组装为光学系统时装调过程复杂，需要耗费较长的调试时间，甚至会出现加工误差太大导致装调失败的现象。

发明内容

为了解决机械臂对光学元件加工的误差大，导致装调过程耗时长甚至装调失败的问题，本发明提出了一种光学元件光轴与机械轴偏差的测试系统。技术方案如下：

一种光学元件光轴与机械轴偏差的测试系统，包括干涉仪模块、方位调整模块和角度测量模块；

所述干涉仪模块包括干涉仪和干涉仪测试基准波面发生器，所述干涉仪测试基准波面发生器将所述干涉仪发出的标准球面波前或平面波前转化为与被测光学元件镜面一致的非球面波前，以作为测试基准；所述干涉仪用于测试光学元件的镜面面型误差。

所述方位调整模块包括夹持机构、高精度转台、支撑架、平面反射镜以及五维调整架；所述夹持机构同轴固定设于所述高精度转台上，用于夹持光学元件；所述高精度转台固定设于所述支撑架上，用于带动所述夹持机构夹持的光学元件进行转动；所述平面发射镜固定设于所述支撑架上与高精度转台相反的一侧；所述支撑架固定设于所述五维调整架上，用于支撑所述高精度转台；所述五维调整架用于带动所述支撑架进行五个维度的定位调整；

所述角度测量模块包括自准直测角仪，用于测量所述精密调整定位模块调整过程中的角度变化量。

本发明还提供了一种光学元件光轴与机械轴偏差的测试方法，应用上述测试系统，优选地，包括以下步骤：

S1、将光学元件与所述高精度转台精密定位，并通过所述夹持机构夹紧；

S2、通过所述五维调整架将所述光学元件光轴与所述干涉仪光轴调整至重合状态，将此位置记为零方位，记录零方位时自准直测角仪测量的角度初值；

S3、将光学元件通过所述高精度转台从零方位转动180°，记为180°方位，记录180°方位时所述干涉仪测试光学元件的镜面面形误差中的慧差量、倾斜量。

S4、通过所述五维调整架将光学元件调整至慧差量为零的状态，使得光学元件光轴与干涉仪光轴再一次重合，记录调整过程中所述自准直测角仪测试角度的变化量为α，光学元件机械轴与光轴的夹角为γ＝α/2。