光学仪器装配过程中的光学元件装调技术研究

光学仪器装配过程中的光学元件装调技术研究

艾楼  暴雷  张少文  张远健  唐韬

吉林东光集团有限公司  吉林省长春市 130061

 摘要：本文介绍了光学元件装调的基本原则、工艺流程和关键技术。在光学元件的装调过程中，精度要求高，需要适应不同的环境条件。对准技术是装调的重要环节，包括中心化技术、等高线干涉测量技术以及激光跟踪和自准直技术。这些关键技术的应用能够确保光学元件的精确对准和稳定性。通过清洁与检查、元件安装、初步对准、精确对准以及粘接与固定等工艺步骤，可以实现光学元件的有效装调。本文旨在提供光学元件装调的基本指导，并为相关领域的研究和应用提供参考。

关键词：光学元件装调；精度要求；对准技术

1. 光学元件装调的基本原则

1.1 光学元件装调的精度要求

光学元件装调时精度要求起关键作用。装调是否准确，直接关系到光学系统是否良好和可靠。精度需求主要体现为光学元件位置精度，角度精度及光轴共轭与平行度。为达到高分辨率、高成像质量要求，每个光学元件都要在微米乃至纳米级误差范围进行精确定位与调节。其中包括透镜或者反射镜中心定位，倾斜校正，旋转对准和表面品质控制等。精度也是指光学元件和机械接口之间配合的准确性，以保证组装时不引入附加应力和避免光学元件由于应力而发生形变。

1.2 对环境条件的适应性

光学元件装调不仅仅需要关注组件本身的精度，还需要考虑其对环境条件的适应性。这是因为环境因素，如温度、湿度、气压和清洁度，都可能对光学性能造成影响。例如，温度波动可能导致光学元件的尺寸和折射率变化，从而影响光路和成像质量。湿度的变化可能引起元件表面的凝结或干燥，影响透射率和散射。因此，在装调光学元件时，必须在控制好的环境中进行，有时甚至需要在恒温恒湿的条件下进行精密装调。除此之外，防尘措施也非常关键，因为粉尘粒子可能附着在光学表面上，降低光学系统的性能。在一些极端环境下使用的光学设备，如航空航天或深海探测器，对环境适应性的要求更是严苛，它们不仅要求光学元件能够承受极端温差、压力和腐蚀，还要保证在这些条件下仍能保持高精度和高性能。

1.3 光学元件装调中的对准技术

对准技术是指光学元件按设计要求准确置于光学系统内，以保证各元件光心与光轴准确配合。该工艺一般需采用自准直法，激光跟踪仪，干涉仪及电子自动对准设备系列高精度仪器与手段。自准直法是用准直器输出一束平行光并观察它对目标元件反射或者透射图案，从而调节元件位置及角度。激光跟踪仪能够提供非接触式精准测量，尤其是在大型光学系统中。干涉仪的主要功能是测定光学部件的表面特征和波前的误差，从而为部件的精准定位提供指导。

2. 光学元件装调的工艺流程

2.1 清洁与检查

在光学元件装调的工艺流程中，清洁与检查确保了光学元件的表面无尘埃、油渍或其他污染物，这些微小的颗粒或残留物都可能对光学性能产生严重影响。首先，使用无尘布和专用的光学清洁溶剂轻柔擦拭元件表面，以除去可见污渍和沉积物。对于顽固污渍，则可能需要使用超声波清洁槽进行深层清洁。清洁过程后，严格的检查是必须的，这通常涉及到使用显微镜和光学检测设备来检测表面的划痕、凹坑或者其他缺陷。除了表面状态，光学参数，如透过率、折射率、以及表面精度，也需要通过各种光学测试设备进行综合评估。

2.2 元件的安装

在清洁与检查环节后，元件的安装是光学元件装调的第二个关键步骤。安装时，必须确保光学元件与机械支架间的接触面平整、稳固，同时避免施加额外的应力，以防造成变形或损坏。这通常需要精密的机械装置来实现，例如使用气浮平台来减少震动，以及使用精密螺丝和弹簧加载机构来保持元件的安定。安装过程中，技术人员会利用专业工具和仪器，如光学中心仪或激光对准仪，来确保元件的光学中心与系统设计值匹配。对于需要极高精准度的系统，例如航天器或大型望远镜，元件的安装可能会在控温控湿的洁净室内完成，以确保环境因素对安装精度的影响降到最低。

2.3 初步对准

初步对准的目的是确保各个光学元件按照设计的光学轴线排列，以保证光路的正确。在这一阶段，技术人员通常会使用激光或者准直光源发出的光线作为参照，逐一调整每个元件的位置和角度，直至光束能够正确地通过整个光学系统。对于复杂系统，这可能包括了多个迭代的调整过程，每次调整后都需要进行精确的测量和评估。使用干涉仪可以进行波前误差的测量，以评估光波通过光学元件后的变化，确保光学性能符合预期。

2.4 精确对准

在精确对准过程中，每个光学元件的位置和角度都将进行微调，以实现极高的对准精度。技术人员通常利用高精度的仪器，如干涉仪、自准直仪或波前传感器，对系统进行实时监控和评估。在微调过程中，系统的波前误差、像差和光学轴偏差等参数需要被精确测量，并与理论模型紧密对比，从而逐步减少系统误差。在这个阶段，非常细小的调整都会对光路产生显著的影响，因此操作需要非常谨慎。为了达到更高精度，此过程可能在振动控制和温度控制的环境中进行，以排除环境因素的干扰。对于多通道或多波长的光学系统，精确对准还包括了确保不同通道或波长之间的光路一致性。

2.5 粘接与固定

光学元件在经过精确对准后，需要通过粘接和固定来保持其精细调整的位置，从而保证长期的稳定性和可靠性。粘接是一种常见的固定方法，它需要选择合适的粘合剂，这些材料必须具有良好的光学透明度、适当的机械强度，以及优秀的老化和环境稳定性。粘接过程中，粘合剂的选择和使用方式都要避免引入额外的应力，因为应力会导致光学元件变形，从而影响系统性能。固定光学元件还可以采用机械方法，例如使用夹具、螺丝或弹片等。不论使用何种固定方式，技术人员都必须确保固定过程不会对光学元件造成损伤或改变其对准位置。

3. 光学元件装调中的关键技术

3.1 中心化技术

中心化技术在光学元件装调中扮演着至关重要的角色。其目的是确保光学元件的光轴与机械轴线精确对齐。这一技术尤其对高精度光学系统如望远镜、显微镜和高端相机的性能至关重要。在实践中，中心化技术包括利用精密测量设备，比如中心化仪，来测量并调整透镜和反射镜等光学元件的中心偏差。通过精确测量光学元件的边缘和光学中心之间的距离差异，技术人员能够调整元件的位置，直至达到预定的对准精度。这一过程需要在无尘或控制环境下进行，以防尘埃和温度波动影响测量结果和元件质量。

3.2 等高线干涉测量技术

等高线干涉测量技术利用干涉仪产生的干涉条纹来测量光学元件的表面误差，干涉条纹相当于等高线，代表了元件表面的高度变化。对于精密光学元件的生产和检验来说，这项技术是至关重要的。它可以用来测量透镜、反射镜和其他光学表面的光学质量，如球面度、平面度或更复杂的波前误差。等高线干涉测量能够提供高达纳米级别的测量精度，对于研发和质量控制阶段是一个强有力的工具。通过分析干涉图样，技术人员可以识别出光学元件上的微小缺陷或不规则性，并据此进行调整或抛光以消除这些误差，从而提高光学系统的整体性能。

3.3 激光跟踪和自准直技术

激光跟踪器可以提供非常精确的距离和角度测量，它们常用于大型光学系统的装配和检验，如航天器或大型望远镜。这项技术利用激光束作为参照，确保各光学元件在空间中的位置和方向与设计参数严格一致。自准直技术则使用激光束来检查和调整光学元件的对准情况。激光的高直线性和单色性使得它成为检测光学系统中轴线偏差的理想工具。通过激光自准直系统，可以快速地发现并修正装配误差，确保光路的正确性。

结束语

通过合理的工艺流程和关键技术的应用，可以实现光学元件的精确装调，保证系统的性能和稳定性。光学元件装调在光学系统的设计、制造和应用中起到重要作用，对于提高光学系统的质量和性能具有重要意义。随着科学技术的不断发展，光学元件装调技术将继续得到改进和应用，为各个领域的研究和应用带来更大的发展潜力。

参考文献

[1]杨通, 王永东, 吕鑫, 程德文, 王涌天. 融合自由曲面光学与全息光学元件的成像与显示系统设计[J]. 光学学报, 1-42.

[2]陈慧妍, 姜禹豪, 杨亮亮, 刘成林, 赵勇兵. 宽入射角衍射光学元件的优化设计及其在目镜中的应用[J]. 光电子技术, 2023, 43 (04): 347-350.

[3]陈东辉. 光学仪器装配与调整的计算机模拟[J]. 中国设备工程, 2017, (24): 76-77.