CN104964648B - 离轴抛物面镜关键参数的标定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种离轴抛物面镜关键参数的标定方法及系统，包括第一光路、第二光路、第三光路、第四光路以及第五光路；其中第一光路包括激光干涉仪、平面反射镜、基准十字靶标和离轴抛物面镜，激光干涉仪发出的汇聚光束焦点与离轴抛物面镜焦点完全重合，激光干涉仪发出的光束经过离轴抛物面镜反射后垂直入射在平面反射镜上并沿原路返回；基准十字靶放置在激光干涉仪汇聚光束焦点和离轴抛物面镜的原光轴的交汇处放置，基准十字靶标与激光干涉仪对猫眼；解决了离轴抛物面镜关键参数测量精度低的技术问题，本发明的所有过程均采用光学非接触式直接测量方式，精度高且不易划伤镜面，为离轴光学系统的后期精密装调提供了准确依据。

Description

离轴抛物面镜关键参数的标定系统及方法

技术领域

本发明属于光学装调检测领域，尤其涉及一种离轴抛物面镜关键参数的标定方法及系统。

背景技术

离轴抛物面镜是应用比较广泛的光学元件，主要是因为它能够以简单的形式产生无中心遮拦的平行光束。它的缺点是装调非常困难，它不是旋转对称曲面，相当于在旋转对称曲面当中截取了一部分，所以只有虚拟的回转光轴，使得以往常规的同轴穿心方法无法实现离轴光学系统共光轴的调整，从而无法保证离轴系统的装调精度，更无法保证离轴系统的成像质量。离轴光学系统装调的核心问题是离轴反射镜的关键参数的确定，而离轴反射镜关键参数的确定又正是工程实现的技术难点。

现有离轴抛物面镜关键参数的标定方法：

方法1：如图1所示，将刀口仪放置在离轴抛物面镜的焦点F位置，利用平面反射镜形成自准直光路。直接使用卷尺近似测量出离轴量，再用卷尺近似测量焦点到抛物面镜的直线距离，使用勾股定理算出离轴角。

此方法的缺点：

1、卷尺精度一般为毫米量级，使用其进行测量无法达到高精度的微米量级；

2、无法准确定位的抛物面相关几何位置，卷尺只能进行近似测量，累积误差也为毫米量级，无法到达高精度的检测要求；

3、接触式测量易划伤镜面。

方法2：如图2所示，将经纬仪大地水平放置在离轴抛物面镜的焦点位置，利用平面反射镜形成自准直光路。通过经纬仪瞄准离轴镜的上下边缘，测量其相应角度，两角度和的一般即为离轴角的大小。再使用卷尺测量离轴镜焦点到其镜面中点的距离，结合勾股定理算出离轴量。

此方法的缺点：

1、离轴角的测量虽然较为准确，但经纬仪、离轴镜与平面反射镜必须都以大地水平为基准，自准直光路搭建较为困难。

2、离轴量的测量还是使用卷尺结合公式计算的间接方法，精度为毫米量级，无法达到微米级的高精度要求。

3、接触式测量易划伤镜面。

发明内容

为了解决现有技术中离轴抛物面镜关键参数即离轴量、离轴角测量精度低，易划伤离轴抛物面镜的技术问题，本发明提供了一种有效实现离轴抛物面镜关键参数标定的系统及方法。

本发明的技术解决方案：

离轴抛物面镜的关键参数标定系统，其特殊之处在于：包括第一光路、第二光路、第三光路、第四光路以及第五光路；

所述第一光路包括激光干涉仪10、平面反射镜7、基准十字靶标5和离轴抛物面镜6，所述激光干涉仪10发出的汇聚光束焦点与离轴抛物面镜6焦点完全重合，所述激光干涉仪10发出的光束经过离轴抛物面镜6反射后垂直入射在平面反射镜7上并沿原路返回；所述基准十字靶标5放置在激光干涉仪10汇聚光束焦点和离轴抛物面镜6的原光轴的交汇处，基准十字靶标5与激光干涉仪10对猫眼；

所述第二光路的结构为：在第一光路的基础上架设第一经纬仪1，第一经纬仪1与平面反射镜7自准直，并与基准十字靶标5穿心；

所述第三光路的结构为：将第二光路中的平面反射镜7移除，并架设第四经纬仪4和带光栅尺11的导轨12，第四经纬仪4与第一经纬仪1打对镜，保证第四经纬仪4与第一经纬仪1的光轴垂直；带光栅尺11的导轨12与第一经纬仪1的光轴垂直；导轨12的滑块端面上粘贴一块小平面反射镜13，用第四经纬仪4监视小平面反射镜13的自准直反射像的运动轨迹来调整导轨12的位置，直至通过第四经纬仪4观察小平面反射镜13的自准直反射像的偏移量为零，固定导轨12的位置；

第四光路的结构为：移除第三光路中小平面反射镜13，并在滑块上架设第二经纬仪2，使得第二经纬仪2与激光干涉仪10发出经离轴抛物面镜6反射后的平行光束自准直并与离轴抛物面镜6的中心和基准十字靶标5穿心；

第五光路的结构为：移除第四光路中的激光干涉仪10，并在原位置放置第三经纬仪3，第三经纬仪3通过基准十字靶标5和离轴抛物面镜6与第二经纬仪2自准穿心。

上述小平面反射镜13的平行度为2″。

离轴抛物面镜的关键参数标定方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】搭建第一光路：

所述第一光路包括激光干涉仪10、平面反射镜7、基准十字靶标5和离轴抛物面镜6，所述激光干涉仪10发出的汇聚光束焦点与离轴抛物面镜6焦点完全重合，所述激光干涉仪10发出的光束经过离轴抛物面镜6反射后垂直入射在平面反射镜上并沿原路返回；所述基准十字靶5放置在激光干涉仪10汇聚光束焦点和离轴抛物面镜的原光轴的交汇处，基准十字靶标5与激光干涉仪10对猫眼；

2】架设第一经纬仪1与平面反射镜7自准直，并与基准十字靶标5穿心，保证第一经纬仪1光轴和离轴抛物面镜6原光轴重合，即经纬仪1光轴代表原光轴；

3】利用激光干涉仪软件标示出离轴抛物面镜的中心A并移除平面反射镜；

4】架设第第四经纬仪4和带光栅尺的导轨，并使第四经纬仪与第一经纬仪1打对镜，保证第四经纬仪4与第一经纬仪1的光轴垂直；

5】调整带光栅尺的导轨，使得带光栅尺的导轨与第一经纬仪1的光轴垂直即带光栅尺的导轨与第四经纬仪4的光轴平行：

在导轨的滑块端面上粘贴一块小平面反射镜并前后移动滑块，用第四经纬仪4监视小平面反射镜的自准直反射像的运动轨迹来调整导轨的位置，直至通过第四经纬仪4观察小平面反射镜的自准直反射像的偏移量为零，固定导轨的位置，此时带光栅尺的导轨与第一经纬仪1的光轴垂直即带光栅尺的导轨与第四经纬仪4的光轴平行；

6】移除小平面反射镜，在滑块上架设第二经纬仪2并前后移动滑块，使得第二经纬仪2与激光干涉仪发出经离轴抛物面镜反射后的平行光束自准直并与离轴抛物面镜的中心A和基准十字靶标穿心，保证第二经纬仪2的光轴与离轴抛物面镜的光轴重合，即第二经纬仪2的光轴代表离轴抛物面镜的光轴；

7】移除激光干涉仪，在原位置放置第三经纬仪3，第三经纬仪3通过基准十字靶标和离轴抛物面镜与第二经纬仪2自准穿心，保证第三经纬仪3与激光干涉仪的光轴重合，也就是与第二经纬仪2光轴重合，也就代表了离轴抛物面镜的光轴；此时第二经纬仪2与第三经纬仪3打对镜，能够测量离轴抛物面镜的离轴角2Φ；

8】首先在带光栅尺的导轨上将第二经纬仪2所在位置标记为零点，然后移动第二经纬仪2，直到第二经纬仪2和第一经纬仪1自准直并穿心，此时记录第二经纬仪2在光栅尺上移动的距离即为离轴抛物面镜的离轴量h；

9】得到了离轴抛物面镜的离轴量h和离轴角2Φ，通过公式计算即可获得其焦距f：

式中s为A点的矢高。

上述小平面反射镜的平行度为2″。

本发明所具有的优点：

本发明利用波长量级的激光干涉仪，配合十字靶标，离轴镜及平面反射镜，搭建自准直干涉检测光路，各基准点均由0.2″精度的经纬仪准确标定，可以得到准确的离轴量数据。通过干涉光路校正的微米级精度光栅尺，可以得到准确的离轴量数据。所有过程均采用光学非接触式直接测量方式，精度高且不易划伤镜面，为离轴光学系统的后期精密装调提供了准确依据。

附图说明

图1为现有技术的一种离轴抛物面镜关键参数标定示意图；

图2为现有技术的另一种离轴抛物面镜关键参数标定示意图；

图3为本发明第一光路结构示意图；

图4为本发明第二光路结构示意图；

图5为本发明第三光路结构示意图；

图6为本发明第四光路结构示意图；

图7为本发明第五光路结构示意图；

图8为测量过程示意图。

其中附图标记为：1-第一经纬仪，2-第二经纬仪，3-第三经纬仪，4-第四经纬仪，5-基准十字靶标，6-离轴抛物面镜，7-平面反射镜，8-刀口仪，9-经纬仪，10-激光干涉仪，11-光栅尺，12-导轨，13-小平面反射镜。

具体实施方式

如图所示其中，L为原光轴，L1为大地水平，A为离轴抛物面镜的中心、D为离轴抛物面镜的口径、F为焦点、f为焦距、O为球心点、O′为原整块抛物面镜的中心点、R为半径、S为A点的矢高、φ为A点的球心角、2Φ为离轴角、h为A点到原光轴的距离，即离轴量。

其中离轴量h、离轴角2Φ和焦距f不是完全独立的，它们之间的关系为：

离轴抛物面镜的关键参数标定方法，包括以下步骤：

1】搭建第一光路：

所述第一光路包括激光干涉仪、平面反射镜、基准十字靶标和离轴抛物面镜，所述激光干涉仪发出的汇聚光束焦点与离轴抛物面镜焦点完全重合，所述激光干涉仪发出的光束经过离轴抛物面镜反射后垂直入射在平面反射镜上并沿原路返回；基准十字靶放置在激光干涉仪汇聚光束焦点和离轴抛物面镜的原光轴的交汇处，基准十字靶标与激光干涉仪对猫眼；

2】架设第一经纬仪1与平面反射镜自准直，并与基准十字靶标穿心，保证第一经纬仪1光轴和离轴抛物面镜原光轴重合，即经纬仪1光轴代表原光轴；

3】利用激光干涉仪软件标示出离轴抛物面镜的中心A并移除平面反射镜；

4】架设第第四经纬仪4和带光栅尺的导轨，并使第四经纬仪与第一经纬仪1打对镜，保证第四经纬仪4与第一经纬仪1的光轴垂直；

5】调整带光栅尺的导轨，使得带光栅尺的导轨与第一经纬仪1的光轴垂直即带光栅尺的导轨与第四经纬仪4的光轴平行：

在导轨的滑块端面上粘贴一块小平面反射镜并前后移动滑块，用第四经纬仪4监视小平面反射镜的自准直反射像的运动轨迹来调整导轨的位置，直至通过第四经纬仪4观察小平面反射镜的自准直反射像的偏移量为零，固定导轨的位置，此时带光栅尺的导轨与第一经纬仪1的光轴垂直即带光栅尺的导轨与第四经纬仪4的光轴平行；

6】移除小平面反射镜，在滑块上架设第二经纬仪2并前后移动滑块，使得第二经纬仪2与激光干涉仪发出经离轴抛物面镜反射后的平行光束自准直并与离轴抛物面镜的中心A和基准十字靶标穿心，保证第二经纬仪2的光轴与离轴抛物面镜的光轴重合，即第二经纬仪2的光轴代表离轴抛物面镜的光轴；

7】移除激光干涉仪，在原位置放置第三经纬仪3，第三经纬仪3通过基准十字靶标和离轴抛物面镜与第二经纬仪2自准穿心，保证第三经纬仪3与激光干涉仪的光轴重合，也就是与第二经纬仪2光轴重合，也就代表了离轴抛物面镜的光轴；此时第二经纬仪2与第三经纬仪3打对镜，能够测量离轴抛物面镜的离轴角2Φ；

8】首先在带光栅尺的导轨上将第二经纬仪2所在位置标记为零点，然后移动第二经纬仪2，直到第二经纬仪2和第一经纬仪1自准直并穿心，此时记录第二经纬仪2在光栅尺上移动的距离即为离轴抛物面镜的离轴量h；

9】得到了离轴抛物面镜的离轴量h和离轴角2Φ，通过公式计算即可获得其焦距f：

实施例：

如图3所示，利用激光干涉仪、平面反射镜及被检离轴抛物面镜搭建干涉自准直检测光路，精确标定3者的空间位置关系，得到准确的干涉检测数据。此时激光干涉仪发出的汇聚光束焦点与离轴抛物面镜焦点完全重合，由激光干涉仪发出的光束经过离轴抛物面镜反射后垂直入射在平面反射镜上并沿原路返回。

如图4所示，在离轴抛物面镜和激光干涉仪焦点重合处放置基准十字靶标，此十字靶标中心与焦点重合且位于原光轴上。将经纬仪1与平面反射镜自准同时与十字靶标穿心，就能够确定抛物面反射镜的原光轴位置，即此时经纬仪1的光轴与原光轴重合，经纬仪1的光轴也就代表了原光轴。

如图5所示，在适当位置架设经纬仪四与经纬仪一打对镜，保证经纬仪四与经纬仪一的光轴垂直，即经纬仪四的光轴与原光轴垂直。通过经纬仪四中反射像的偏移量不断修正光栅尺的位置，最终光栅尺滑块移动轨迹与原光轴垂直。

如图6所示，利用激光干涉仪自带软件精确标示出A点位置(精度为微米级)，A点位置与十字靶标中心位于同一条光线上。此时在干涉仪软件中可以看到A点与十字靶标中心重合。移除平面反射镜，再在光栅上架设经纬仪2和平行光自准值并与A点和十字靶标穿心，就能够确定离轴抛物面镜的光轴位置，即此时经纬仪2的光轴与离轴抛物面镜的光轴重合，经纬仪2的光轴也就代表了离轴抛物面镜的光轴。

如图7所示，在激光干涉仪移除位置放置经纬仪3，将经纬仪3与经纬仪2自准直并穿心，此时经纬仪3与经纬仪2光轴重合。而后将经纬仪3和经纬仪2打对镜即可精确测量出离轴角2Φ的大小。

如图8所示，移除平面反射镜，将经纬仪2在光栅尺上精密滑动，同时和经纬仪1自准直并穿心，此时经纬仪1和经纬仪2光轴重合。此时记录经纬仪2在光栅尺上的移动距离，即为离轴抛物面镜的离轴量h。

得到离轴量与离轴角的检测数据，带入上述公式，即可计算出离轴抛物面镜的焦距。为了提高数据准确性，可以进行多次测量并取平均数。

检测步骤：

1、精密搭建离轴抛物面镜的干涉检测自准直检测光路；

2、在激光干涉仪汇聚光束焦点和离轴抛物面将焦点位置(F点处)放置基准十字靶标，为了放置在准确位置，十字靶标必须与激光干涉仪对猫眼；

3、架设经纬仪1与平面反射镜自准直，并与十字靶标穿心，保证第一经纬仪1光轴和离轴抛物面镜原光轴重合，即第一经纬仪1光轴代表原光轴；

4、在激光干涉仪软件中精确标示出A点位置并移除平面反射镜

5、在适当位置架设经纬仪四与经纬仪一打对镜，保证经纬仪四与经纬仪一的光轴垂直，即经纬仪四的光轴与原光轴垂直。此时在光栅尺滑块端面上粘上一块平行度为2″的小平面反射镜并前后移动滑轨，用经纬仪四监视小平面反射镜的自准直反射像，通过不断修正光栅尺的位置来保证经纬仪四中反射像的偏移量。最终前后移动滑块同时经纬仪四分划板十字中心和小平面反射镜的自准直反射像完全重合后，固定光栅尺位置，即光栅尺滑块移动轨迹与原光轴垂直。

6、移除小平面反射镜，在光栅尺上架设经纬仪2与平行光束自准直并与A点和十字靶标穿心，保证经纬仪2的光轴与离轴抛物面镜的光轴重合，即经纬仪2的光轴代表离轴抛物面镜的光轴；

7、移除激光干涉仪，在原位置放置经纬仪3，经纬仪3通过十字靶标和反射镜与经纬仪2自准穿心，保证经纬仪3与激光干涉仪的光轴重合，也就是与经纬仪2光轴重合，也就代表了离轴抛物面镜的光轴。此时经纬仪2与经纬仪3打对镜，可以精确测量离轴角2Φ；

8、首先在光栅尺上将经纬仪2所在位置标记为零点，而后在光栅尺上移动经纬仪2，直到某一位置能够保证经纬仪2和经纬仪1自准直并穿心。此时记录光栅尺移动的距离即为离轴抛物面镜的离轴量h；

9、得到了离轴抛物面镜的离轴量h和离轴角2Φ，通过公式计算即可获得其焦距大小；

Claims (4)

1.离轴抛物面镜的关键参数标定系统，其特征在于：包括第一光路、第二光路、第三光路、第四光路以及第五光路；

所述第一光路包括激光干涉仪(10)、平面反射镜(7)、基准十字靶标(5)和离轴抛物面镜(6)，所述激光干涉仪(10)发出的汇聚光束焦点与离轴抛物面镜(6)焦点完全重合，所述激光干涉仪(10)发出的光束经过离轴抛物面镜(6)反射后垂直入射在平面反射镜(7)上并沿原路返回；所述基准十字靶标(5)放置在激光干涉仪(10)汇聚光束焦点和离轴抛物面镜(6)的原光轴的交汇处，基准十字靶标(5)与激光干涉仪(10)对猫眼；

所述第二光路的结构为：在第一光路的基础上架设第一经纬仪(1)，第一经纬仪(1)与平面反射镜(7)自准直，并与基准十字靶标(5)穿心；

所述第三光路的结构为：将第二光路中的平面反射镜(7)移除，并架设第四经纬仪(4)和带光栅尺(11)的导轨(12)，第四经纬仪(4)与第一经纬仪(1)打对镜，保证第四经纬仪(4)与第一经纬仪(1)的光轴垂直；带光栅尺(11)的导轨(12)与第一经纬仪(1)的光轴垂直；导轨(12)的滑块端面上粘贴一块小平面反射镜(13)，用第四经纬仪(4)监视小平面反射镜(13)的自准直反射像的运动轨迹来调整导轨(12)的位置，直至通过第四经纬仪(4)观察小平面反射镜(13)的自准直反射像的偏移量为零，固定导轨(12)的位置；

第四光路的结构为：移除第三光路中小平面反射镜(13)，并在滑块上架设第二经纬仪(2)，使得第二经纬仪(2)与激光干涉仪(10)发出经离轴抛物面镜(6)反射后的平行光束自准直并与离轴抛物面镜(6)的中心和基准十字靶标(5)穿心；

第五光路的结构为：移除第四光路中的激光干涉仪(10)，并在原位置放置第三经纬仪(3)，第三经纬仪(3)通过基准十字靶标(5)和离轴抛物面镜(6)与第二经纬仪(2)自准穿心。

2.根据权利要求1所述的离轴抛物面镜的关键参数标定系统，其特征在于：所述小平面反射镜(13)的平行度为2″。

3.离轴抛物面镜的关键参数标定方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】搭建第一光路：

所述第一光路包括激光干涉仪(10)、平面反射镜(7)、基准十字靶标(5)和离轴抛物面镜(6)，所述激光干涉仪(10)发出的汇聚光束焦点与离轴抛物面镜(6)焦点完全重合，所述激光干涉仪(10)发出的光束经过离轴抛物面镜(6)反射后垂直入射在平面反射镜上并沿原路返回；所述基准十字靶(5)放置在激光干涉仪(10)汇聚光束焦点和离轴抛物面镜的原光轴的交汇处，基准十字靶标(5)与激光干涉仪(10)对猫眼；

2】架设第一经纬仪(1)与平面反射镜(7)自准直，并与基准十字靶标(5)穿心，保证第一经纬仪(1)光轴和离轴抛物面镜(6)原光轴重合，即第一经纬仪(1)光轴代表原光轴；

3】利用激光干涉仪软件标示出离轴抛物面镜的中心A并移除平面反射镜；

4】架设第第四经纬仪(4)和带光栅尺的导轨，并使第四经纬仪与第一经纬仪(1)打对镜，保证第四经纬仪(4)与第一经纬仪(1)的光轴垂直；

5】调整带光栅尺的导轨，使得带光栅尺的导轨与第一经纬仪(1)的光轴垂直即带光栅尺的导轨与第四经纬仪(4)的光轴平行：

在导轨的滑块端面上粘贴一块小平面反射镜并前后移动滑块，用第四经纬仪(4)监视小平面反射镜的自准直反射像的运动轨迹来调整导轨的位置，直至通过第四经纬仪(4)观察小平面反射镜的自准直反射像的偏移量为零，固定导轨的位置，此时带光栅尺的导轨与第一经纬仪(1)的光轴垂直即带光栅尺的导轨与第四经纬仪(4)的光轴平行；

6】移除小平面反射镜，在滑块上架设第二经纬仪(2)并前后移动滑块，使得第二经纬仪(2)与激光干涉仪发出经离轴抛物面镜反射后的平行光束自准直并与离轴抛物面镜的中心A和基准十字靶标穿心，保证第二经纬仪(2)的光轴与离轴抛物面镜的光轴重合，即第二经纬仪(2)的光轴代表离轴抛物面镜的光轴；

7】移除激光干涉仪，在原位置放置第三经纬仪(3)，第三经纬仪(3)通过基准十字靶标和离轴抛物面镜与第二经纬仪(2)自准穿心，保证第三经纬仪(3)与激光干涉仪的光轴重合，也就是与第二经纬仪(2)光轴重合，也就代表了离轴抛物面镜的光轴；此时第二经纬仪(2)与第三经纬仪(3)打对镜，能够测量离轴抛物面镜的离轴角2Φ；

8】首先在带光栅尺的导轨上将第二经纬仪(2)所在位置标记为零点，然后移动第二经纬仪(2)，直到第二经纬仪(2)和第一经纬仪(1)自准直并穿心，此时记录第二经纬仪(2)在光栅尺上移动的距离即为离轴抛物面镜的离轴量h；

9】得到了离轴抛物面镜的离轴量h和离轴角2Φ，通过公式计算即可获得其焦距f：

$tan\left(2\mathrm{\Φ}\right)=\frac{h}{f-s}=\frac{h}{f-h^2/4f}$

式中s为A点的矢高。

4.根据权利要求3所述的离轴抛物面镜的关键参数标定方法，其特征在于：所述小平面反射镜的平行度为2″。