CN105242387A - 一种大视场离轴三反系统与装调方法 - Google Patents

一种大视场离轴三反系统与装调方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种大视场离轴三反系统与装调方法，包括主镜、次镜、孔径光阑、三镜以及焦面，主镜为离轴双曲面反射镜，次镜为凸球面反射镜，三镜为离轴二次凹扁球面镜，主镜与三镜的母轴重合为基准轴，孔径光阑设置在次镜上，次镜的光轴与三镜的母轴重合；来自无穷远处的目标光线经主镜反射后至次镜，再由次镜反射进入三镜，最后三镜将光线成像至焦面。本发明解决了大视场离轴三反系统设计与加工、装调之间的矛盾，本发明设计的大视场离轴三反系统采用了一种较为简单的结构形式，可实现宽画幅成像，其中有效视场可达12°×3.5°。

Description

一种大视场离轴三反系统与装调方法
技术领域
本发明涉及一种大视场离轴三反光学系统及装调方法，主要应用于各类大视场离轴三反系统的快速设计、加工、装调。
背景技术
目前研究的各类离轴三反系统很难解决大视场与加工、装调难度的矛盾，大部分系统均采用离轴量较大的高次非球面镜来设计，这样的设计对于后期光学加工和装调都带来了很多不利因素，不便于整个系统的快速成型，不利于项目的工程化
以往的大视场离轴三反系统次镜均采用凸高次非球面来设计，这样的设计对于设计者来说是很容易的，但是对于光学加工、检测、装调都带来了相当大的难度；其中凸非球面的加工是很难检测的；同时，离轴非球面的基准也很难建立的，这对于系统装调来说是很难操作的。本发明主要围绕大视场离轴三反技术展开研究，利用目前常规手段，设计了一种便于后期加工装调用的离轴三反系统，并且根据该系统的设计巧妙性，提出了一种快速装调方法及计算机辅助装调技术。
发明内容
为了解决大视场离轴三反系统设计与加工、装调之间的矛盾，本发明设计的大视场离轴三反系统采用了一种较为简单的结构形式，可实现宽画幅成像，其中有效视场可达12°×3.5°。
本发明的技术解决方案：
大视场离轴三反系统，其特殊之处在于：包括主镜、次镜、孔径光阑3、三镜以及焦面5，所述主镜1为离轴双曲面反射镜1，所述次镜2为凸球面反射镜2，所述三镜为离轴二次凹扁球面镜4，所述主镜与三镜的母轴重合为基准轴，所述孔径光阑3设置在次镜上，所述次镜的光轴与三镜的母轴重合；
来自无穷远处的目标光线经主镜反射后至次镜，再由次镜反射进入三镜，最后三镜将光线成像至焦面5。
上述主镜与次镜间隔为1145mm，次镜与三镜间隔为1023mm，三镜距离焦面距离为1400mm，主镜光轴母轴的夹角为4°，次镜光轴与母轴夹角为0°，三镜光轴与母轴夹角为1.2°。
大视场离轴三反系统的装调方法，其特殊制之处在于：包括以下步骤
1】确定基准轴：
1.1】在凸球面反射镜表面建立十字丝基准点，通过使用测量仪器调整十字丝基准点与凸球面反射镜镜面中心重合，后将凸球面反射镜2安装到系统平台上，并在凸球面反射镜2的正前方固定第一自准直经纬仪7；
1.2】调整凸球面反射镜2在X方向和Y方向的位置，使第一自准直经纬仪7经过凸球面反射镜2的自准直像与第一自准直经纬仪7的目镜十字丝重合；
1.3】调焦第一自准直经纬仪7至凸球面反射镜2镜面上，同时调整凸球面反射镜2在X方向和Y方向的位置，直至使经过凸球面反射镜2的自准直像和十字丝基准点均与第一自准直经纬仪目镜十字丝重合，凸球面反射镜的母轴与第一自准直经纬仪7光轴重合，此时第一自准直经纬仪7的光轴即为粗调基准轴；
2】主镜的安装调试：
2.1】将离轴双曲面反射镜1安装到系统平台上，在第一自准直经纬仪7入瞳附近建立十字丝基准，第一自准直经纬仪7的光轴通过十字丝基准；
2.2】架设第二自准直经纬仪8在凸球面反射镜2后边，同时移除凸球面反射镜2，第二自准直经纬仪8与第一自准直经纬仪7互瞄；
2.3】安装主镜补偿器10在第二自准直经纬仪8和第一自准直经纬仪7之间，使用第二自准直经纬仪8调整主镜补偿器10的光轴与粗调基准轴重合；
2.4】将干涉仪9架设到粗调基准轴光路上且位于第二自准直经纬仪8和主镜补偿器10之间，调整干涉仪9的位置，使干涉仪9出射的激光焦点位于粗调基准轴上；
2.5】调整离轴双曲面反射镜1的方位、俯仰、X方向平移、Y方向平移及高低方向5个自由度，通过干涉仪9的干涉图判断，使离轴双曲面反射镜1的母轴与主镜补偿器10的光轴重合，即完成主镜调整；
3】三镜的安装调试：
3.1】将主镜补偿器移除，且在主镜补偿器10的位置上安装三镜补偿器11，使用第二自准直经纬仪8调整三镜补偿器11的光轴与粗调基准轴重合；后调整干涉仪9的位置，使干涉仪9出射的激光焦点位于粗调基准轴上；
3.2】安装离轴二次凹扁球面镜3，后调整离轴二次凹扁球面镜3的方位、俯仰、X方向平移、Y方向平移及高低方向5个自由度，通过干涉仪9的干涉图判断，直至离轴二次凹扁球面镜3的母轴与三镜补偿器11的光轴重合，即完成三镜调整；
4】次镜的复位调试：
4.1】将凸球面反射镜2安装在系统平台上，同时放置标准平面镜12，保证标准平面镜与离轴三反系统出光口位置重合；
4.2】将干涉仪9移动到焦面5的位置，通过干涉仪9来监测凸球面反射镜2的位置是否在初始位置，若干涉仪9经过离轴三反系统的出射光通过标准平面镜12反射回来的像成像质量差，调整凸球面反射镜2的方位，直至成像质量变好，此时次镜复位完全；
4.3】移除干涉仪9、标准平面镜12、第一自准直经纬仪7、第二自准直经纬仪8和三镜补偿器11，得到粗调的离轴三反系统；
5】离轴三反系统计算机辅助装调：
5.1】在焦面5附近架设精调干涉仪，并调整精调干涉仪，使得精调干涉仪出射光斑与粗调的离轴三反系统焦点位置重合；
5.2】使精调干涉仪采集到干涉条纹，分别测量粗调的离轴三反系统五视场的波像差，将精调干涉仪采集到的不同视场的象散、慧差、球差值作为计算机辅助装调软件的输入，通过计算机辅助装调算法计算得到系统主镜与次镜间隔调整量Dzc，次镜与三镜间隔调整量Dc3，次镜x方向偏心量Dxc，次镜y方向偏心量Dyc,次镜x方向倾斜角度Txc，次镜y方向倾斜角度Tyc,三镜x方向偏心量Dx3，三镜y方向偏心量Dy3,三镜x方向倾斜角度Tx3，三镜y方向倾斜角度Ty3；
5.3】根据计算的调整量和方向，分别对粗调的离轴三反系统中次镜和三镜的5个自由度方向进行调整；
5.4】执行步骤5.2】，直至离轴三反系统0视场光轴上和轴外视场波前误差满足指标要求，得到精调的大视场离轴三反系统。
步骤1.1】中采用棉线在凸球面反射镜表面建立十字丝基准点，步骤2.1】中采用棉线在第一自准直经纬仪7入瞳附近建立十字丝基准。
本发明所具有的效果：
1、该大视场离轴三反系统，利用简单的镜面形式，可实现高像质、大视场光学系统设计；
2、该大视场离轴三反系统具有结构形式简单，后期加工、检测、装调难度低的优点；
3、该大视场离轴三反系统与装调技术，巧妙的根据次镜为凸球面反射镜的设计特点，提出了一种可操作性强、简单可靠的离轴三反装调技术，比以往的离轴三反装调方法从装调周期上大大节省了时间(以往的系统需要1-3个月，而该系统仅需要1周时间)；
4、该大视场离轴三反系统与装调技术，在粗调完成后，首次提出了一种简单、可行性好的计算机辅助装调新技术，兼顾到各个视场像质的平衡，能够指导系统快速装调完成；
5、该大视场离轴三反系统与装调技术，利用自准直经纬仪与球面镜自准的特性，比以往用刀口法来调光轴具有更高的调试精度，可保证系统在粗调完成后，具有较高的成像质量。
附图说明
图1为大视场离轴三反系统光路图；
图2为大视场离轴三反系统基准轴调试原理图；
图3为大视场离轴三反系统主镜调试原理图；
图4为大视场离轴三反系统三镜调试原理图；
图5为大视场离轴三反系统调试原理图；
图6为计算机辅助装调流程示意图；
其中附图标记为：1-离轴双曲面反射镜，2-凸球面反射镜，3-孔径光阑，4-离轴二次凹扁球面镜，5-像面，6-光学基准轴，7-第一自准直经纬仪，8-第二自准直经纬仪，9-干涉仪，10-主镜补偿器，11-三镜补偿器，12-标准平面镜。
具体实施方式
如图1所示，设计的大视场离轴三反系统主镜1为离轴双曲面反射镜；次镜为凸球面反射镜2；3为系统的孔径光阑，其设置在次镜2上；三镜为离轴二次凹扁球面镜4；5为系统焦面；6为系统的光学基准轴，即为主镜2与三镜4的母轴。来自无穷远处的目标光线经主镜1反射后至次镜2，再由次镜2反射进入三镜4，最后三镜将光线成像至像面5。本发明采用的这种结构形式，有利于降低系统的加工、装调难度，尤其是次镜采用共轴球面镜为后期的光学玻璃加工和系统集成时的装调都降低了难度。因此，本发明采用的凸球面镜大大降低了系统实施的难度。
另外，本发明提出了一种快速装调方法，可大大节约后期装调成本和装调时间。系统装调思路是：先将大视场离轴三反的基准轴建立，然后通过建立好的基准轴依次调节主镜、三镜的位置，最后根据主镜、三镜与次镜的相互关系，通过干涉仪对次镜复位，可保证系统装调完成，如图2-5所示。
第一步：基准轴的建立，如图2所示。
其中，
如图2所示，在凸球面反射镜2(次镜)表面用细棉建立十字丝基准点，通过使用测量仪器标准十字丝基准点与凸球面反射镜镜面中心重合。将凸球面反射镜及镜座安装到系统平台(离轴三反系统安装底座平台)上，在其正前方2m处固定第一自准直经纬仪7，第一自准直经纬仪7的光轴指向代表整个系统两个离轴非球面反射镜(主镜和次镜)的基准轴(母轴)。通过调整凸球面反射镜2的在X方向和Y方向的位置，使第一自准直经纬仪7经过凸球面反射镜2的自准直像与目镜十字丝重合，调焦第一自准直经纬仪7至凸球面反射镜镜面上，观察十字丝中心与第一自准直经纬仪7目镜十字丝的偏差，调整凸球面反射镜在X方向和Y方向的位置，使两十字丝重合，如此反复，直至使经过凸球面反射镜的自准直像和凸球面镜棉线十字丝像均与经纬仪目镜十字丝重合。此时，凸球面反射镜的中心轴中心轴与母轴是同一光轴)与第一自准直经纬仪7光轴重合，粗调基准即为第一自准直经纬仪7光轴。
第二步：主镜的安装调试，如图3所示。
离轴双曲面反射镜1(主镜)的装调主要使用干涉仪9和主镜补偿器10。将离轴双曲面1安装到台面上，在第一自准直经纬仪7入瞳附近用细棉线建立十字丝，第一自准直经纬仪7光轴通过十字丝中心，将第二自准直经纬仪8放置在凸球面反射镜2后边，拆下凸球面反射镜，使用第二自准直经纬仪与第二自准直经纬仪互瞄，将第一自准直经纬仪光轴所代表的粗调基准传递到第二自准直经纬仪上。
将主镜补偿器安装到测试光路中，使用第二自准直经纬仪精调主镜补偿器的光轴与粗调基准轴重合；将干涉仪9架设到粗调基准轴光路上，调整干涉仪9的位置，使干涉仪9出射的激光焦点位于粗调基准轴上。
在搭建好离轴双曲面反射镜1装调光路后，调整离轴双曲面反射镜1的方位、俯仰、X方向平移、Y方向平移及高低方向5个自由度，使离轴双曲面反射镜1的母轴与主镜补偿器10的光轴重合，通过干涉仪9的干涉图判断，即完成主镜调整。
第三步：三镜的安装调试，如图4所示。
其中，11-三镜补偿器。
离轴二次凹扁球面镜4(三镜)的装调方法与主镜装调方法相似。将三镜补偿器11安装到测试光路中，使用第二自准直经纬仪8精调三镜补偿器11的光轴与粗调基准轴重合；将干涉仪9架设到粗调基准轴光路上，调整干涉仪9的位置，使干涉出射的激光焦点位于粗调基准上。在搭建好离轴二次凹扁球面镜装调光路后，调整离轴二次凹扁球面镜的方位、俯仰、X方向平移、Y方向平移及高低方向5个自由度，使离轴二次凹扁球面镜的母轴与三镜补偿器11的光轴重合，通过干涉仪9的干涉图判断，即完成三镜调整。
第四步：次镜的复位调试，如图5所示。
系统将主、次、三镜调好后放置在与出射光轴垂直的位置，且保证标准平面镜与离轴三反系统出光口位置重合，此时通过焦面位置的干涉仪9来监测次镜的位置是否在初始位置，若次镜位置放置的不合适，则干涉仪经过离轴三反系统的出射光通过标准平面镜反射回来的像成像质量变差，然后再通过干涉仪的图像来判断次镜的调整方式，直至次镜完全复位为止。
移除辅助器件，得到粗调的三反系统；
在安装完三镜后，将凸球面反射镜复位，复位的方法与系统粗调基准建立的方法一样，只是在凸球面反射镜2复位过程中，是根据第二自准直经纬仪8光轴的位置调整凸球面反射镜。
第五步：离轴三反系统计算机辅助装调，如图6所示。
在光学系统的焦面附近安装干涉仪，调整干涉仪的位置，使干涉仪采集到干涉条纹，分别测量系统五视场的波像差。将干涉仪采集到的系统不同视场的象散、慧差、球差值作为计算机辅助装调软件的输入，通过计算机辅助装调算法计算得到系统主镜与次镜间隔调整量Dzc，次镜与三镜间隔调整量Dc3，次镜x方向偏心量Dxc，次镜y方向偏心量Dyc,次镜x方向倾斜角度Txc，次镜y方向倾斜角度Tyc,三镜x方向偏心量Dx3，三镜y方向偏心量Dy3,三镜x方向倾斜角度Tx3，三镜y方向倾斜角度Ty3。
根据计算的调整量和方向，分别对系统次镜和三镜的5个自由度方向进行调整，然后利用干涉仪测量系统波像差，并将干涉仪采集到系统不同视场的象散、慧差、球差值再次作为软件输入，计算系统调整量，如此反复几次，直至系统的0视场轴(0视场轴指系统光轴，与母轴平行)上和轴外视场波前误差满足指标要求。在精调过程中，标准平面反射镜是系统光轴的基准，不能调整。计算机辅助装调流程示意图如图6所示。

Claims (4)

1.大视场离轴三反系统，其特征在于：包括主镜、次镜、孔径光阑(3)、三镜以及焦面(5)，所述主镜(1)为离轴双曲面反射镜(1)，所述次镜(2)为凸球面反射镜(2)，所述三镜为离轴二次凹扁球面镜(4)，所述主镜与三镜的母轴重合为基准轴，所述孔径光阑(3)设置在次镜上，所述次镜的光轴与三镜的母轴重合；
来自无穷远处的目标光线经主镜反射后至次镜，再由次镜反射进入三镜，最后三镜将光线成像至焦面(5)。
2.根据权利要求1所述的大视场离轴三反系统，其特征在于：所述主镜与次镜间隔为1145mm，次镜与三镜间隔为1023mm，三镜距离焦面距离为1400mm，主镜光轴母轴的夹角为4°，次镜光轴与母轴夹角为0°，三镜光轴与母轴夹角为1.2°。
3.基于权利要求1至2所述的大视场离轴三反系统的装调方法，其特征在于：包括以下步骤：
1】确定基准轴：
1.1】在凸球面反射镜表面建立十字丝基准点，通过使用测量仪器调整十字丝基准点与凸球面反射镜镜面中心重合，后将凸球面反射镜(2)安装到系统平台上，并在凸球面反射镜(2)的正前方固定第一自准直经纬仪(7)；
1.2】调整凸球面反射镜(2)在X方向和Y方向的位置，使第一自准直经纬仪(7)经过凸球面反射镜(2)的自准直像与第一自准直经纬仪(7)的目镜十字丝重合；
1.3】调焦第一自准直经纬仪(7)至凸球面反射镜(2)镜面上，同时调整凸球面反射镜(2)在X方向和Y方向的位置，直至使经过凸球面反射镜(2)的自准直像和十字丝基准点均与第一自准直经纬仪目镜十字丝重合，凸球面反射镜的母轴与第一自准直经纬仪(7)光轴重合，此时第一自准直经纬仪(7)的光轴即为粗调基准轴；
2】主镜的安装调试：
2.1】将离轴双曲面反射镜(1)安装到系统平台上，在第一自准直经纬仪(7)入瞳附近建立十字丝基准，第一自准直经纬仪(7)的光轴通过十字丝基准；
2.2】架设第二自准直经纬仪(8)在凸球面反射镜(2)后边，同时移除凸球面反射镜(2)，第二自准直经纬仪(8)与第一自准直经纬仪(7)互瞄；
2.3】安装主镜补偿器(10)在第二自准直经纬仪(8)和第一自准直经纬仪(7)之间，使用第二自准直经纬仪(8)调整主镜补偿器(10)的光轴与粗调基准轴重合；
2.4】将干涉仪(9)架设到粗调基准轴光路上且位于第二自准直经纬仪(8)和主镜补偿器(10)之间，调整干涉仪(9)的位置，使干涉仪(9)出射的激光焦点位于粗调基准轴上；
2.5】调整离轴双曲面反射镜(1)的方位、俯仰、X方向平移、Y方向平移及高低方向(5)个自由度，通过干涉仪(9)的干涉图判断，使离轴双曲面反射镜(1)的母轴与主镜补偿器(10)的光轴重合，即完成主镜调整；
3】三镜的安装调试：
3.1】将主镜补偿器移除，且在主镜补偿器(10)的位置上安装三镜补偿器(11)，使用第二自准直经纬仪(8)调整三镜补偿器(11)的光轴与粗调基准轴重合；后调整干涉仪(9)的位置，使干涉仪(9)出射的激光焦点位于粗调基准轴上；
3.2】安装离轴二次凹扁球面镜(3)，后调整离轴二次凹扁球面镜(3)的方位、俯仰、X方向平移、Y方向平移及高低方向5个自由度，通过干涉仪(9)的干涉图判断，直至离轴二次凹扁球面镜(3)的母轴与三镜补偿器(11)的光轴重合，即完成三镜调整；
4】次镜的复位调试：
4.1】将凸球面反射镜(2)安装在系统平台上，同时放置标准平面镜(12)，保证标准平面镜与离轴三反系统出光口位置重合；
4.2】将干涉仪(9)移动到焦面(5)的位置，通过干涉仪(9)来监测凸球面反射镜(2)的位置是否在初始位置，若干涉仪(9)经过离轴三反系统的出射光通过标准平面镜(12)反射回来的像成像质量差，调整凸球面反射镜(2)的方位，直至成像质量变好，此时次镜复位完全；
4.3】移除干涉仪(9)、标准平面镜(12)、第一自准直经纬仪(7)、第二自准直经纬仪(8)和三镜补偿器(11)，得到粗调的离轴三反系统；
5】离轴三反系统计算机辅助装调：
5.1】在焦面(5)附近架设精调干涉仪，并调整精调干涉仪，使得精调干涉仪出射光斑与粗调的离轴三反系统焦点位置重合；
5.2】使精调干涉仪采集到干涉条纹，分别测量粗调的离轴三反系统五视场的波像差，将精调干涉仪采集到的不同视场的象散、慧差、球差值作为计算机辅助装调软件的输入，通过计算机辅助装调算法计算得到系统主镜与次镜间隔调整量Dzc，次镜与三镜间隔调整量Dc3，次镜x方向偏心量Dxc，次镜y方向偏心量Dyc,次镜x方向倾斜角度Txc，次镜y方向倾斜角度Tyc,三镜x方向偏心量Dx3，三镜y方向偏心量Dy3,三镜x方向倾斜角度Tx3，三镜y方向倾斜角度Ty3；
5.3】根据计算的调整量和方向，分别对粗调的离轴三反系统中次镜和三镜的5个自由度方向进行调整；
5.4】执行步骤5.2】，直至离轴三反系统0视场光轴上和轴外视场波前误差满足指标要求，得到精调的大视场离轴三反系统。
4.根据权利要求3所述的大视场离轴三反系统的装调方法，其特征在于：步骤1.1】中采用棉线在凸球面反射镜表面建立十字丝基准点，步骤2.1】中采用棉线在第一自准直经纬仪(7)入瞳附近建立十字丝基准。
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