CN110954979B - 一种基于衍射原理的平行光管结构及设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于衍射原理的平行光管结构及设计方法，其中该结构包括主镜及与主镜间隔设置的次镜；所述主镜为谐衍射镜片且包括主入射面及与主入射面相背的主衍射面，所述主入射面为平面，所述主衍射面形成多个主衍射台阶；所述次镜的数量为至少一个且每个次镜包括次入射面及与次入射面相背的次衍射面；所述次入射面为平面，所述次衍射面形成多个次衍射台阶；光线经所述主入射面进入主镜、由所述主衍射面衍射后进入到所述次衍射面、再经所述次衍射面后进行聚焦。本发明解决了平行光管结构口径、焦距与体积、质量、拆装之间的矛盾。

Description

一种基于衍射原理的平行光管结构及设计方法
技术领域
本发明涉及平行光管技术领域，特别是涉及一种基于衍射原理的平行光管结构及设计方法。
背景技术
平行光管是光电检测、光学系统检校的重要设备，也是光学度量仪器中的重要成员。平行光管的作用是产生平行光，模拟无穷远的目标，在平行光管物镜的焦面上放置分划板、星点板等焦平面所用光学元件，以满足不同光学系统不同参数的校验要求。
随着航天技术的发展，各个国家对于空间相机的分辨率、焦距等方面的要求越来越高。于此同时，空间相机的制作难度、系统复杂程度增大。外场检测作为航空、航天相机的最后一道保障关卡尤为重要。利用平行光管模拟无穷远物体对系统进行检测是最实用可靠的检测方式。然而随着系统口径的增大，系统焦距的增长，对大口径长焦距平行光管的需求十分迫切。由于外场环境复杂，远离城区，平行光管还需要具有质量轻、体积小、便于运输、性能稳定、成像质量好等特点。
平行光管根据结构可分为透射式和反射式。透视式平行光管受材料口径不能做的很大，并且重量大，系统光路长。多用于可见光系统检测。反射式平行光管的主镜口径可以做到很大，并且利用多块反射镜缩短光路。但是当被检测光学系统的口径不断增大时，配套平行光管的制作难度、体积重量和成本急剧上升，同时，由于结构复杂，运输过程中容易导致平行光管内部镜体发生位姿变化，影响检测精度。
衍射元件虽然具备轻、薄的特点，可以通过在一块很薄的基底材料上(玻璃、薄膜等)制作台阶结构来实现光线汇聚，成像等功能，但是衍射元件面临色差大的问题，在宽波段的应用中有诸多限制。
发明内容
基于此，本发明提供一种既可实现大口径又能保证系统轻量化、便于运输的平行光管结构设计方案。
一种基于衍射原理的平行光管结构，包括主镜及与主镜间隔设置的次镜；所述主镜为谐衍射镜片且包括主入射面及与主入射面相背的主衍射面，所述主入射面为平面，所述主衍射面形成多个主衍射台阶；所述次镜的数量为至少一个且每个次镜包括次入射面及与次入射面相背的次衍射面；所述次入射面为平面，所述次衍射面形成多个次衍射台阶；光线经所述主入射面进入主镜、由所述主衍射面衍射后进入到所述次衍射面、再经所述次衍射面后进行聚焦。
一种基于衍射原理的平行光管结构的设计方法，包括以下步骤：
步骤1：确定入射主镜的主设计波长、主镜的谐振波长、入射次镜的次设计波长、次镜的次谐振波长、平行光管的焦距及口径；
步骤2：根据主设计波长、次设计波长和平行光管结构的口径，搭建初始光路；主镜的主衍射面及次镜的次衍射面的面型表达式为：
Figure BDA0002349670090000021
M为衍射级次，N为阶数，Ai为系数，r为归一化半径；
步骤3：保持主镜与次镜位相参数不变，对主镜及次镜的谐振波长处的成像质量进行验证，根据谐振波长，确定对应的衍射级次，完成谐振波长处的设计；
步骤4：保持主镜位相参数不变，以次镜的位相系数及主镜与次镜之间的距离为优化变量，同时保持平行光管结构的总长不变，完成次设计波长处的设计，次设计波长与主设计波长共用一个主镜，次镜尺寸与主设计波长的次镜相近，通过改变位相函数与距离参数，完成次设计波长对应的优化工作；
步骤5：保持主镜及次设计波长对应的次镜的位相参数及距离不变，确认次设计波长对应的次谐振波长处的成像质量，并确认不同次谐振波长对应的衍射级次。
本发明解决了口径、焦距与体积、质量、拆装之间的矛盾，在保证系统高精度的前提下，提高外场检测的效率。同时考虑到衍射元件的色散问题，首先采用谐衍射元件的设计方式，可以在多个谐振波长处，实现系统功能；其次，通过主镜不变，次镜替换的方式，实现多个设计波长及其谐振波长处的系统功能，大大扩展了衍射元件的使用谱段。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于衍射原理的平行光管的原理示意图。
图2为图1所示的一种基于衍射原理的平行光管主镜及各个次镜的功能区分布示意图。
图3为干涉仪出射光经对准区域返回实现基于衍射原理的平行光管装调的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人士在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供的一种基于衍射原理的平行光管结构100，包括主镜1及与主镜1间隔设置的次镜2；所述主镜1为谐衍射镜片且包括主入射面11及与主入射面11相背的主衍射面12，所述主入射面11为平面，所述主衍射面12形成多个主衍射台阶121；所述次镜2的数量为至少一个且每个次镜2包括次入射面21及与次入射面21相背的次衍射面22；所述次入射面21为平面，所述次衍射面22形成多个次衍射台阶221；光线经所述主入射面11进入主镜1、由所述主衍射面12衍射后进入到所述次衍射面21、再经所述次衍射面22后进行聚焦。
在本实施方式中，所述主镜1及所述次镜2均为圆形且所述主镜1的直径大于所述次镜2的直径；所述多个主衍射台阶121为多个同轴设置的圆环；所述多个次衍射台阶221为多个同轴设置的圆环。
在本实施方式中，所述次镜2的数量为三个；每个次镜2的次入射面21均位于靠近主镜1的一侧，次衍射面22均位于远离所述主镜1的一侧。
在本实施方式中，所述主镜1的主衍射面12设置有一个外径对应所述主镜1直径且围绕于所述多个主衍射台阶121的标记区域3。
在本实施方式中，所述次镜2的次衍射面22设置有一个外径对应所述次镜直径且围绕于所述多个次衍射台阶221的标记区域3。
在本实施方式中，主镜及所述次镜的所述标记区域3的宽度均为20mm。
本发明还提供一种基于衍射原理的平行光管结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定入射主镜的主设计波长、主镜的谐振波长、入射次镜的次设计波长、次镜的次谐振波长、平行光管的焦距及口径；
步骤2：根据主计波长、次设计波长和平行光管的口径，搭建初始光路；
主镜的主衍射面及次镜的次衍射面的面型表达式为：
Figure BDA0002349670090000051
M为衍射级次，N为阶数，Ai为系数，r为归一化半径；
在本步骤2中，通常情况下，M取1，A1为光焦度项，可计算得出
Figure BDA0002349670090000052
根据系统焦距对主镜和次镜的参数进行优化，在满足优化函数的前提下，尽量缩短主镜1和次镜2之间的距离，保证衍射望远镜系统具备较小的体积。
步骤3：保持主镜与次镜位相参数不变，对主镜及次镜的谐振波长处的成像质量进行验证，根据谐振波长，确定对应的衍射级次，完成谐振波长处的设计；
在本步骤3中，谐振波长与设计波长之间存在如下关系：
Figure BDA0002349670090000053
其中，p为谐振因子，取整数，代表最大位相调制(2pi)的整数倍，p>＝2。λ0为设计波长，λ为任意波长，f为设计波长的焦距，fM,λ为任意波长λ处的焦距。
如果要求fM,λ与设计焦距f重合,即应满足
λM＝pλ0
步骤4：保持主镜位相参数不变，以次镜的位相系数及主镜与次镜之间的距离为优化变量，同时保持平行光管结构的总长不变，完成次设计波长处的设计，次设计波长与主设计波长共用一个主镜，次镜尺寸与主设计波长的次镜相近，通过改变位相函数与距离参数，完成次设计波长对应的优化工作；
这样，只需要更换次镜即可以在非主设计波长及其谐振波长处的理想成像。
步骤5：保持主镜及次设计波长对应的次镜的位相参数及距离不变，确认次设计波长对应的次谐振波长处的成像质量，并确认不同次谐振波长对应的衍射级次。
进一步的，以三个次镜20为例，重复步骤4及步骤5完成第二个及第三个次镜的设计波长的衍射级次的设计。
如图3所示在主衍射面及次衍射面的设计完成后，在环形的衍射面的外围设置一圈宽20mm标记区域3，而被标记区域3围绕的则为光使用区域，标记区域3作为与干涉仪对准辅助系统辅助对准区域。干涉仪出射的球面波入射在对准区域后反射返回干涉仪形成干涉条纹，装调时，干涉条纹调至“零”条纹状态，即为装调到设计位置，主镜与次镜均包含标记区域，根据系统设计距离确定标记区域的位相分布。
本发明解决了口径、焦距与体积、质量、拆装之间的矛盾，在保证系统高精度的前提下，提高外场检测的效率。同时考虑到衍射元件的色散问题，首先采用谐衍射元件的设计方式，可以在多个谐振波长处，实现系统功能；其次，通过主镜不变，次镜替换的方式，实现多个设计波长及其谐振波长处的系统功能，大大扩展了衍射元件的使用谱段。
以上所述实施例仅表达了本发明的一种或几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种基于衍射原理的平行光管结构，其特征在于，包括主镜及与主镜间隔设置的次镜；所述主镜为谐衍射镜片且包括主入射面及与主入射面相背的主衍射面，所述主入射面为平面，所述主衍射面形成多个主衍射台阶；所述次镜的数量为至少一个且每个次镜包括次入射面及与次入射面相背的次衍射面；所述次入射面为平面，所述次衍射面形成多个次衍射台阶；光线经所述主入射面进入主镜、由所述主衍射面衍射后进入到所述次衍射面、再经所述次衍射面后进行聚焦；所述主镜的主衍射面设置有一个外径对应所述主镜直径且围绕于所述多个主衍射台阶的标记区域；所述次镜的次衍射面设置有一个外径对应所述次镜直径且围绕于所述多个次衍射台阶的标记区域。
2.根据权利要求1所述的基于衍射原理的平行光管结构，其特征在于，所述主镜及所述次镜均为圆形且所述主镜的直径大于所述次镜的直径；所述多个主衍射台阶为多个同轴设置的圆环；所述多个次衍射台阶为多个同轴设置的圆环。
3.根据权利要求2所述的基于衍射原理的平行光管结构，其特征在于，所述次镜的数量为三个；每个次镜的次入射面均位于靠近主镜的一侧，次衍射面均位于远离所述主镜的一侧。
4.根据权利要求1所述的基于衍射原理的平行光管结构，其特征在于，所述主镜及所述次镜的标记区域的宽度为20mm。
5.一种如权利要求1所述基于衍射原理的平行光管结构的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：确定入射主镜的主设计波长、主镜的主谐振波长、入射次镜的次设计波长、次镜的次谐振波长、平行光管的焦距及口径；
步骤2：根据主设计波长、次设计波长和平行光管结构的口径，搭建初始光路；主镜的主衍射面及次镜的次衍射面的面型表达式为：
Figure FDA0002822081870000021
M为衍射级次，N为阶数，Ai为系数，r为归一化半径；
步骤3：保持主镜与次镜位相参数不变，对主镜的主谐振波长及次镜的次谐振波长处的成像质量进行验证，根据主谐振波长和次谐振波长，分别确定对应的衍射级次，完成主谐振波长和次谐振波长处的设计；
在步骤3中主谐振波长与主设计波长之间，次谐振波长和次设计波长之间存在如下关系：
Figure FDA0002822081870000022
其中，p为谐振因子，取整数，代表最大位相调制(2pi)的整数倍，p>＝2；λ0为主设计波长或次设计波长，λ为任意波长，f为主设计波长或次设计波长的焦距，fM,λ为任意波长λ处的焦距；
如果要求fM,λ与主设计波长或次设计波长的焦距f重合,即应满足
λM＝pλ0；
步骤4：保持主镜位相参数不变，以次镜的位相系数及主镜与次镜之间的距离为优化变量，同时保持平行光管结构的总长不变，完成次设计波长处的设计，次设计波长与主设计波长共用一个主镜，次镜尺寸与主设计波长的主镜相近，通过改变位相函数与距离参数，完成次设计波长对应的优化工作；
步骤5：保持主镜及次设计波长对应的次镜的位相参数及距离不变，确认次设计波长对应的次谐振波长处的成像质量，并确认不同次谐振波长对应的衍射级次。
6.根据权利要求5所述的基于衍射原理的平行光管结构的设计方法，其特征在于，重复步骤4及步骤5完成第二个及第三个次镜的设计波长的衍射级次的设计。
7.根据权利要求5所述的基于衍射原理的平行光管结构的设计方法，其特征在于，在步聚2中M取1，取i＝1时，A1为光焦度项，可计算得出
Figure FDA0002822081870000031
其中，λ为任意波长，f为设计波长的焦距。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1038509A (zh) * 1988-06-06 1990-01-03 汽车电子、汽车拖拉机电器装置科研生产联合企业 平行光管
TWI260427B (en) * 2004-07-09 2006-08-21 Hon Hai Prec Ind Co Ltd Grating spectrograph
CN104215261B (zh) * 2014-08-26 2017-06-23 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 大视场反射式自由曲面空间相机畸变标定方法
CN105572895B (zh) * 2015-12-18 2017-11-07 哈尔滨工业大学 大口径谐衍射主镜成像系统及其应用
CN206292033U (zh) * 2016-12-30 2017-06-30 上海镭昊光电股份有限公司 一种多光谱反射式平行光管

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