CN111175989A - 离轴三反系统的主镜和三镜共基准的装调方法和系统 - Google Patents

离轴三反系统的主镜和三镜共基准的装调方法和系统 Download PDF

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武春风
李强
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尤俊成
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马铭
魏昊波
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赵东舸
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Abstract

本发明公开了一种离轴三反系统的主镜和三镜共基准的装调方法和系统，装调方法包括：对衍射元件与干涉仪进行对准，以使干涉仪内部射出的测试波前经对准衍射区域反射后，与干涉仪内部的参考波前发生干涉，并在干涉仪的对准区域上形成零条纹；将离轴三反系统的主镜和三镜分别对准主镜定位区域与三镜定位区域，以使干涉仪内部射出的测试波前分别经过主镜定位区域与三镜定位区域透射后，在主镜的第一定位区域和三镜的第二定位区域的边缘分别形成多个定位线；调整主镜和三镜的姿态，以使测试波前经由主镜和三镜反射后，与干涉仪内部的参考波前发生干涉，并分别在主镜区域和三镜区域上形成零条纹。

Description

离轴三反系统的主镜和三镜共基准的装调方法和系统
技术领域
本发明涉及光学系统技术领域，具体涉及一种离轴三反系统的主镜和三镜共基准的装调方法和系统。
背景技术
离轴三反系统具有无遮拦的优点，其可以在全视场获得更高能量利用率，正逐渐成为光学发射与接收系统应用中越来越多的光学结构形式。离轴三反系统虽然具有诸多优点，但由于系统具有非对称性和较多的调整自由度，导致离轴三反系统的主镜和三镜的装调十分困难，传统的装调方法已经无法满足要求。
现有的通过补偿器穿轴的装调方法可以确定离轴三反系统的主镜和三镜的失调量。但是该方法装调过程复杂、设计加工成本高，严重影响离轴三反系统装调的质量和进度。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种离轴三反系统的主镜和三镜共基准的装调方法和系统，利用干涉仪和衍射光学元件进行装调，装调过程简单，能快速实现主镜和三镜的装调。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种离轴三反系统的主镜和三镜共基准的装调方法，其包括以下步骤：
提供干涉仪和衍射元件，所述干涉仪包括自上而下依次分布的主镜区域、对准区域和三镜区域；所述衍射元件包括自上而下依次分布的主镜定位区域、主镜衍射区域、对准衍射区域、三镜衍射区域和三镜定位区域；
对所述衍射元件与所述干涉仪进行对准，以使所述干涉仪内部射出的测试波前经所述对准衍射区域反射后，与所述干涉仪内部的参考波前发生干涉，并在所述对准区域上形成零条纹；
将离轴三反系统的主镜和三镜分别对准所述主镜定位区域与所述三镜定位区域，以使所述干涉仪内部射出的测试波前分别经过所述主镜定位区域与所述三镜定位区域透射后，在所述主镜的第一定位区域和三镜的第二定位区域的边缘分别形成多个定位线；
调整所述主镜和三镜的姿态，以使所述测试波前经由所述主镜和三镜反射后，与所述干涉仪内部的参考波前发生干涉，并分别在所述主镜区域和三镜区域上形成零条纹。
在上述技术方案的基础上，所述第一定位区域上的多个所述定位线沿所述第一定位区域的周向间隔分布；所述第二定位区域上的多个所述定位线沿所述第二定位区域的周向间隔分布。
在上述技术方案的基础上，所述第一定位区域上的定位线有四个，四个所述定位线分别设于所述第一定位区域的四个边缘的中间位置；所述第二定位区域上的定位线有四个，四个所述定位线分别设于所述第二定位区域的四个边缘的中间位置。
在上述技术方案的基础上，所述定位线为十字线。
本发明还提供一种离轴三反系统的主镜和三镜共基准的装调方法，其包括以下步骤：
提供干涉仪和衍射元件，所述干涉仪包括自下而上依次分布的主镜区域、对准区域和三镜区域；所述衍射元件包括自下而上依次分布的主镜定位区域、主镜衍射区域、对准衍射区域、三镜衍射区域和三镜定位区域；
对所述衍射元件与所述干涉仪进行对准，以使所述干涉仪内部射出的测试波前经所述对准衍射区域反射后，与所述干涉仪内部的参考波前发生干涉，并在所述对准区域上形成零条纹；
将离轴三反系统的主镜和三镜分别对准所述主镜定位区域与所述三镜定位区域，以使所述干涉仪内部射出的测试波前分别经过所述主镜定位区域与所述三镜定位区域透射后，在所述主镜的第一定位区域和三镜的第二定位区域的边缘分别形成多个定位线；
调整所述主镜和三镜的姿态，以使所述测试波前经由所述主镜和三镜反射后，与所述干涉仪内部的参考波前发生干涉，并分别在所述主镜区域和三镜区域上形成零条纹。
本发明还提供一种离轴三反系统的主镜和三镜共基准的装调系统，其包括：
干涉仪，所述干涉仪包括自上而下依次分布的主镜区域、对准区域和三镜区域；
衍射元件，所述衍射元件包括自上而下依次分布的主镜定位区域、主镜衍射区域、对准衍射区域、三镜衍射区域和三镜定位区域；所述衍射元件与所述干涉仪对准设置，以使所述干涉仪内部射出的测试波前经所述对准衍射区域反射后，与所述干涉仪内部的参考波前发生干涉，并在所述对准区域上形成零条纹；以及，
所述干涉仪用于：内部射出测试波前，且该测试波前分别经过所述主镜定位区域和所述三镜定位区域透射后，在所述主镜的第一定位区域和所述三镜的第二定位区域形成定位线；同时，所述测试波前分别经由所述主镜和所述三镜反射后，与所述干涉仪内部的参考波前发生干涉，并在所述主镜区域和所述三镜区域形成零条纹。
在上述技术方案的基础上，所述干涉仪为迈克尔逊干涉仪。
在上述技术方案的基础上，所述衍射元件为相位型衍射元件。
在上述技术方案的基础上，所述相位型衍射元件的各区域的相位均采用泽尼克条纹相位多项式进行相位拟合。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的离轴三反系统的主镜和三镜共基准的装调方法借助衍射元件，利用干涉成像的方法对主镜与三镜分别完成了干涉检测，同时在衍射元件与干涉仪的对准基础下，在主镜与三镜分别完成干涉检测时，二者的位置关系即为离轴三反系统的主镜与三镜的设计位置。本发明的装调方法可以完成主镜与三镜的共基准对准装调，保证主镜与三镜位置关系的正确性，为后续离轴三反系统的装调提供保障，且本发明的装调方法所需设备均是常用设备，对准精度高，对离轴三反系统没有特殊要求，通用性强，便于推广。
附图说明
图1为本发明实施例中衍射元件的各区域的分布示意图；
图2为本发明实施例中干涉仪的各区域显示零条纹的示意图；
图3为本发明实施例中离轴三反系统的主镜和三镜共基准的装调系统的结构示意图；
图4为主镜的第一定位区域的边缘上定位线的分布示意图；
图5为三镜的第二定位区域的边缘上定位线的分布示意图。
图中：1-干涉仪，10-主镜区域，11-对准区域，12-三镜区域，2-衍射元件，20-主镜定位区域，21-主镜衍射区域，22-对准衍射区域，23-三镜衍射区域，24-三镜定位区域，3-主镜，30-第一定位区域，4-三镜，40-第二定位区域，5-定位线。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
本发明实施1提供一种离轴三反系统的主镜和三镜共基准的装调方法，其包括以下步骤：
S1：参见图1所示，提供干涉仪1和衍射元件2，干涉仪1包括自上而下依次分布的主镜区域10、对准区域11和三镜区域12；衍射元件2包括自上而下依次分布的主镜定位区域20、主镜衍射区域21、对准衍射区域22、三镜衍射区域23和三镜定位区域24，主镜衍射区域21和三镜衍射区域23当于消像差透镜，对准衍射区域22相当于球面反射镜，主镜定位区域20和三镜定位区域24用于投射十字标线基；其中，主镜衍射区域21、对准衍射区域22和三镜衍射区域23分别与主镜区域10、对准区域11和三镜区域12相对应。
S2：参见图2所示，对衍射元件2与干涉仪1进行对准，以使干涉仪1内部射出的测试波前(测试波前为球面波光线)经对准衍射区域22反射后，测试波前沿原路返回至干涉仪1内部，与干涉仪1内部的参考波前发生干涉，在干涉仪的对准区域11上形成零条纹，在干涉仪对准区域11上观察到干涉条纹(图3中的黑色条纹)之间稀疏排列分布，不密集，条纹数量接近于零，通常将这种条纹排布称为零条纹，说明衍射元件2与干涉仪1已对准。
S3：参见图3所示，将离轴三反系统的主镜3和三镜4分别对准主镜定位区域20与三镜定位区域24，干涉仪1、衍射元件2和离轴三反系统的主镜3和三镜4之间的安装的位置参见图3，以使干涉仪1内部射出的测试波前分别经过主镜定位区域20与三镜定位区域24透射后，在主镜3的第一定位区域30和三镜4的第二定位区域40的边缘分别形成多个定位线5，当干涉仪1内部射出的测试波前经过主镜定位区域20与三镜定位区域24透射后，会转变成多个定位线5，调整主镜3和三镜4的位置，使得多个定位线5分别投射在主镜3的第一定位区域30的边缘和三镜4的第二定位区域40的边缘，完成主镜3和三镜4与衍射元件2的初对准。
S4：继续调整主镜3和三镜4的姿态(微调主镜3和三镜4的倾斜与偏摆)，直至测试波前经由主镜3和三镜4反射后，返回到干涉仪1内的测试波前与干涉仪1内部的参考波前发生干涉，并分别在干涉仪的主镜区域10和三镜区域12上形成零条纹，同时完成主镜3与三镜4的零条纹调节后，说明主镜3与三镜4处于离轴三反系统设计的装调位置，即完成了离轴三反系统中主镜3与三镜4的共基准装调。
本发明实施例1的装调方法借助衍射元件2，利用干涉成像的方法对主镜3与三镜4分别完成了干涉检测，同时在衍射元件2与干涉仪1的对准基础下，在主镜3与三镜4分别完成干涉检测时，二者的位置关系即为离轴三反系统的主镜3与三镜4的设计位置。本发明的装调方法可以完成主镜3与三镜4的共基准对准装调，保证主镜3与三镜4位置关系的正确性，为后续离轴三反系统的装调提供保障，且本发明的装调方法所需设备均是常用设备，对准精度高，对离轴三反系统没有特殊要求，通用性强，便于推广。
可选的，参见图4和图5所示，干涉仪1内部射出的测试波前分别经过主镜定位区域20转变成的多个定位线5沿主镜3的第一定位区域30的周向间隔分布。干涉仪1内部射出的测试波前分别经过三镜定位区域24转变成的多个定位线5沿三镜4的第二定位区域40的周向间隔分布。
优选的，参见图4和图5所示，定位线5为十字线，第一定位区域30和第二定位区域40为方形，第一定位区域30上的定位线5有四个，四个定位线5分别设于第一定位区域30的四个边缘的中间位置；第二定位区域40上的定位线5有四个，四个定位线5分别设于第二定位区域40的四个边缘的中间位置，实现主镜3和三镜4的初步定位。
实施例2：
本发明实施例2还提供一种离轴三反系统的主镜和三镜共基准的装调方法，基本内容同实施例1，不同之处在于S1：
S1：提供干涉仪1和衍射元件2，干涉仪1包括自下而上依次分布的主镜区域10、对准区域11和三镜区域12；衍射元件2包括自下而上依次分布的主镜定位区域20、主镜衍射区域21、对准衍射区域22、三镜衍射区域23和三镜定位区域24。可根据主镜3和三镜4的实际装调位置对干涉仪1和衍射元件2的区域进行划分，在干涉仪1和衍射元件2的结构不做改变的情况下，只需重新对各区域的排列位置进行划分即可，实现了该装调方法的通用性。
实施例3：
参见图3所示，本发明实施例3还提供了一种离轴三反系统的主镜和三镜共基准的装调系统，其包括干涉仪1和衍射元件2，干涉仪1包括自上而下依次分布的主镜区域10、对准区域11和三镜区域12；衍射元件2包括自上而下依次分布的主镜定位区域20、主镜衍射区域21、对准衍射区域22、三镜衍射区域23和三镜定位区域24；主镜衍射区域21和三镜衍射区域23当于消像差透镜，对准衍射区域22相当于球面反射镜，主镜定位区域20和三镜定位区域24用于投射十字标线基；其中，主镜衍射区域21、对准衍射区域22和三镜衍射区域23分别与主镜区域10、对准区域11和三镜区域12相对应。
衍射元件2与干涉仪1对准设置，衍射元件2与干涉仪1对准设置的判断条件为：干涉仪1内部射出的测试波前经对准衍射区域22反射后，测试波前沿原路返回至干涉仪1内部，与干涉仪1内部的参考波前发生干涉，在对准区域11上形成零条纹。
以及，干涉仪1用于：内部射出测试波前，且该测试波前分别经过主镜定位区域20和三镜定位区域24透射后，在主镜3的第一定位区域30和三镜4的第二定位区域40形成定位线5；同时，测试波前分别经由主镜3和三镜4反射后，与干涉仪1内部的参考波前发生干涉，并在主镜区域10和三镜区域12形成零条纹。同时完成了主镜3与三镜4的零条纹调节后，说明主镜3与三镜4处于离轴三反系统设计的装调位置，即完成了离轴三反系统中主镜3与三镜4的共基准装调。
本发明实施例3的装调系统所需设备均是常用设备，对准精度高，对离轴三反系统没有特殊要求，通用性强，便于推广。
优选的，干涉仪1为迈克尔逊干涉仪，借助该干涉仪1，主镜3和三镜4的对准精度更高。
进一步的，衍射元件2为相位型衍射元件，以相位型衍射元件作为主镜3和三镜4的装调基准，保证主镜3和三镜4共基准的正确性。
更进一步的，相位型衍射元件的各区域的相位均采用泽尼克条纹相位多项式进行相位拟合，用以将干涉仪出射球面波前转化为与主镜3和三镜4分别对应的非球面波前。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种离轴三反系统的主镜和三镜共基准的装调方法，其特征在于，其包括以下步骤：
提供干涉仪(1)和衍射元件(2)，所述干涉仪(1)包括自上而下依次分布的主镜区域(10)、对准区域(11)和三镜区域(12)；所述衍射元件(2)包括自上而下依次分布的主镜定位区域(20)、主镜衍射区域(21)、对准衍射区域(22)、三镜衍射区域(23)和三镜定位区域(24)；
对所述衍射元件(2)与所述干涉仪(1)进行对准，以使所述干涉仪(1)内部射出的测试波前经所述对准衍射区域(22)反射后，与所述干涉仪(1)内部的参考波前发生干涉，并在所述对准区域(11)上形成零条纹；
将离轴三反系统的主镜(3)和三镜(4)分别对准所述主镜定位区域(20)与所述三镜定位区域(24)，以使所述干涉仪(1)内部射出的测试波前分别经过所述主镜定位区域(20)与所述三镜定位区域(24)透射后，在所述主镜(3)的第一定位区域(30)和三镜(4)的第二定位区域(40)的边缘分别形成多个定位线(5)；
调整所述主镜(3)和三镜(4)的姿态，以使所述测试波前经由所述主镜(3)和三镜(4)反射后，与所述干涉仪(1)内部的参考波前发生干涉，并分别在所述主镜区域(10)和三镜区域(12)上形成零条纹。
2.如权利要求1所述的离轴三反系统的主镜和三镜共基准的装调方法，其特征在于，所述第一定位区域(30)上的多个所述定位线(5)沿所述第一定位区域(30)的周向间隔分布；所述第二定位区域(40)上的多个所述定位线(5)沿所述第二定位区域(40)的周向间隔分布。
3.如权利要求2所述的离轴三反系统的主镜和三镜共基准的装调方法，其特征在于，所述第一定位区域(30)上的定位线(5)有四个，四个所述定位线(5)分别设于所述第一定位区域(30)的四个边缘的中间位置；所述第二定位区域(40)上的定位线(5)有四个，四个所述定位线(5)分别设于所述第二定位区域(40)的四个边缘的中间位置。
4.如权利要求3所述的离轴三反系统的主镜和三镜共基准的装调方法，其特征在于，所述定位线(5)为十字线。
5.一种离轴三反系统的主镜和三镜共基准的装调方法，其特征在于，其包括以下步骤：
提供干涉仪(1)和衍射元件(2)，所述干涉仪(1)包括自下而上依次分布的主镜区域(10)、对准区域(11)和三镜区域(12)；所述衍射元件(2)包括自下而上依次分布的主镜定位区域(20)、主镜衍射区域(21)、对准衍射区域(22)、三镜衍射区域(23)和三镜定位区域(24)；
对所述衍射元件(2)与所述干涉仪(1)进行对准，以使所述干涉仪(1)内部射出的测试波前经所述对准衍射区域(22)反射后，与所述干涉仪(1)内部的参考波前发生干涉，并在所述对准区域(11)上形成零条纹；
将离轴三反系统的主镜(3)和三镜(4)分别对准所述主镜定位区域(20)与所述三镜定位区域(24)，以使所述干涉仪(1)内部射出的测试波前分别经过所述主镜定位区域(20)与所述三镜定位区域(24)透射后，在所述主镜(3)的第一定位区域(30)和三镜(4)的第二定位区域(31)的边缘分别形成多个定位线(5)；
调整所述主镜(3)和三镜(4)的姿态，以使所述测试波前经由所述主镜(3)和三镜(4)反射后，与所述干涉仪(1)内部的参考波前发生干涉，并分别在所述主镜区域(10)和三镜区域(12)上形成零条纹。
6.一种离轴三反系统的主镜和三镜共基准的装调系统，其特征在于，其包括：
干涉仪(1)，所述干涉仪(1)包括自上而下依次分布的主镜区域(10)、对准区域(11)和三镜区域(12)；
衍射元件(2)，所述衍射元件(2)包括自上而下依次分布的主镜定位区域(20)、主镜衍射区域(21)、对准衍射区域(22)、三镜衍射区域(23)和三镜定位区域(24)；所述衍射元件(2)与所述干涉仪(1)对准设置，以使所述干涉仪(1)内部射出的测试波前经所述对准衍射区域(22)反射后，与所述干涉仪(1)内部的参考波前发生干涉，并在所述对准区域(11)上形成零条纹；以及，
所述干涉仪(1)用于：内部射出测试波前，且该测试波前分别经过所述主镜定位区域(20)和所述三镜定位区域(24)透射后，在所述主镜(3)的第一定位区域(30)和所述三镜(4)的第二定位区域(40)形成定位线(5)；同时，所述测试波前分别经由所述主镜(3)和所述三镜(4)反射后，与所述干涉仪(1)内部的参考波前发生干涉，并在所述主镜区域(10)和所述三镜区域(12)形成零条纹。
7.如权利要求6所述的离轴三反系统的主镜和三镜共基准的装调系统，其特征在于，所述干涉仪(1)为迈克尔逊干涉仪。
8.如权利要求6所述的离轴三反系统的主镜和三镜共基准的装调系统，其特征在于，所述衍射元件(2)为相位型衍射元件。
9.如权利要求8所述的离轴三反系统的主镜和三镜共基准的装调系统，其特征在于，所述相位型衍射元件的各区域的相位均采用泽尼克条纹相位多项式进行相位拟合。
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