CN111929879A - 小f数斜轴大视场离轴三反系统及其装调方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种小F数斜轴大视场离轴三反系统及其装调方法，该系统包括主镜、次镜、三镜以及焦面，主镜为高次离轴双曲面，次镜为凸扁椭球面，三镜为高次离轴扁椭球面；次镜与三镜的二次项常数符号相同，且两镜面的中心曲率半径相差较小；次镜材料选用透射石英，次镜面形采用背部检测补偿光路设计，三镜面形采用正面检测补偿光路设计，针对此类斜轴大视场离轴三反系统采用如下装调步骤：1)建立零视场基准；2)次镜与三镜的同轴装调；3)系统装调。通过该装调方法可以减少光轴的基准传递次数，保证了次镜与三镜能够进行一次性的高精度同轴安装，减少了系统精密装调的自由度，降低了系统装调的难度，加快了系统装调的速度。

Description

小F数斜轴大视场离轴三反系统及其装调方法

技术领域

本发明涉及离轴三反系统领域，具体地，涉及一种小F数斜轴大视场离轴三反系统及其装调方法。

背景技术

目前研究的离轴三反系统都是朝着大视场、轻量化、高成像质量的方向发展，这就使得大部分光学系统都采用离轴量较大的高次非球面来设计，但是随着目前光学加工技术水平的提高，这些光学镜片的加工已经不再是难点。然而，对于这种小F数斜轴大视场离轴三反光学系统装调，目前仍然有许多问题，不利于系统的快速成型和项目的工程化，制约着各类型号载荷项目的研制进度。

当前，对于小F数斜轴大视场离轴三反光学系统装调，大部分均采用的方法为：以主三镜共光轴为粗定位基准，利用计算机辅助装调对次镜和三镜进行系统精密装调。该方法在系统装调时所需调节次镜和三镜共11个自由度，需要进行系统装调灵敏度计算，装调难度极大，很难实现系统快速成型。本发明主要围绕斜轴大视场离轴三反光学系统装调方法展开研究，利用目前的精密仪器设备，设计了一种新的装调方法，该方法装调简单，可快速实现系统集成。

专利文献为CN 105242387 B的发明专利公开了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°。但是专利文献公开的方案，调节精度低。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种小F数斜轴大视场离轴三反系统及其装调方法。

根据本发明提供的一种小F数斜轴大视场离轴三反系统，包括主镜(1)、次镜(2)、三镜(3)以及焦平面(4)，所述主镜(1)为离轴高次双曲面反射镜，所述次镜(2)为凸扁椭球面反射镜，所述三镜(3)为离轴高次扁椭球面反射镜，所述主镜(1)、次镜(2)、三镜(3)的母轴重合，光路依次经过主镜(1)、次镜(2)、三镜(3)反射并到达焦平面(4)。

优选地，所述主镜(1)与次镜(2)间距为355mm，次镜(2)与三镜(3)间距为360mm，三镜(3)离焦平面(4)距离为415.448mm。

优选地，系统光轴与零视场主光线的夹角为8°，其中系统光轴是设置主镜(1)、次镜(2)、三镜(3)以及焦平面(4)时的干涉仪(5)的光束指向；零视场主光线是设置平面镜(8)的法线。

优选地，所述次镜(2)材料为透射石英且面形采用背部检测光路设计，所述次镜(2)与三镜(3)的面形均采用平面波检测补偿光路设计。

根据本发明提供的一种根据上述的小F数斜轴大视场离轴三反系统的装调方法，包括如下步骤：

步骤S1：建立零现场基准；

步骤S2：对次镜(2)和三镜(3)同轴装调；

步骤S3：对焦平面(4)和主镜(4)装调。

优选地，所述步骤S1包括：

步骤S101：将干涉仪(5)放置在光学平台上，在干涉仪(5)发出的光束前方放置一块夹角为1″的平行平晶(6)，平行平晶(6)与干涉仪(5)的出射光方向相互垂直；

步骤S102：在平行平晶(6)的前方放置一台经纬仪(7)，经纬仪(7)正对着平行平晶(6)，调节经纬仪(7)的激光方向与干涉仪(5)的光束指向重合，并作为系统的光轴方向；

步骤S103：保持经纬仪(7)俯仰方向的角度不变，调整偏转方向角度，使得经纬仪(7)偏转8度，在经纬仪(7)所指的方向放置一块平面镜(8)，调整平面镜的偏转角和俯仰角，使得经纬仪(7)发出的激光经平面镜(8)自准直回来形成的十字叉丝与经纬仪(7)本身的十字刻度线重合，锁紧平面镜(8)，调整经纬仪的偏转角度使其回到0度。

优选地，所述步骤S2包括：

步骤S201：将V型块(11)固定于调整机构上，三镜补偿器(10)放置于V型块(11)上，使三镜补偿器(10)的通光口径处于干涉仪(5)发出的光斑范围以内，将平行平晶(6)的一面靠在三镜补偿器(10)靠近干涉仪(5)一边的镜筒端面，调节三镜补偿器(10)的光轴与干涉仪(5)的光束指向近似平行；调节三镜补偿器(10)的光轴与经纬仪(7)的光轴重合；

步骤S202：调节三镜(3)，使三镜(3)的母轴与三镜补偿器(10)的光轴重合；

步骤S203：取下三镜补偿器(10)，将次镜补偿器(9)放置于V型块(11)上，在次镜补偿器(9)靠近干涉仪(5)一边的镜筒端面靠上平行平晶(6)，调整V型块(11)，使得次镜补偿器(9)的光轴与干涉仪(5)的光束指向近似平行；调节次镜补偿器(9)，使得次镜补偿器(9)的光轴与经纬仪(7)的光轴重合，调节次镜(2)使次镜(2)的母轴与次镜补偿器(9)的光轴重合，完成次镜(2)与三镜(3)的同轴精密装调；

步骤S204：待次镜(2)与三镜(3)同轴精密装调完成，查看经纬仪(7)，次镜(2)顶点返回的十字叉丝与经纬仪(7)本身的十字刻度线重合，沿Z轴调节次镜(2)偏心，使得次镜(2)与三镜(3)的轴向距离偏差在设定误差范围以内，并通过经纬仪(7)监测次镜(2)顶点的十字叉丝是否有沿X轴和Y轴存在偏心，如有则调节次镜(2)的X轴偏心和Y轴偏心，使得次镜(2)顶点返回的十字叉丝与经纬仪(7)本身的十字刻度线重合。

优选地，所述步骤S3包括：

步骤S301：参考次镜(2)的位置，确定焦平面(4)沿Z轴方向的位置，在该位置放置一块切光板，将干涉仪(5)的镜头换成F数满足测试要求的球面镜头，调整干涉仪(5)的偏转角度和沿Z轴方向的位置，使得干涉仪(5)汇聚产生的最小光斑位于切光板上且照射到三镜(3)上的光斑位于三镜(3)镜面的中心区域；

步骤S302：将主镜(1)放置在系统光路中，调节主镜(1)沿X轴偏心、沿Y轴偏心、沿Z轴偏心、绕X轴旋转、绕Y轴旋转、绕Z轴旋转6个自由度，直到三反系统在零视场和各边缘视场的波前误差均满足设计指标要求，即完成了整个三反系统的装调。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明解决斜轴大视场离轴三反光学系统的装调复杂性问题，可快速实现系统的集成与项目的工程化；

2、本发明保证了次镜与三镜能够进行一次性的高精度同轴安装，减少了系统精密装调的自由度，降低了系统装调的难度，加快了系统装调的速度；

3、本发明的次镜与三镜的检测光路均采用平面波检测；

4、本发明采用高精度的平行平晶，使得次镜补偿器与三镜补偿器的同轴调节精度更高；

5、本发明的次镜的装配误差对于系统波像差的灵敏度相对于主镜和三镜较低，采取次镜与三镜同轴装调。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为小F数斜轴大视场离轴三反光学系统光路图；

图2为小F数斜轴大视场离轴三反光学系统基准建立原理图；

图3为小F数斜轴大视场离轴三反光学系统次镜与三镜同轴装调原理图；

图4为小F数斜轴大视场离轴三反光学系统装调原理图；

附图标记：1-主镜，2-次镜，3-三镜，4-焦平面，5-干涉仪，6-平行平晶，7-经纬仪，8-平面反射镜，9-次镜补偿器，10-三镜补偿器，11-V型块。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1至图4所示，根据本发明提供的小F数斜轴大视场离轴三反系统及其装调方法，包括主镜1、次镜2、三镜3以及焦平面4，所述主镜1为离轴高次双曲面反射镜，所述次镜2为凸扁椭球面反射镜，所述三镜3为离轴高次扁椭球面反射镜，所述主镜、次镜以及三镜的母轴重合。主镜1与次镜2间距为355mm，次镜2与三镜3间距为360mm，三镜3离焦平面4距离为415.448mm，系统光轴与零视场主光线的夹角为8°。所述次镜2材料为透射石英且面形采用背部检测光路设计，所述次镜2与三镜3的面形均采用平面波检测补偿光路设计。小F数斜轴大视场离轴三反系统在设计时控制次镜2与三镜3的曲率半径，使其相差较小，且使其二次项常数的符号一致。

本发明提供的小F数斜轴大视场离轴三反光学系统装调方法，包括以下步骤：

第一步：建立零视场基准，如图2所示。

1.1、将干涉仪5放置在光学平台上，调节干涉仪5的角度使得其发出的平行光束大致处于水平状态；在干涉仪5发出的光束前方放置一块夹角为1″的平行平晶6，调节该平行平晶6使得其将干涉仪5发出的光束自准直回去产生干涉条纹，待干涉条纹数量调至3根条纹以下，即认为该平行平晶6与干涉仪5的出射光方向相互垂直。

1.2、在平行平晶6的前方放置一台经纬仪7，调整经纬仪7的气泡使得其处于水平状态，粗调整经纬仪7的偏转角与俯仰角，使得经纬仪7正对着平行平晶，当经纬仪7发出的激光经平行平晶自准直回来在经纬仪7的视场范围以内时，再精调经纬仪7的偏转角和俯仰角使得自准直回来的十字叉丝与经纬仪7本身的十字刻度线重合，此时经纬仪7所指的方向为干涉仪的光束指向，也是整个系统的光轴方向。

1.3、保持经纬仪7俯仰方向的角度不变，调整偏转方向角度，使得其偏转8度。在经纬仪7所指的方向放置一块大平面镜8，调整平面镜的偏转角和俯仰角，使得经纬仪7发出的激光经平面镜8自准直回来形成的十字叉丝与经纬仪7本身的十字刻度线重合，锁紧平面镜8，调整经纬仪的偏转角度使其回到0度。

第二步：次镜与三镜同轴装调，如图3所示。

2.1、将V型块11固定于调整机构上，三镜补偿器10放置于V型块上，使三镜补偿器10的通光口径处于干涉仪5发出的光斑范围以内，将平行平晶的一面靠在三镜补偿器10靠近干涉仪一边的镜筒端面其中三镜补偿器10的镜筒端面与补偿器的光轴垂直误差小于3″，调整V型块11，使得平行平晶6将干涉仪5发出的激光反射回去产生干涉条纹，待干涉条纹数量调至3根条纹以下，则三镜补偿器10的光轴与干涉仪5的光束指向近似平行。再调节三镜补偿器10沿X轴偏心和沿Y轴偏心，使得三镜补偿器10的光轴与经纬仪7的光轴重合。

2.2、调节三镜3沿X轴偏心、沿Y轴偏心、沿Z轴偏心、绕X轴旋转、绕Y轴旋转五个自由度，并通过干涉图判断，使离轴三镜3的母轴与三镜补偿器10的光轴重合，即完成了三镜3的精密装调。

2.3、取下三镜补偿器10，将次镜补偿器9放置于V型块11上，在次镜补偿器9靠近干涉仪5一边的镜筒端面靠上平行平晶6其中次镜补偿器9的镜筒端面与补偿器的光轴垂直误差小于3″，调整V型块11，使得平行平晶将干涉仪5发出的激光反射回去产生干涉条纹，待干涉条纹数量调至3根条纹以下，则次镜补偿器9的光轴与干涉仪5的光束指向近似平行。再调节次镜补偿器9沿X轴偏心和沿Y轴偏心，使得次镜补偿器9的光轴与经纬仪7的光轴重合。之后，调节次镜2沿X轴偏心、沿Y轴偏心、沿Z轴偏心、绕X轴旋转、绕Y轴旋转五个自由度，并通过干涉图判断，使次镜2的母轴与次镜补偿器9的光轴重合，即完成了次镜2与三镜3的同轴精密装调。

2.4、待次镜2与三镜3同轴精密装调完成，查看经纬仪7，次镜2顶点返回的十字叉丝正好与经纬仪7本身的十字刻度线重合如不重合或者重合度较差，说明次镜补偿器9与三镜补偿器10的光轴没有对准，则需要重新对准。沿Z轴调节次镜2偏心，使得次镜与三镜的轴向距离偏差在设计误差范围以内，并通过经纬仪7监测次镜2顶点的十字叉丝是否有沿X轴和Y轴存在偏心，如有则调节次镜2的X轴偏心和Y轴偏心，使得次镜2顶点返回的十字叉丝与经纬仪7本身的十字刻度线重合。

第三步：系统装调，如图4所示。

3.1、参考次镜2的位置，确定焦平面4沿Z轴方向的位置，在该位置放置一块切光板。将干涉仪5的镜头换成F数满足测试要求的球面镜头，调整干涉仪5的偏转角度和沿Z轴方向的位置，使得干涉仪5汇聚产生的最小光斑位于切光板上且照射到三镜3上的光斑位于三镜3镜面的中心区域。

3.2、将主镜1放置在系统光路中，调节主镜1沿X轴偏心、沿Y轴偏心、沿Z轴偏心、绕X轴旋转、绕Y轴旋转、绕Z轴旋转6个自由度，直到三反系统在零视场和各边缘视场的波前误差均满足设计指标要求，即完成了整个三反系统的装调。

本发明解决斜轴大视场离轴三反光学系统的装调复杂性问题，可快速实现系统的集成与项目的工程化；本发明保证了次镜与三镜能够进行一次性的高精度同轴安装，减少了系统精密装调的自由度，降低了系统装调的难度，加快了系统装调的速度。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种小F数斜轴大视场离轴三反系统，其特征在于，包括主镜(1)、次镜(2)、三镜(3)以及焦平面(4)，所述主镜(1)为离轴高次双曲面反射镜，所述次镜(2)为凸扁椭球面反射镜，所述三镜(3)为离轴高次扁椭球面反射镜，所述主镜(1)、次镜(2)、三镜(3)的母轴重合，光路依次经过主镜(1)、次镜(2)、三镜(3)反射并到达焦平面(4)。

2.根据权利要求1所述的小F数斜轴大视场离轴三反系统，其特征在于，所述主镜(1)与次镜(2)间距为355mm，次镜(2)与三镜(3)间距为360mm，三镜(3)离焦平面(4)距离为415.448mm。

3.根据权利要求1所述的小F数斜轴大视场离轴三反系统，其特征在于，系统光轴与零视场主光线的夹角为8°，其中系统光轴是设置主镜(1)、次镜(2)、三镜(3)以及焦平面(4)时的干涉仪(5)的光束指向；零视场主光线是设置平面镜(8)的法线。

4.根据权利要求1所述的小F数斜轴大视场离轴三反系统，其特征在于，所述次镜(2)材料为透射石英且面形采用背部检测光路设计，所述次镜(2)与三镜(3)的面形均采用平面波检测补偿光路设计。

5.一种根据权利要求1-4任一项所述的小F数斜轴大视场离轴三反系统的装调方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：建立零现场基准；

步骤S2：对次镜(2)和三镜(3)同轴装调；

步骤S3：对焦平面(4)和主镜(4)装调。

6.根据权利要求5所述的装调方法，其特征在于，

所述步骤S1包括：

步骤S101：将干涉仪(5)放置在光学平台上，在干涉仪(5)发出的光束前方放置一块夹角为1″的平行平晶(6)，平行平晶(6)与干涉仪(5)的出射光方向相互垂直；

步骤S102：在平行平晶(6)的前方放置一台经纬仪(7)，经纬仪(7)正对着平行平晶(6)，调节经纬仪(7)的激光方向与干涉仪(5)的光束指向重合，并作为系统的光轴方向；

步骤S103：保持经纬仪(7)俯仰方向的角度不变，调整偏转方向角度，使得经纬仪(7)偏转8度，在经纬仪(7)所指的方向放置一块平面镜(8)，调整平面镜的偏转角和俯仰角，使得经纬仪(7)发出的激光经平面镜(8)自准直回来形成的十字叉丝与经纬仪(7)本身的十字刻度线重合，锁紧平面镜(8)，调整经纬仪的偏转角度使其回到0度。

7.根据权利要求6所述的装调方法，其特征在于，

所述步骤S2包括：

步骤S201：将V型块(11)固定于调整机构上，三镜补偿器(10)放置于V型块(11)上，使三镜补偿器(10)的通光口径处于干涉仪(5)发出的光斑范围以内，将平行平晶(6)的一面靠在三镜补偿器(10)靠近干涉仪(5)一边的镜筒端面，调节三镜补偿器(10)的光轴与干涉仪(5)的光束指向近似平行；调节三镜补偿器(10)的光轴与经纬仪(7)的光轴重合；

步骤S202：调节三镜(3)，使三镜(3)的母轴与三镜补偿器(10)的光轴重合；

步骤S203：取下三镜补偿器(10)，将次镜补偿器(9)放置于V型块(11)上，在次镜补偿器(9)靠近干涉仪(5)一边的镜筒端面靠上平行平晶(6)，调整V型块(11)，使得次镜补偿器(9)的光轴与干涉仪(5)的光束指向近似平行；调节次镜补偿器(9)，使得次镜补偿器(9)的光轴与经纬仪(7)的光轴重合，调节次镜(2)使次镜(2)的母轴与次镜补偿器(9)的光轴重合，完成次镜(2)与三镜(3)的同轴精密装调；

步骤S204：待次镜(2)与三镜(3)同轴精密装调完成，查看经纬仪(7)，次镜(2)顶点返回的十字叉丝与经纬仪(7)本身的十字刻度线重合，沿Z轴调节次镜(2)偏心，使得次镜(2)与三镜(3)的轴向距离偏差在设定误差范围以内，并通过经纬仪(7)监测次镜(2)顶点的十字叉丝是否有沿X轴和Y轴存在偏心，如有则调节次镜(2)的X轴偏心和Y轴偏心，使得次镜(2)顶点返回的十字叉丝与经纬仪(7)本身的十字刻度线重合。

8.根据权利要求7所述的装调方法，其特征在于，

所述步骤S3包括：

步骤S301：参考次镜(2)的位置，确定焦平面(4)沿Z轴方向的位置，在该位置放置一块切光板，将干涉仪(5)的镜头换成F数满足测试要求的球面镜头，调整干涉仪(5)的偏转角度和沿Z轴方向的位置，使得干涉仪(5)汇聚产生的最小光斑位于切光板上且照射到三镜(3)上的光斑位于三镜(3)镜面的中心区域；

步骤S302：将主镜(1)放置在系统光路中，调节主镜(1)沿X轴偏心、沿Y轴偏心、沿Z轴偏心、绕X轴旋转、绕Y轴旋转、绕Z轴旋转6个自由度，直到三反系统在零视场和各边缘视场的波前误差均满足设计指标要求，即完成了整个三反系统的装调。

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