CN112596196B - 大口径连续可调空心角锥反射镜装置和调整方法 - Google Patents

Abstract

一种大口径连续可调空心角锥反射镜装置和调整方法，装置包括空心角锥反射镜及其调整装置，所述的空心角锥反射镜是由一块平面反射镜和一块直角反射镜组成，所述的调整装置包括用于调整平面反射镜的角度调节装置，用于固定平面反射镜的固定装置和直角反射镜的固定装置，以及用来移动所述的平面反射镜或是直角反射镜的移动装置，所述的平面反射镜通过平面反射镜角度调节装置和固定装置置于所述的移动装置的一端，所述的直角反射镜是由两块平面反射镜胶合而成，通过直角反射镜的固定装置置于所述的移动装置的另一端。本发明易于制作加工，可连续改变空心角锥反射镜的光学口径，从而满足对不同口径光学元器件或光学设备的测量需求。

Description

大口径连续可调空心角锥反射镜装置和调整方法

技术领域

本发明涉及精密测量领域，特别是一种大口径连续可调空心角锥反射镜装置和调整方法。

背景技术

角锥棱镜是一种重要的后向反射器，已广泛应运于某些高精度的测量仪器中，如大地测量仪、数控机床等。随着科学的进步和发展，角锥棱镜在人造卫星测距、星际测距、飞行体动态测距以及雷达成像等航空、航天领域发挥了越来越重要的作用。当前用于空间激光测距的合作目标均为小尺寸的实体角锥反射镜阵列，由于合作目标有多个反射中心，使得测距精度只能到毫米量级。为了进一步提高激光测距的精度，利用大口径角锥来消除激光反射镜的误差成为提高测距精度的最佳突破口。同时，用于航空测试领域光学口径达米级的天文望远镜以及通讯测试用的大口径望远镜，均需要大口径角锥棱镜进行自准直校正。因此，制作大口径角锥棱镜是迫切需要的测量工具。然而，制作大口径实心角锥要受到光学材料均匀性和加工成本等的限制。由于空心角锥降低了对材料均匀性的要求，并且可在反射镜的内表面镀有用于反射光线的高反射膜，可以制作更大口径，因此，空心角锥的加工研制成为一种新的发展方向。

在先技术[1]美国PLX公司可生产口径为100mm的高精度空心角锥棱镜，它是由三片经过研磨和镀膜的镜片粘结而成。其每个两面角的直角精度达到0.5秒，采用环氧树脂胶水将镜片两两粘结，其粘结工艺直接决定了两面角的精度。由于此方法需要加工三片高精度两面角平面反射镜，而且采用粘结剂固定，因此，此方法在小口径条件下可获得高的反射角精度，但在制作更大口径情况下，其两面角的加工精度和粘结的机械强度会大大降低，并且加工难度也会大幅增加，因而不适用于制作大口径空心角锥棱镜。

在先技术[2]目前，美国NASA戈达德飞行中心公开了利用碱性催化粘结技术制造空心角锥反射镜的粘结方法(preston and Merkowitz,2013)。该方法是将三片经过研磨的反射镜片紧密地贴在一个高精度实体角锥反射镜模具上，固定好后再将粘结溶液利用毛细作用渗入粘结缝隙，使反射镜片相互粘结形成空心角锥反射镜。该方法首先需要提供一块高精度实体角锥棱镜，同样对每块反射镜片的加工精度提出了很高的要求，特别是在加工大口径角锥反射镜时，采用粘结方法对角锥的机械强度也会有很大程度的影响。

在先技术[3](参见刘祺，何芸，段会宗等，一种空心角锥反射镜及其制备方法，专利号CN105929472A)描述了一种将三片经过研磨和镀膜的反射镜片紧贴在一个高精度实体角锥反射模具上，并通过分别在相邻两反射镜的连接边上设置多个辅助镜片，将三片反射镜连接并固定，从而形成空心角锥。此方法虽然可以获得高的反射角精度和机械强度，但同样需要提供一块高精度实体角锥棱镜，而且在制作大口径时，空心角锥的精度和机械强度随着口径的增加同样会有所降低，因而此方法不适用于制备大口径空心角锥反射镜。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术的不足，提供一种大口径连续可调空心角锥反射镜装置和调整方法，该装置易于制作加工，可连续改变空心角锥反射镜的光学口径，从而满足对不同口径光学元器件或光学设备的测量需求。

本发明的技术解决方案如下：

一种大口径连续可调空心角锥反射镜装置，其特点在于，该装置包括空心角锥反射镜及其调整装置，所述的空心角锥反射镜是由一块平面反射镜和一块直角反射镜组成，所述的调整装置包括用于调整平面反射镜的角度调节装置，用于固定平面反射镜的固定装置和直角反射镜的固定装置，以及用来移动所述的平面反射镜或是直角反射镜的移动装置，所述的平面反射镜通过平面反射镜角度调节装置和固定装置置于所述的移动装置的一端，所述的直角反射镜是由两块平面反射镜胶合而成，通过直角反射镜的固定装置置于所述的移动装置的另一端。

所述的直角反射镜所采用的胶合剂可选用碱性溶液、环氧树脂和丙烯酸酯中的一种或多种。

所述的平面反射镜和直角反射镜的内表面镀有反射膜。

所述的平面反射镜角度调节装置为两维角度调整架或是具有角度调节的调整装置。

所述的固定平面反射镜和直角反射镜的固定装置可以为镜筒或是固定座。

所述的移动装置为长镜筒或是长导轨。

上述大口径连续可调空心角锥反射镜装置的调整方法，其特点在于包括下列调整步骤：

①将所述的平面反射镜固定在角度调节装置上，再将该角度调节装置安装在所述的平面反射镜的固定装置上，最后再将其安装在所述的移动装置的一端；

②将所述的直角反射镜固定在所述的直角反射镜的固定座上，再将其安装在所述的移动装置的另一端；

③利用自准直平行光管、自准直角度测量仪和标准角锥棱镜等测量仪器对平面反射镜和直角反射镜进行调整，使所述的平面反射镜与直角反射镜的两个平面反射镜面互相垂直，使所述的平面反射镜的入射光斑的中心与所述的直角反射镜出射光斑的中心共光轴，从而形成空间分离的空心角锥棱镜；

④将所述的直角反射镜在所述的移动装置上一端固定，沿光轴方向前后调整所述的平面反射镜，或是将平面反射镜在所述的移动装置的另一端固定，沿光轴方向前后调整所述的直角反射镜，以改变空心角锥的测量口径。

与在先技术相比，本发明的技术效果如下：

1、此方法结构简单，易于制作加工大口径空心角锥棱镜。

2、本发明无需提供高精度实体角锥或是加工具有高精度两面角的平面反射镜，从而大大降低了加工难度，有效提高了加工精度。

3、本发明可连续改变空心角锥的光学口径，满足大口径光学元器件的测量需求。

附图说明

图1为本发明大口径连续可调空心角锥反射镜装置的正视图

图2为本发明大口径连续可调空心角锥反射镜装置的俯视图

图3所述直角反射镜胶合结构示意图

图4为本发明大口径连续可调空心角锥反射镜装置实施例的结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

在本实施例中，大口径连续可调空心角锥调整装置的结构原理采用固定平面反射镜，移动直角反射镜的方法来实现连续改变空心角锥的光学口径。

首先参阅图1，图1为本发明大口径连续可调空心角锥反射镜装置的正视图。所述的平面反射镜1和所述的直角反射镜2组合形成分离式空心角锥棱镜。所述的平面反射镜1的反射面为A。由图3所示，所述的直角反射镜2由两块平面反射镜21和22组成，所述的两块平面反射镜21和22的反射面分别为B，C。所述的两块平面反射镜21和22胶合后，E为所述的直角反射镜2的一条内反射棱。所述的直角反射镜2的两反射面B，C之间的角度精度在3＂以内。所述的平面反射镜1和所述的直角反射镜2的反射面A，B，C上均镀有反射膜。

由图1可知，一束入射光线入射在所述的平面反射镜1的入射面A上，经所述的平面反射镜1反射后，反射光线经由所述的直角反射镜2的两反射面B，C反射后出射。由图1可知，在本实施例中，入射光线的光斑中心D和出射光线的光斑中心G在同一水平面内，即从所述的平面反射镜1出射的反射光线入射到所述的直角反射镜2的两反射面B，C上时，入射光线的中心线与所述的直角反射镜2的棱E重合，也就是入射光束的一半入射到所述的直角反射镜2的反射面B上，另一半入射到所述的直角反射镜2的反射面C上，否则，入射光束的光斑中心D和出射光束的光斑中心G不在同一水平面内，而会发生偏离。

图4为本发明大口径连续可调空心角锥反射镜装置实施例的结构图，由图4可见，所述的平面反射镜1安装在两维角度调整架3内，再将两维角度调整架3固定在小镜筒4内。所述的直角反射镜2先安装在大镜筒7内，再用尼龙隔圈8和压圈9固定。小镜筒4固定在长镜筒5的左端，大镜筒7安装在长镜筒5的右端，并可沿光轴方向在长镜筒5内滑动。长镜筒5用支撑座6支撑固定。

本发明大口径连续可调空心角锥反射镜调整装置的调整方法如下：

①将安装有所述的平面反射镜1的小镜筒3安装在长镜筒5的一端，并用顶丝固定；

②将安装有所述的直角反射镜2的大镜筒7安装在长镜筒5的另一端，并用顶丝固定；

③调节两维角度调整架3上的调节旋钮，同时以光轴为旋转中心微量转动大镜筒7，最终使平面反射镜1的反射面A与直角反射镜2的两反射面B、C在空间上组合形成空心角锥的三个内反射面，调节完成后用顶丝固定大镜筒7，用两维角度调整架3上的锁紧装置固定调节旋钮；

④需要调节空心角锥的测量口径时，先松开用于固定大镜筒7的顶丝，再沿光轴方向在长镜筒5内前后移动大镜筒7，移动到合适的位置后，再用顶丝将大镜筒7固定。由于在移动过程中，大镜筒7和长镜筒5的间隙误差会对空心角锥的角度精度带来影响，为了减小系统误差和提高空心角锥的测量精度，可适当调节两维角度调整架3上的调节旋钮，调整完成后，再将其锁紧固定。

图4是本发明最佳实施例的结构图，其具体结构和参数叙述如下：

平面反射镜1的外形尺寸为50mm×60mm×8mm，反射面的面型精度为λ/10(633nm)。直角反射镜2为胶合件，采用环氧树脂进行胶合，两反射面的面型精度为λ/10(633nm)，两反射面之间的角度精度为90°±2.5＂以内，用自准直平行光管检测。为了便于安装固定，将直角反射镜2的外形轮廓加工为直径为100mm，长度为110mm的圆柱形，平面反射镜1和直角反射镜2的材料均为K9，三个反射面上均镀有高反射膜。两维角度调整架3选用上海联谊光纤激光器械有限公司型号为MFA-5060带锁紧装置的方形镜片架。小镜筒3、大镜筒7和支撑座6的材料均选用牌号为LY12的硬铝。长镜筒5采用45号钢，总长度640mm，内径Φ106mm，外径Φ113mm。本装置的最小测量口径为80mm，最大测量口径为500mm。

实验表明，本发明技术效果如下：

1、本发明易于制作加工大口径空心角锥棱镜。

2、本发明无需提供高精度实体角锥或是加工具有高精度两面角的平面反射镜，从而大大降低了加工难度，有效提高了加工精度。

3、本发明可连续改变空心角锥的光学口径，满足大口径光学元器件的测量需求。

Claims (7)

1.一种大口径连续可调空心角锥反射镜装置，其特征在于，该装置包括空心角锥反射镜及其调整装置，所述的空心角锥反射镜是由一块平面反射镜和一块直角反射镜组成，所述的调整装置包括用于调整平面反射镜的角度调节装置，用于固定平面反射镜的固定装置和用于固定直角反射镜的固定装置，以及用来移动所述的平面反射镜或直角反射镜的移动装置，所述的平面反射镜通过平面反射镜角度调节装置和固定装置置于所述的移动装置的一端，所述的直角反射镜是由两块平面反射镜胶合而成，通过直角反射镜的固定装置置于所述的移动装置的另一端，一束入射光线入射在所述的平面反射镜的入射面上，经所述的平面反射镜反射后，反射光线经由所述的直角反射镜的两反射面反射后出射，所述入射光线的光斑中心和所述出射光线的光斑中心在同一水平面内。

2.根据权利要求1所述的大口径连续可调空心角锥反射镜装置，其特征在于，所述的直角反射镜所采用的胶合剂可选用碱性溶液、环氧树脂和丙烯酸酯中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的大口径连续可调空心角锥反射镜装置，其特征在于，所述平面反射镜和直角反射镜的内表面镀有反射膜。

4.根据权利要求1所述的大口径连续可调空心角锥反射镜装置，其特征在于，所述的平面反射镜角度调节装置为两维角度调整架。

5.根据权利要求1所述的大口径连续可调空心角锥反射镜装置，其特征在于，所述的固定平面反射镜和直角反射镜的固定装置为镜筒。

6.根据权利要求1所述的大口径连续可调空心角锥反射镜装置，其特征在于，所述的移动装置为长镜筒。

7.权利要求1所述的大口径连续可调空心角锥反射镜装置的调整方法，其特征在于包括下列调整步骤：

①将所述的平面反射镜固定在角度调节装置上，再将该角度调节装置安装在所述的平面反射镜的固定装置上，最后再将其安装在所述的移动装置的一端；

②将所述的直角反射镜固定在所述的直角反射镜的固定座上，再将其安装在所述的移动装置的另一端；

③利用自准直平行光管、自准直角度测量仪和标准角锥棱镜对平面反射镜和直角反射镜进行调整，使所述的平面反射镜与直角反射镜的两个平面反射镜面互相垂直，使所述的平面反射镜的入射光斑的中心与所述的直角反射镜出射光斑的中心共光轴，从而形成空间分离的空心角锥棱镜；

④将所述的直角反射镜在所述的移动装置上一端固定，沿光轴方向前后调整所述的平面反射镜，或是将平面反射镜在所述的移动装置的另一端固定，沿光轴方向前后调整所述的直角反射镜，以改变空心角锥的测量口径。