CN112596259B - 一种高精度离轴非球面反射镜光轴引出方法和系统 - Google Patents

一种高精度离轴非球面反射镜光轴引出方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度离轴非球面反射镜光轴引出方法和系统，该方法包括：搭建得到光学系统；将光学干涉仪切换为平面波出射模式，得到平行光束；通过标准平面反射镜，将光学干涉仪出射的平行光束引到标准平面反射镜朝向光学干涉仪的反射面，记为A面；通过第一经纬仪和第二经纬仪分别引出被测离轴非球面反射镜的光轴及其他可直接测试方向的基准面法线，再通过互瞄，建立被测离轴非球面反射镜的光轴与其他可直接测试方向的基准面法线之间的角度关系；根据建立的角度关系，将被测离轴非球面反射镜光轴引出至其他可直接测试方向的基准面法线，实现光轴引出。本发明解决了现有技术存在的引出精度不高或适用范围窄等问题。

Description

一种高精度离轴非球面反射镜光轴引出方法和系统
技术领域
本发明属于光学遥感技术领域，尤其涉及一种高精度离轴非球面反射镜光轴引出方法和系统。
背景技术
针对离轴非球面反射镜光轴引出问题，目前通常采用的方案是：(1)通过三坐标测量镜面各点的空间坐标，通过曲面拟合得出光轴方向，确定光轴与基准面的关系，完成光轴引出。(2)采用中心偏测量仪加位移传感器的方式，将被测镜放在中心偏测量仪转台上，位移传感器架设到被测镜边缘，用于测量镜面边缘不同环带上的位移量，转动转台并调整被测镜使得镜面不同环带上的位移测量值变化量均在允许的公差范围内，此时中心偏测量仪转台的回转轴方向就是被测镜的光轴方向。(3)运用无像差点检测方法，根据二次非球面的光学性质，利用每种二次非球面反射镜一对共轭的无像差点特性，加入标准辅助球面镜，对二次非球面镜面形进行检侧，并利用辅助工装找到这一对共轭的无像差点，它们的连线即为光轴。
上述方案(1)主要存在的问题在于：三坐标测量机测试范围有限且测量误差随被测镜尺寸增大而增大，同时对离轴非球面的拟合计算也会带来较大的角度误差，光轴引出精度有限。
上述方案(2)主要存在的问题在于：要求被测非球面镜是轴对称形状即圆形，对于非轴对称形状即矩形、椭圆形等不适用，且其引出精度受限于转台转轴回转精度，光轴引出精度有限。
上述方案(3)主要存在的问题在于：只适用于二次非球面反射镜，无法实现高次非球面反射镜的光轴引出。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种高精度离轴非球面反射镜光轴引出方法和系统，旨在解决现有技术存在的引出精度不高或适用范围窄等问题。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种高精度离轴非球面反射镜光轴引出方法，包括：
使用光学干涉仪、补偿器和被测离轴非球面反射镜，搭建得到光学系统；
将光学干涉仪切换为平面波出射模式，得到平行光束，此时平行光束即为被测离轴非球面反射镜的光轴方向；
通过标准平面反射镜，将光学干涉仪出射的平行光束引到标准平面反射镜朝向光学干涉仪的反射面，记为A面；
通过第一经纬仪和第二经纬仪互瞄，建立被测离轴非球面反射镜的光轴与其他可直接测试方向的基准面法线之间的角度关系；
根据建立的角度关系，将被测离轴非球面反射镜光轴引出至其他可直接测试方向的基准面法线，实现光轴引出。
在上述高精度离轴非球面反射镜光轴引出方法中，使用光学干涉仪、补偿器和被测离轴非球面反射镜，搭建得到光学系统，包括：
将光学干涉仪设置在补偿器的一侧，将被测离轴非球面反射镜设置在补偿器的另一侧；
对光学干涉仪、补偿器和被测离轴非球面反射镜进行调整，使光学干涉仪的光轴和补偿器的光轴与被测离轴非球面反射镜的光轴重合，完成光学系统的搭建。
在上述高精度离轴非球面反射镜光轴引出方法中，对光学干涉仪、补偿器和被测离轴非球面反射镜进行调整，使光学干涉仪的光轴和补偿器的光轴与被测离轴非球面反射镜的光轴重合，包括：
调整补偿器的左右偏摆、上下俯仰角度和空间位置，使光学干涉仪的光轴与补偿器的光轴重合；
调整被测离轴非球面反射镜的左右偏摆、上下俯仰角度和空间位置，使光学干涉仪的光轴和补偿器的光轴与被测离轴非球面反射镜的光轴重合。
在上述高精度离轴非球面反射镜光轴引出方法中，当满足如下条件时，确定光学干涉仪的光轴和补偿器的光轴与被测离轴非球面反射镜的光轴重合：
补偿器中各透镜表面反射回到光学干涉仪的球心像重合；
光学干涉仪出射的球面波经过补偿器后，由被测离轴非球面反射镜反射回光学干涉仪，形成干涉条纹，且干涉条纹的波前像差最小。
在上述高精度离轴非球面反射镜光轴引出方法中，由被测离轴非球面反射镜反射回光学干涉仪所形成的干涉条纹满足：
干涉条纹的波前Seidel系数的彗差系数值小于设定的彗差系数power项阈值；
干涉条纹的波前Seidel系数的球差系数值小于设定的球差系数阈值。
在上述高精度离轴非球面反射镜光轴引出方法中，设定的彗差系数power项阈值为0.03λ，设定的球差系数阈值为0.01λ；其中，λ表示光学干涉仪的波长。
在上述高精度离轴非球面反射镜光轴引出方法中，通过标准平面反射镜，将光学干涉仪出射的平行光束引到标准平面反射镜朝向光学干涉仪的反射面，记为A面，包括：
将标准平面反射镜放置于光学干涉仪与被测离轴非球面反射镜之间；
将标准平面反射镜朝向光学干涉仪的反射面记为A面；
调整标准平面反射镜的位置，使光学干涉仪出射的平行光束经标准平面反射镜的A面反射后原路返回。
在上述高精度离轴非球面反射镜光轴引出方法中，通过第一经纬仪和第二经纬仪互瞄，建立被测离轴非球面反射镜的光轴与其他可直接测试方向的基准面法线之间的角度关系，包括：
使用第一经纬仪瞄标准平面反射镜的A面的法线，并记录经纬仪此时的读数，得到被测离轴非球面反射镜的光轴方向的水平角度和俯仰角度；
使用第二经纬仪，测量得到被测离轴非球面反射镜其他可直接测试方向的基准面法线方向的水平角度和俯仰角度；
根据第一经纬仪测量得到的被测离轴非球面反射镜的光轴方向的水平角度和俯仰角度，以及通过第二经纬仪测量得到的被测离轴非球面反射镜其他可直接测试方向的基准面法线方向的水平角度和俯仰角度，建立被测离轴非球面反射镜的光轴与其他可直接测试方向的基准面法线之间的角度关系。
在上述高精度离轴非球面反射镜光轴引出方法中，还包括：建立三维正交坐标系O-XYZ；其中，原点O位于光学干涉仪出射球面波的焦点处，X轴正方向指向焦点处的上方，Z轴正方向指向被测离轴非球面反射镜，Y轴满足右手定则。
相应的，本发明还公开了一种高精度离轴非球面反射镜光轴引出系统，包括：光学干涉仪、补偿器、被测离轴非球面反射镜、标准平面反射镜、第一经纬仪和第二经纬仪；
光学干涉仪和被测离轴非球面反射镜分别位于补偿器两侧；其中，光学干涉仪的光轴和补偿器的光轴与被测离轴非球面反射镜的光轴重合；
测试时，光学干涉仪切换为平面波出射模式，输出平行光束；标准平面反射镜替换补偿器，位于光学干涉仪和被测离轴非球面反射镜之间；第一经纬仪设置在光学干涉仪和标准平面反射镜之间，用于瞄标准平面反射镜的A面法线，测量得到被测离轴非球面反射镜光轴方向的水平角度和俯仰角度；第二经纬仪设置在被测离轴非球面反射镜的一侧，用于测量得到被测离轴非球面反射镜其他可直接测试方向的基准面法线方向的水平角度和俯仰角度。
本发明具有以下优点：
(1)本发明所述的方案直接运用离轴非球面反射镜面形测试光路，借助辅助平面镜工装将被测离轴非球面反射镜的光轴引出，适用于各类不同外形的二次或高次非球面反射镜，简单易行，精度高，为镜头装调中各离轴非球面反射镜的高精度定位安装提供了参考依据，为镜头高质量装调奠定了基础。
(2)本发明所述的方案通用性强的、适用于各类离轴非球面反射镜光轴引出，引出精度可到10秒级的精度。
(3)本发明所述的方案借助简易辅助工装在离轴非球面反射镜面形测试光路中实现光轴的引出，无需另外搭建光轴引出测试系统，有效节约了人力、物力成本及装调测试时间。
附图说明
图1是本发明实施例中一种面形测试光路示意图；
图2是本发明实施例中一种光轴实体化标出示意图；
图3是本发明实施例中一种标准平面反射镜法线替代光轴方向示意图；
图4是本发明实施例中一种标准平面反射镜法线方向瞄出示意图；
图5是本发明实施例中一种其它可直接测量基准面法线方向瞄出示意图；
图6是本发明实施例中一种被测镜光轴与其它基准面法线建立角度关系示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。
如图1所示，本发明借助被测离轴非球面反射镜3基于零位补偿干涉测量的面形测试光路，运用实验室通用的仪器设备及简易工装实现对其光轴的引出。主要使用到的硬件设备有：用光学干涉仪1、补偿器2、被测离轴非球面反射镜3、标准平面反射镜4、第一经纬仪5和第二经纬仪6。
在本实施例中，该高精度离轴非球面反射镜光轴引出方法，包括：
步骤101，使用光学干涉仪1、补偿器2和被测离轴非球面反射镜3，搭建得到光学系统。
在本实施例中，光学干涉仪1、补偿器2和被测离轴非球面反射镜3按面形测试光路设计的位置调整到位：将光学干涉仪1设置在补偿器2的一侧，将被测离轴非球面反射镜3设置在补偿器2的另一侧；对光学干涉仪1、补偿器2和被测离轴非球面反射镜3进行调整，使光学干涉仪1的光轴和补偿器2的光轴与被测离轴非球面反射镜3的光轴重合，完成光学系统的搭建。
优选的，可以通过如下方式对光学干涉仪1、补偿器2和被测离轴非球面反射镜3进行调整，使光学干涉仪1的光轴和补偿器2的光轴与被测离轴非球面反射镜3的光轴重合：固定光学干涉仪1的位置，分别调整补偿器2的左右偏摆、上下俯仰角度和空间位置，以及调整被测离轴非球面反射镜3的左右偏摆、上下俯仰角度和空间位置，得到面形测试的干涉条纹，干涉条纹疏且直2～3根条纹。
优选的，当光学干涉仪1的光轴和补偿器2的光轴与被测离轴非球面反射镜3的光轴重合时，满足如下特性：补偿器2中各透镜表面反射回到光学干涉仪1的球心像重合。光学干涉仪1出射的球面波经过补偿器2后，由被测离轴非球面反射镜3反射回光学干涉仪1，形成干涉条纹，且干涉条纹的波前像差最小。干涉条纹的波前Seidel系数的彗差系数值小于设定的彗差系数power项阈值，干涉条纹的波前Seidel系数的球差系数值小于设定的球差系数阈值；其中，设定的彗差系数power项阈值可以为0.03λ，设定的球差系数阈值可以为0.01λ，λ表示光学干涉仪1的波长。
步骤102，将光学干涉仪1切换为平面波出射模式，得到平行光束。
在本实施例中，此时平行光束即为被测离轴非球面反射镜3的光轴方向。也即，此时，被测离轴非球面反射镜3光轴引出的问题就转化为如何引出代表光轴的平行光束的问题。实验室中常用的标定方向的测角设备是经纬仪，经纬仪一般是用于标定某个平面的法线方向的，本实施例中运用标准平面反射镜4，将光学干涉仪1出射的平行光束引至其反射面的法线上，再利用经纬仪实现方向标定。具体实现如下述步骤103～105的描述。
步骤103，通过标准平面反射镜4，将光学干涉仪1出射的平行光束引到标准平面反射镜4朝向光学干涉仪1的反射面，记为A面。
在本实施例中，将标准平面反射镜4放置于光学干涉仪1与被测离轴非球面反射镜3之间；将标准平面反射镜4朝向光学干涉仪1的反射面记为A面；调整标准平面反射镜4的位置，使光学干涉仪1出射的平行光束经标准平面反射镜4的A面反射后原路返回，此时标准平面反射镜4A面的法线即为光学干涉仪1出射平行光束的方向，如图3所示。
步骤104，通过第一经纬仪5和第二经纬仪6互瞄，建立被测离轴非球面反射镜3的光轴与其他可直接测试方向的基准面法线之间的角度关系。
在本实施例中，如图4所示，使用第一经纬仪5瞄标准平面反射镜4的A面的法线，并记录经纬仪5此时的读数，即可得到被测离轴非球面反射镜3的光轴方向的水平角度和俯仰角度。如图5所示，再使用第二经纬仪6，测量得到被测离轴非球面反射镜3其他可直接测试方向的基准面(如被测镜背面或镜框连接基准面等)法线方向的水平角度和俯仰角度。最后，根据第一经纬仪5测量得到的被测离轴非球面反射镜3的光轴方向的水平角度和俯仰角度，以及通过第二经纬仪6测量得到的被测离轴非球面反射镜3其他可直接测试方向的基准面法线方向的水平角度和俯仰角度，建立被测离轴非球面反射镜3的光轴与其他可直接测试方向的基准面法线之间的角度关系。
步骤105，根据建立的角度关系，将被测离轴非球面反射镜3光轴引出至其他可直接测试方向的基准面法线，实现光轴引出。
在本实施例中，如图6，根据建立的角度关系可以确定被测离轴非球面反射镜3的光轴与其它基准的转换关系，即将被测离轴非球面反射镜3的光轴引至其它可直接测量的基准面法线，完成光轴引出。
在本发明实施例中，还可以建立一三维正交坐标系O-XYZ。其中，原点O位于光学干涉仪1出射球面波的焦点处，X轴正方向指向焦点处的上方，Z轴正方向指向被测离轴非球面反射镜3，Y轴满足右手定则。
在上述实施例的基础上，本发明还公开了一种高精度离轴非球面反射镜光轴引出系统，包括：光学干涉仪1、补偿器2、被测离轴非球面反射镜3、标准平面反射镜4、第一经纬仪5和第二经纬仪6。其中，光学干涉仪1和被测离轴非球面反射镜3分别位于补偿器2两侧；其中，光学干涉仪1的光轴和补偿器2的光轴与被测离轴非球面反射镜3的光轴重合；测试时，光学干涉仪1切换为平面波出射模式，输出平行光束；标准平面反射镜4替换补偿器2，位于光学干涉仪1和被测离轴非球面反射镜3之间；第一经纬仪5设置在光学干涉仪1和标准平面反射镜4之间，用于瞄标准平面反射镜4的A面法线，测量得到被测离轴非球面反射镜3光轴方向的水平角度和俯仰角度；第二经纬仪6设置在被测离轴非球面反射镜3的一侧，用于测量得到被测离轴非球面反射镜3其他可直接测试方向的基准面法线方向的水平角度和俯仰角度。进而可以根据第一经纬仪5和第二经纬仪6的测量结果，确定被测离轴非球面反射镜3的光轴与其它基准的转换关系，实现光轴的引出。
对于系统实施例而言，由于其与方法实施例相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例部分的说明即可。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种高精度离轴非球面反射镜光轴引出方法，其特征在于，包括：
使用光学干涉仪(1)、补偿器(2)和被测离轴非球面反射镜(3)，搭建得到光学系统；包括：将光学干涉仪(1)设置在补偿器(2)的一侧，将被测离轴非球面反射镜(3)设置在补偿器(2)的另一侧；对光学干涉仪(1)、补偿器(2)和被测离轴非球面反射镜(3)进行调整，使光学干涉仪(1)的光轴和补偿器(2)的光轴与被测离轴非球面反射镜(3)的光轴重合；
将光学干涉仪(1)切换为平面波出射模式，得到平行光束，此时平行光束即为被测离轴非球面反射镜(3)的光轴方向；
通过标准平面反射镜(4)，将光学干涉仪(1)出射的平行光束引到标准平面反射镜(4)朝向光学干涉仪(1)的反射面，记为A面；包括：将标准平面反射镜(4)放置于光学干涉仪(1)与被测离轴非球面反射镜(3)之间；将标准平面反射镜(4)朝向光学干涉仪(1)的反射面记为A面；调整标准平面反射镜(4)的位置，使光学干涉仪(1)出射的平行光束经标准平面反射镜(4)的A面反射后原路返回；
通过第一经纬仪(5)和第二经纬仪(6)互瞄，建立被测离轴非球面反射镜(3)的光轴与其他可直接测试方向的基准面法线之间的角度关系；包括：使用第一经纬仪(5)瞄标准平面反射镜(4)的A面的法线，并记录第一经纬仪(5)此时的读数，得到被测离轴非球面反射镜(3)的光轴方向的水平角度和俯仰角度；使用第二经纬仪(6)，测量得到被测离轴非球面反射镜(3)其他可直接测试方向的基准面法线方向的水平角度和俯仰角度；根据第一经纬仪(5)测量得到的被测离轴非球面反射镜(3)的光轴方向的水平角度和俯仰角度，以及通过第二经纬仪(6)测量得到的被测离轴非球面反射镜(3)其他可直接测试方向的基准面法线方向的水平角度和俯仰角度，建立被测离轴非球面反射镜(3)的光轴与其他可直接测试方向的基准面法线之间的角度关系；
根据建立的角度关系，将被测离轴非球面反射镜(3)光轴引出至其他可直接测试方向的基准面法线，实现光轴引出。
2.根据权利要求1所述的高精度离轴非球面反射镜光轴引出方法，其特征在于，对光学干涉仪(1)、补偿器(2)和被测离轴非球面反射镜(3)进行调整，使光学干涉仪(1)的光轴和补偿器(2)的光轴与被测离轴非球面反射镜(3)的光轴重合，包括：
调整补偿器(2)的左右偏摆、上下俯仰角度和空间位置，使光学干涉仪(1)的光轴与补偿器(2)的光轴重合；
调整被测离轴非球面反射镜(3)的左右偏摆、上下俯仰角度和空间位置，使光学干涉仪(1)的光轴和补偿器(2)的光轴与被测离轴非球面反射镜(3)的光轴重合。
3.根据权利要求1或2所述的高精度离轴非球面反射镜光轴引出方法，其特征在于，当满足如下条件时，确定光学干涉仪(1)的光轴和补偿器(2)的光轴与被测离轴非球面反射镜(3)的光轴重合：
补偿器(2)中各透镜表面反射回到光学干涉仪(1)的球心像重合；
光学干涉仪(1)出射的球面波经过补偿器(2)后，由被测离轴非球面反射镜(3)反射回光学干涉仪(1)，形成干涉条纹，且干涉条纹的波前像差最小。
4.根据权利要求3所述的高精度离轴非球面反射镜光轴引出方法，其特征在于，由被测离轴非球面反射镜(3)反射回光学干涉仪(1)所形成的干涉条纹满足：
干涉条纹的波前Seidel系数的彗差系数值小于设定的彗差系数power项阈值；
干涉条纹的波前Seidel系数的球差系数值小于设定的球差系数阈值。
5.根据权利要求4所述的高精度离轴非球面反射镜光轴引出方法，其特征在于，设定的彗差系数power项阈值为0.03λ，设定的球差系数阈值为0.01λ；其中，λ表示光学干涉仪(1)的波长。
6.根据权利要求1所述的高精度离轴非球面反射镜光轴引出方法，其特征在于，还包括：建立三维正交坐标系O-XYZ；其中，原点O位于光学干涉仪(1) 出射球面波的焦点处，X轴正方向指向焦点处的上方，Z轴正方向指向被测离轴非球面反射镜(3)，Y轴满足右手定则。
7.一种高精度离轴非球面反射镜光轴引出系统，其特征在于，包括：光学干涉仪(1)、补偿器(2)、被测离轴非球面反射镜(3)、标准平面反射镜(4)、第一经纬仪(5)和第二经纬仪(6)；
光学干涉仪(1)和被测离轴非球面反射镜(3)分别位于补偿器(2)两侧；其中，光学干涉仪(1)的光轴和补偿器(2)的光轴与被测离轴非球面反射镜(3)的光轴重合；
测试时，光学干涉仪(1)切换为平面波出射模式，输出平行光束；标准平面反射镜(4)替换补偿器(2)，位于光学干涉仪(1)和被测离轴非球面反射镜(3)之间；第一经纬仪(5)设置在光学干涉仪(1)和标准平面反射镜(4)之间，用于瞄标准平面反射镜(4)的A面法线，测量得到被测离轴非球面反射镜(3)光轴方向的水平角度和俯仰角度；第二经纬仪(6)设置在被测离轴非球面反射镜(3)的一侧，用于测量得到被测离轴非球面反射镜(3)其他可直接测试方向的基准面法线方向的水平角度和俯仰角度。
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