CN115236868A - 一种高分辨光轴调整装置及高分辨光轴调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种高分辨光轴调整装置及高分辨光轴调整方法，装置包括两组双五角棱镜组件和三个反射镜，两个双五角棱镜组件分别置于XY平面和YZ平面，两组双五角棱镜组件都有各自的A五角棱镜、B五角棱镜和旋转机构，A五角棱镜和B五角棱镜通过旋转机构相对转动，三个反射镜分别将两组双五角棱镜组件中A五角棱镜与B五角棱镜之间的光和两组双五角棱镜组件之间的光进行反射，分别旋转双五角棱镜的旋转机构，进而改变两组双五角棱镜的角度，实现出射光轴角度高分辨率、高精度二维调整，同时该结构的位置精度对光路方向影响较小，降低了旋转机构精度要求。

Description

一种高分辨光轴调整装置及高分辨光轴调整方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种高分辨率光轴调整装置及高分辨光轴调整方法。

背景技术

在空间光学系统中很多时候需要对光轴角度进行动态调整，实现光轴实时指向或对准。传统方法是采用可动二维反射镜，利用反射镜的二维转动调整光轴方向。也可以采用双光楔结构通过光楔配合旋转对光轴角度进行二维旋转。由于以上方法光轴偏转精度与光学元件转动角度相关，转动机构的精度误差对光轴调整误差影响较大，因此系统光轴调整精度受限或者对转动机构要求较高，系统不易实现高分辨率、高精度光轴调整。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的光学系统光轴调整精度受限、对转动机构要求较高，系统不易实现高分辨率、高精度光轴调整的缺陷，从而提供一种高分辨光轴调整装置及高分辨光轴调整方法。

一种高分辨光轴调整装置，包括：第一双五角棱镜组件、第二双五角棱镜组件和反射镜；

所述第一双五角棱镜组件置于XY平面，所述第二双五角棱镜组件置于YZ平面；

所述第一双五角棱镜组件包括第一A五角棱镜、第一B五角棱镜和第一旋转机构，所述第一A五角棱镜通过所述第一旋转机构与第一B五角棱镜连接;

所述第二双五角棱镜组件包括第二B五角棱镜、第二A五角棱镜和第二旋转机构,所述第二B五角棱镜通过所述第二旋转机构与第二A五角棱镜连接;

所述反射镜包括第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜，所述第一反射镜将第一A五角棱镜出射的光入射到第一B五角棱镜内，所述第二反射镜将第一B五角棱镜出射的光入射到第二A五角棱镜内，所述第三反射镜将第二A五角棱镜出射的光入射到第二B五角棱镜内。

所述第一双五角棱镜组件和第二双五角棱镜组件正交设置，第一双五角棱镜组件和第二双五角棱镜组件的主截面呈90°布设。

所述第一双五角棱镜组件中的第一A五角棱镜和第一B五角棱镜在同一平面内呈180°布设，且二者主截面在同一平面上；所述第二双五角棱镜组件中的第二B五角棱镜和第二A五角棱镜在同一平面内呈180°布设，且二者主截面在同一平面上。

所述第一反射镜固定安装在第一A五角棱镜和第一B五角棱镜的一侧，第一反射镜与第一A五角棱镜的侧面和第一B五角棱镜的侧面都呈45°角度布设，且第一反射镜垂直安装在XY平面。

所述第二反射镜设置在所述第一双五角棱镜组件和第二双五角棱镜组件正交放置的底部，第二反射镜与第一双五角棱镜组件中的第一B五角棱镜和第二双五角棱镜组件中的第二A五角棱镜都呈45°角度布设，且第二反射镜垂直安装在YZ平面。

所述第三反射镜固定安装在第二B五角棱镜和第二A五角棱镜一侧，第三反射镜与第二B五角棱镜的侧面和第二A五角棱镜的侧面都呈45°角度布设，且第三反射镜垂直安装在YZ平面。

进一步，所述第一旋转机构和第二旋转机构都包括旋转主轴和转动合页，所述转动合页连接在所述旋转主轴外径面，第一旋转机构中的转动合页的两侧分别与第一A五角棱镜和第一B五角棱镜固连，第二旋转机构中的转动合页的两侧分别与第二B五角棱镜和第二A五角棱镜固连。

进一步，所述第一双五角棱镜组件和第二双五角棱镜组件规格相同。

一种基于上述任一项所述高分辨光轴调整装置的高分辨光轴调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：入射光线射入第一双五角棱镜组件时，当第一双五角棱镜组件中的第一旋转机构和第二双五角棱镜组件中的第二旋转机构静止不动的状态下，入射光线经过第一双五角棱镜组件和第二双五角棱镜组件以及反射镜的共同作用下从第二双五角棱镜组件出射；

S2：保持S1中的所有组件状态不变的情况下，转动第一双五角棱镜组件的第一旋转机构，第一双五角棱镜组件在水平方向上绕Z轴旋转，此时出射光线在Z轴方向上偏转；

S3：保持S2中的所有组件状态不变的情况下，转动第二双五角棱镜组件的第二旋转机构，第二双五角棱镜组件在竖直方向上绕X轴旋转，此时出射光线在X轴方向上偏转；

S4：通过以上S1-S3中的步骤，可调整出射光线在XZ组成的平面上做二维角度调整。

本发明通过采用双五角棱镜与反射镜相结合的方式进行光轴角度调整，双五角棱镜同时旋转会在一个方向上改变出射光轴角度，在另一个方向上出射光轴角度变化很小，出射光轴角度变化与五角棱镜转动角度比较小；

本发明通过两组双五角棱镜结构正交配置，分别改变两组双五角棱镜的角度，实现出射光轴角度高分辨率、高精度二维调整，同时该结构的位置精度对光路方向影响较小，降低了旋转机构精度要求；

本发明采用空间光路，光路损耗较小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为高分辨率光轴调整装置的光路示意图；

图2为第一双五角棱镜组件截面示意图；

图3为光路变化路径图；

附图标记说明：

1-第一双五角棱镜组； 11-第一A五角棱镜；

12-第一B五角棱镜； 13-第一旋转机构；

2-第二双五角棱镜组； 21-第二A五角棱镜；

22-第二B五角棱镜； 23-第二旋转机构；

31-第一反射镜； 32-第二反射镜；

33-第三反射镜； 4-入射光线；

5-出射光线。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，本领域普通技术人员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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

请参阅图1和图2，一种高分辨光轴调整装置，包括：第一双五角棱镜组件1、第二双五角棱镜组件2和反射镜；

所述第一双五角棱镜组件1置于XY平面，所述第二双五角棱镜组件2置于YZ平面；

所述第一双五角棱镜组件1包括第一A五角棱镜11、第一B五角棱镜12和第一旋转机构13，所述第一A五角棱镜11通过所述第一旋转机构13与第一B五角棱镜12连接；

所述第二双五角棱镜组件2包括第二B五角棱镜22、第二A五角棱镜21和第二旋转机构23,所述第二B五角棱镜22通过所述第二旋转机构23与第二A五角棱镜21连接；

所述反射镜包括第一反射镜31、第二反射镜32和第三反射镜33，所述第一反射镜31将第一A五角棱镜11出射的光入射到第一B五角棱镜12内，所述第二反射镜32将第一B五角棱镜12出射的光入射到第二A五角棱镜21内，所述第三反射镜33将第二A五角棱镜21出射的光入射到第二B五角棱镜22内。

所述第一双五角棱镜组件1和第二双五角棱镜组件2正交设置，第一双五角棱镜组件1和第二双五角棱镜组件2的主截面呈90°布设。

所述第一双五角棱镜组件1中的第一A五角棱镜11和第一B五角棱镜12在同一平面内呈180°布设，且二者主截面在同一平面上；所述第二双五角棱镜组件2中的第二B五角棱镜22和第二A五角棱镜21在同一平面内呈180°布设，且二者主截面在同一平面上。

所述第一反射镜31固定安装在第一A五角棱镜11和第一B五角棱镜12的一侧，第一反射镜31与第一A五角棱镜11的侧面和第一B五角棱镜12的侧面都呈45°角度布设，且第一反射镜31垂直安装在XY平面。

所述第二反射镜32设置在所述第一双五角棱镜组件1和第二双五角棱镜组件2正交放置的底部，第二反射镜32与第一双五角棱镜组件1中的第一B五角棱镜12和第二双五角棱镜组件2中的第二A五角棱镜21都呈45°角度布设，且第二反射镜32垂直安装在YZ平面。

所述第三反射镜33固定安装在第二B五角棱镜22和第二A五角棱镜21一侧，第三反射镜33与第二B五角棱镜22的侧面和第二A五角棱镜21的侧面都呈45°角度布设，且第三反射镜33垂直安装在YZ平面。

所述第一旋转机构13和第二旋转机构23都包括旋转主轴和转动合页，所述转动合页连接在所述旋转主轴外径面，第一旋转机构13中的转动合页的两侧分别与第一A五角棱镜11和第一B五角棱镜12固连，第二旋转机构23中的转动合页的两侧分别与第二B五角棱镜22和第二A五角棱镜21固连。

所述第一双五角棱镜组件1和第二双五角棱镜组件2规格相同。

工作原理及布置方法：首先，将第一双五角棱镜组件1的放置平面定义为XY平面，而垂直于第一双五角棱镜组件1所在的XY平面的方向定义为Z轴，由此可得到XYZ空间系。

第一双五角棱镜组件1放置在XY平面上，而第二双五角棱镜组件2放置在YZ平面上，此时第一双五角棱镜组件1和第二双五角棱镜组件2正交设置，两者的主截面垂直呈90°。

在第一双五角棱镜组件1侧壁面设置有第一反射镜31，第一反射镜31固定安装在第一旋转机构13一侧，并且第一反射镜31相对于第一A五角棱镜11和第一B五角棱镜12形成45°角度布设，反射镜31垂直安装在XY平面上。

在第一双五角棱镜组件1和第二双五角棱镜组件2正交放置的底部设置有第二反射镜32，第二反射镜32与第一双五角棱镜组件1的第一B五角棱镜12和第二双五角棱镜组件2的第二A五角棱镜21都呈45°布设，第二反射镜32能够将第一双五角棱镜组件1的出射光线5垂直反射进第二双五角棱镜组件2，第二反射镜32垂直安装在YZ平面上。

在第二双五角棱镜组件2侧壁面设置有第三反射镜33，第三反射镜33固定安装在第二旋转机构23一侧，第三反射镜33相对第二B五角棱镜22和第二A五角棱镜21都呈45°角度布设，第三反射镜33垂直安装在YZ轴平面上。

按照以上布设方法，入射光从第一双五角棱镜组件1的第一A五角棱镜11侧壁面入射，经过第一双五角棱镜组件1的A五角棱镜11出射至第一反射镜31，第一反射镜31将入射光呈90°反射至第一双五角棱镜组件1的第一B五角棱镜12侧壁面，经过第一双五角棱镜组件1的第一B五角棱镜12出射，此时出射光沿着XY平面出射；

由第一双五角棱镜组件1出射的光经过第二反射镜32的反射，垂直地入射在第二双五角棱镜组件2的第二A五角棱镜21底部，此时出射光路沿YZ面入射至第二双五角棱镜组件2；

光路经过第二双五角棱镜组件2的第二A五角棱镜21出射至第三反射镜33，第三反射镜33将出射光呈90°反射至第二双五角棱镜组件2的第二B五角棱镜22侧壁,经过第二双五角棱镜组件2的第二B五角棱镜22沿着XY面出射；

以上为第一旋转机构13和第二旋转机构保持不变的情况下，光路经过第一双五角棱镜组件1和第二双五角棱镜组件2的路径状态。

结合双五角棱镜组件的特点，A五角棱镜和B五角棱镜同时旋转时，绕平行于主截面法线的旋转轴转动角度对出射方向没有影响，A五角棱镜和B五角棱镜同时绕异于平行于主截面法线的旋转轴转动时出射光线会在垂直于主截面方向上产生偏差，出射光线偏差值与A五角棱镜和B五角棱镜的旋转角度相关比值较小，其中经过论证分析表明A五角棱镜和B五角棱镜旋转5角分时，出射光线5角度变化最大值为3角秒，其变化比为100:1，具有较高的分辨率；

根据五角棱镜的性质，第一双五角棱镜组件1和第二双五角棱镜组件2中的第一旋转机构13和第二旋转机构23分别旋转时，出射光线5即可做二维角度变化，两个维度变化角度相对独立，分别受第一双五角棱镜组件1中的第一旋转机构13和第二双五角棱镜组件2中的第二旋转机构23角度控制，其角度变化与第一双五角棱镜组件1中的第一旋转机构13和第二双五角棱镜组件2单独的角度变化比一致；由于角度变化比较小，因此两个旋转机构的误差对出射光线角度影响较小。

本发明还包括一种基于上述任一项所述高分辨光轴调整装置的高分辨光轴调整方法，包括以下步骤：

S1：入射光线4射入第一双五角棱镜组件1时，当第一双五角棱镜组件1中的第一旋转机构13和第二双五角棱镜组件2中的第二旋转机构23静止不动的状态下，入射光线4经过第一双五角棱镜组件1和第二双五角棱镜组件2以及反射镜的共同作用下从第二双五角棱镜组件2出射；

S2：保持S1中的所有组件状态不变的情况下，转动第一双五角棱镜组件1的第一旋转机构13，第一双五角棱镜组件1在水平方向上绕Z轴旋转，此时出射光线5在Z轴方向上偏转；

S3：保持S2中的所有组件状态不变的情况下，转动第二双五角棱镜组件2的第二旋转机构23，第二双五角棱镜组件2在竖直方向上绕X轴旋转，此时出射光线5在X轴方向上偏转；

S4：通过以上S1-S3中的步骤，可调整出射光线5在XZ组成的平面上做二维角度调整。

入射光线4从第一双五角棱镜组件1的输入端入射，当第一双五角棱镜组件1的第一旋转机构13和第二双五角棱镜组件2的第二旋转机构23不动时，出射光线5从第二双五角棱镜组件2出射，此状态定义为状态1，整个过程两个旋转机构均保持不动；

在状态1的基础上，第一双五角棱镜组件1当中的第一旋转机构13旋动，绕Z轴旋转，出射光线5在Z轴方向上发生偏转，此状态定义为状态2，整个过程中第一双五角棱镜组件1的第一旋转机构13旋动，第二双五角棱镜组件2的第二旋转机构23不动；

在状态2的基础上，第二双五角棱镜组件2当中的第二旋转机构23旋动，绕X轴旋转，出射光线5在X轴方向上发生偏转，此状态定义为状态3，整个过程中第二双五角棱镜组件2的第二旋转机构23旋转，而第一双五角棱镜组件1的第一旋转机构13不动，光路变化如图3所示；

通过以上操作，出射光线5可以在XZ平面内做二维角度调整，角度分辨率大于100:1。

本发明通过采用双五角棱镜与反射镜相结合的方式进行光轴角度调整，双五角棱镜同时旋转会在一个方向上改变出射光轴角度，在另一个方向上出射光轴角度变化很小，出射光轴角度变化与五角棱镜转动角度比较小；本发明通过两组双五角棱镜结构正交配置，分别改变两组双五角棱镜的角度，实现出射光轴角度高分辨率、高精度二维调整，同时该结构的位置精度对光路方向影响较小，降低了旋转机构精度要求；本发明采用空间光路，光路损耗较小。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种高分辨光轴调整装置，其特征在于，包括：第一双五角棱镜组件（1）、第二双五角棱镜组件（2）和反射镜；

所述第一双五角棱镜组件（1）置于XY平面，所述第二双五角棱镜组件（2）置于YZ平面；

所述第一双五角棱镜组件（1）包括第一A五角棱镜（11）、第一B五角棱镜（12）和第一旋转机构（13），所述第一A五角棱镜（11）通过所述第一旋转机构（13）与第一B五角棱镜（12）连接；

所述第二双五角棱镜组件（2）包括第二B五角棱镜（22）、第二A五角棱镜（21）和第二旋转机构（23）,所述第二B五角棱镜（22）通过所述第二旋转机构（23）与第二A五角棱镜（21）连接；

所述反射镜包括第一反射镜（31）、第二反射镜（32）和第三反射镜（33），所述第一反射镜（31）将第一A五角棱镜（11）出射的光入射到第一B五角棱镜（12）内，所述第二反射镜（32）将第一B五角棱镜（12）出射的光入射到第二A五角棱镜（21）内，所述第三反射镜（33）将第二A五角棱镜（21）出射的光入射到第二B五角棱镜（22）内；

所述第一双五角棱镜组件（1）和第二双五角棱镜组件（2）正交设置，第一双五角棱镜组件（1）和第二双五角棱镜组件（2）的主截面呈90°布设；

所述第一双五角棱镜组件（1）中的第一A五角棱镜（11）和第一B五角棱镜（12）在同一平面内呈180°布设，且二者主截面在同一平面上；所述第二双五角棱镜组件（2）中的第二B五角棱镜（22）和第二A五角棱镜（21）在同一平面内呈180°布设，且二者主截面在同一平面上；

所述第一反射镜（31）固定安装在第一A五角棱镜（11）和第一B五角棱镜（12）的一侧，第一反射镜（31）与第一A五角棱镜（11）的侧面和第一B五角棱镜（12）的侧面都呈45°角度布设，且第一反射镜（31）垂直安装在XY平面；

所述第二反射镜（32）设置在所述第一双五角棱镜组件（1）和第二双五角棱镜组件（2）正交放置的底部，第二反射镜（32）与第一双五角棱镜组件（1）中的第一B五角棱镜（12）和第二双五角棱镜组件（2）中的第二A五角棱镜（21）都呈45°角度布设，且第二反射镜（32）垂直安装在YZ平面；

所述第三反射镜（33）固定安装在第二B五角棱镜（22）和第二A五角棱镜（21）一侧，第三反射镜（33）与第二B五角棱镜（22）的侧面和第二A五角棱镜（21）的侧面都呈45°角度布设，且第三反射镜（33）垂直安装在YZ平面。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一旋转机构（13）和第二旋转机构（23）都包括旋转主轴和转动合页，所述转动合页连接在所述旋转主轴外径面，第一旋转机构（13）中的转动合页的两侧分别与第一A五角棱镜（11）和第一B五角棱镜（12）固连，第二旋转机构（23）中的转动合页的两侧分别与第二B五角棱镜（22）和第二A五角棱镜（21）固连。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一双五角棱镜组件（1）和第二双五角棱镜组件（2）规格相同。

4.一种基于权利要求1-3任一项所述高分辨光轴调整装置的高分辨光轴调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：入射光线（4）射入第一双五角棱镜组件（1）时，当第一双五角棱镜组件（1）中的第一旋转机构（13）和第二双五角棱镜组件（2）中的第二旋转机构（23）静止不动的状态下，入射光线（4）经过第一双五角棱镜组件（1）和第二双五角棱镜组件（2）以及反射镜的共同作用下从第二双五角棱镜组件（2）出射；

S2：保持S1中的所有组件状态不变的情况下，转动第一双五角棱镜组件（1）的第一旋转机构（13），第一双五角棱镜组件（1）在水平方向上绕Z轴旋转，此时出射光线（5）在Z轴方向上偏转；

S3：保持S2中的所有组件状态不变的情况下，转动第二双五角棱镜组件（2）的第二旋转机构（23），第二双五角棱镜组件（2）在竖直方向上绕X轴旋转，此时出射光线（5）在X轴方向上偏转；

S4：通过以上S1-S3中的步骤，可调整出射光线（5）在XZ组成的平面上做二维角度调整。

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