CN115903201A - 一种无中间像点离轴三反系统装调光路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密光机装调领域，涉及一种无中间像点离轴三反系统装调光路及方法。装调光路包括干涉仪，主镜、次镜、三镜、计算全息光栅CGH、第一平晶、标准球和光屏；该装调方法要求先将主镜安装在系统框架上，以干涉仪光轴为基准，配合CGH完成对主镜与三镜的定位，再将三镜安装在系统框架上，调整三镜保证其与主镜的相对位置，最后撤去CGH，安装次镜在多维调节台上，使用干涉仪监控次镜背面基准面，调节次镜在X/Y/Z三维平移方向位置及绕Z轴旋转；在系统波前符合设计要求后固定次镜，完成离轴三反系统装调。提供离轴三反系统装调方法及配套计算全息光栅CGH，解决了无中间像点的离轴反射系统装调自由度多、周期长、难度大的技术问题，提高了装调效率，保证了装调质量。

Description

一种无中间像点离轴三反系统装调光路及方法

技术领域

本发明属于精密光机装调领域，涉及一种无中间像点离轴三反系统装调光路及方法。

背景技术

离轴反射式望远系统可实现大口径、无遮拦、长焦距、共孔径，系统结构紧凑，像质可接近衍射极限。但离轴反射系统镜面失调自由度多，位置误差敏感，装调难度大。为降低装调难度，部分离轴三反系统主镜采用抛物面，次镜采用二次曲面，保证主镜检测时能建立系统装调基准，主次镜能形成完善像点，即系统中间像点。这样的设计保证同时只需装调三块反射镜的一块，降低了装调自由度，但同时限制了光学系统的设计自由度，进而降低了系统的设计性能指标。

若不要求离轴三反射系统具备中间像点，可增大光学系统的设计自由度，达到更好的性能指标，但对装调精度提出了更高的要求。因此，亟待提出一种装调光路及方法，以期解决上述技术问题。

发明内容

本发明的目的：提供一种无中间像点离轴三反系统装调光路及方法，保证无中间像点离轴三反射系统的装调可行性，放宽光学系统的设计自由度。

为实现上述目的，本发明提供一种技术方案：

一种无中间像点离轴三反系统装调光路，包括干涉仪、主镜、次镜、三镜、计算全息光栅CGH、第一平晶、标准球和光屏；

所述主镜和三镜均安装在系统框架上，整体置于多维调节台上；

所述次镜置于六维调节台上，主、次镜系统无中间像点；

以干涉仪光轴为基准，配合所述CGH完成对主镜与三镜的定位；

所述第一平晶，安装于系统框架上，标记系统入射光轴，完成主镜相对于干涉仪的定位；

所述光屏，用于初步装调时接系统像点；

所述标准球，其球心位于系统理论像点处，测量系统波前，用于系统精调；

利用干涉仪监控次镜背面，调节次镜相对于主镜、三镜的位置，实现系统装调。

本发明的进一步技术方案是：每块所述CGH包括：

一个对准区，用于实现CGH与干涉仪对准；

主镜测量刻线区和三镜测量刻线区，分别用于测量主镜、三镜面型；

主镜对准点和三镜对准点，干涉仪测量光经两组对准点后汇聚成两组定位点，两组定位点分别与主镜、三镜镜面边缘重合，用于初步确定镜面位置。

本发明的进一步技术方案是：所述次镜与六维调节台之间采用工装固定，次镜与次镜框存在间隙，用于调整次镜姿态及灌胶固定；所述次镜背面加工有抛光的基准面，所述基准面垂直于系统光轴，能够通过该基准面监控次镜光轴指向。

本发明的进一步技术方案是：所述装调光路还包括第二平晶；监控次镜背面的设备为自准直仪，所述第二平晶用于保证自准直仪光轴与干涉仪光轴平行，调节自准直仪角度。

本发明的进一步技术方案是：所述主镜为椭球面，次镜为双曲面，三镜为自由曲面，所述主镜、三镜曲率半径接近，且主镜、三镜光轴夹角不大于10°。

本发明提供另一种技术方案：

一种无中间像点离轴三反系统装调方法，包括如下方法步骤：

步骤一：将主镜安装在系统框架上后，整体置于多维调节台上，干涉仪加与CGH匹配镜头，先调节CGH位姿使其与干涉仪对准，再利用CGH确认系统框架及主镜相对干涉仪位置；

步骤二：将三镜安装在系统框架上，利用CGH调整三镜位置，完成主镜与三镜的定位；

步骤三：撤去CGH，将第一平晶安装在系统框架上，干涉仪安装平行光镜头对准第一平晶；调节系统框架位姿，保证主镜光轴与干涉仪光轴平行，且主镜被干涉仪平行光覆盖；将次镜连接在六维调节台上，移入光学系统内，使用设备监控次镜背面基准面，调节次镜在X/Y/Z三维平移方向位置及绕z轴旋转；在系统像点处架设标准球测量系统波前，在波前符合设计要求后固定次镜，完成离轴三反系统装调。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤一中，确认系统框架及主镜相对位置的过程为：将CGH架设在干涉仪前的二维角度调整台上，干涉仪采用平行镜头，调整CGH的方位、俯仰角度，使CGH对准区与干涉仪测量光路准直；调整系统框架位姿，使干涉仪测量光经CGH上主镜对准点的汇聚点落在主镜边缘，实现主镜与干涉仪粗对准；检测主镜面型并微调系统框架位姿，使主镜面型测量数据RMS值减小，直至符合设计要求，确定主镜相对干涉仪、CGH调节到位，固定当前系统框架位姿。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤二中，主镜与三镜的定位过程为：用螺钉将三镜安装在系统框架上，由系统框架机加精度保证三镜与干涉仪粗对准，同时确认CGH的三镜定位点与三镜边缘重合；检测三镜面型并微调三镜位置，保证三镜面型测量数据RMS值减少至符合设计要求后，固定三镜，完成主镜与三镜的定位。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤三中，使用干涉仪监控次镜的过程为：将次镜连接在多维调节台上，移入光学系统内，使用光屏接系统像点，粗调节次镜位置，使光屏上像点最圆；去掉光屏，在系统成像点处架设标准球面镜；利用干涉仪监控次镜背面基准面，调节次镜在X/Y/Z三维平移方向及绕Z轴旋转方向相对于主镜、三镜的位置，迭代调节次镜与标准球面镜位置，使系统波前最小，且保证设计光学指标；固定次镜，完成离轴反射系统装调。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤三中，使用自准直仪监控次镜的过程为：干涉仪覆盖主镜通光孔径，固定系统框架位姿；使用光屏接系统像点，粗调节次镜位置，使光屏上像点最圆；在干涉仪前架设自准直仪，使其对准次镜安装位置；在干涉仪前架设第二平晶并调节其与干涉仪对准，转移干涉仪测量光路基准，调节自准直仪对准第二平晶；撤去第二平晶，固定自准直仪位姿；去掉光屏，在系统汇聚点处架设标准球面镜，用干涉仪测量系统波前；用自准直仪监控次镜背面，保证其方位、俯仰角度不变，调节次镜在X/Y/Z三维平移方向位置、绕Z轴翻滚转动方向角度，同时调整标准球面镜位置补偿，使系统波前最小，且保证设计光学指标；在次镜与系统框架间灌胶固定，完成系统装调。

有益效果：

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)本申请一种无中间像点离轴三反系统装调光路及方法，光路包括干涉仪，主镜、次镜、三镜、计算全息光栅CGH和第一平晶，标准球，光屏；采用一块CGH，完成对主镜、三镜的面型测量与定位，提高了装调效率。

(2)本申请一种无中间像点离轴三反系统装调光路及方法，通过将主镜安装在系统框架上，以CGH为基准，确认系统框架及主镜相对干涉仪的位置，再将三镜安装在系统框架上，调整三镜保证其与主镜的相对位置，最后安装次镜，使用干涉仪或其他对准设备监控次镜背面基准面，调节次镜X/Y/Z三维平移方向及绕z轴旋转方向角度，保证了装调质量。

(3)本申请一种无中间像点离轴三反系统装调光路及方法，采用激光干涉仪，或者采用自准直仪监控次镜背面基准面，调整标准球面镜位置补偿，使系统波前最小，且保证设计光学指标，提高了装调精度。

附图说明

图1为本发明无中间像点离轴三反系统装调光路光路图；

图2为本发明无中间像点离轴三反系统装调光路CGH示意图；

图3为本发明无中间像点离轴三反系统装调光路主镜检测示意图；

图4为本发明无中间像点离轴三反系统装调光路三镜装调示意图；

图5为本发明无中间像点离轴三反系统装调光路次镜装调示意图。

附图标记说明：

主镜1，次镜2，三镜3，第一平晶11，第二平晶12，标准球4，光屏5；

主镜测量刻线区1A，主镜对准点1P,对准区B，三镜测量刻线区3C，三镜对准点3P。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但不构成对本发明的任何限制。

实施例1

一种无中间像点离轴三反系统装调光路，包括干涉仪、主镜1、次镜2、三镜3、计算全息光栅CGH、第一平晶11、标准球4和光屏5；

主镜1、三镜3可用一块CGH完成测量与定位。主镜1面型为非抛物面，其和三镜3均安装在系统框架上，整体置于多维调节台上；

次镜2置于六维调节台上，主、次镜系统无中间像点；

以干涉仪光轴为基准，配合所述CGH完成对主镜1与三镜3的定位；

第一平晶11，安装于系统框架上，标记系统入射光轴，配合CGH完成主镜1相对于干涉仪的定位；

光屏5，用于初步装调时接系统像点；

标准,4，其球心位于系统理论像点处，测量系统波前，用于系统精调；

利用干涉仪监控次镜2背面，调节次镜2相对于主镜1、三镜3的位置，实现系统装调。

CGH用于确认系统框架及主镜1、次镜2相对干涉仪的位置，CGH结构如图2所示，其包括：一个对准区B，用于实现CGH与干涉仪对准；主镜测量刻线区1A和三镜测量刻线区3C，分别用于测量主镜1、三镜3面型；主镜对准点1P和三镜对准点3P，干涉仪测量光经所述两组对准点后汇聚成两组定位点，两组定位点分别与主镜1、三镜3镜面边缘重合，用于确定镜面位置。

主镜1、次镜2安装在系统框架上，CGH用于确认系统框架及主镜1、次镜2相对干涉仪的位置，所述次镜2安装在多维调节台上，利用干涉仪监控次镜2，调节次镜2在三维平移方向相对于所述主镜1、三镜3的位置，满足测试条件后，完成系统装调。

主镜1为椭球面，次镜2为双曲面，三镜3为自由曲面，系统光路图如图1所示；其中，主镜1、三镜3曲率半径接近，且主镜、三镜光轴夹角不大于10°。标准球4可选用标准球面镜。

次镜2背面加工有抛光的基准面，该基准面垂直于系统光轴，能够通过该基准面监控次镜2光轴指向。次镜2与多维调节台之间采用工装固定，次镜2与次镜2框有间隙，用于调整次镜2姿态及灌胶固定。

实施例2

一种无中间像点离轴三反系统装调光路，与实施例1相同部分不再赘述，与实施例1不同特征体现在：使用自准直仪用作监控次镜的设备代替干涉仪，装调光路还包括第二平晶12，第二平晶12保证自准直仪光轴与干涉仪光轴平行，用于调节自准直仪位姿。

实施例3

提供一种无中间像点离轴三反系统装调方法，步骤如下：

1)首先将主镜1安装在系统框架，主镜1与系统框架的位置不需调整，但可利用CGH检测主镜1面型，判断其面型指标是否影响系统光学性能；

2)于干涉仪前架设CGH，利用CGH对准区确定CGH与干涉仪相对位置，作为后续装调基准；

3)将系统框架(与主镜1一体)安装于多维调节台上，利用主镜1定位点粗调节主镜1与CGH相对位置，再用主镜测量刻线区1A精调主镜1位置；

4)利用三镜3定位点粗调节三镜3与CGH相对位置，再用三镜测量刻线区3C精调三镜3位置，之后固定三镜3；

5)撤去CGH，将次镜2连接在多维调节台上，移入光学系统内，使用光屏5接系统像点，粗调节次镜2位置，使光屏5上像点最圆；

6)去掉光屏5，在系统成像点处架设标准球4；

7)利用干涉仪或其他设备监控次镜2背面，调节次镜2在X/Y/Z三维平移方向相对于主镜1、三镜3的位置，迭代调节次镜2与标准球4位置，使系统波前最小，且保证设计光学指标；

8)固定次镜2，完成离轴反射系统光路装调。

实施例4

本实施例一种无中间像点离轴三反系统装调方法，所装调方法如下：

1)如图2所示，为本系统装调专用CGH示意图，将CGH架设在激光干涉仪前的二维角度调整台上，激光干涉仪采用平行镜头，调整CGH的方位、俯仰角度，使其对准区与激光干涉仪测量光路准直；

2)用螺钉将主镜1安装在系统框架上，将系统框架固定在五维调节台上，架设于干涉仪之前；

3)调整系统框架位姿，使干涉仪测量光经CGH上主镜1对准点的汇聚点落在主镜1边缘，实现主镜1与干涉仪粗对准；

4)如图3所示，检测主镜1面型并微调系统框架位姿，使主镜1面型测量数据RMS值减小，直至符合设计要求，此时可确定主镜1相对干涉仪、CGH调节到位，固定当前系统框架位姿；

5)用螺钉将三镜3安装在系统框架上，由系统框架精度保证三镜3与干涉仪粗对准，同时确认CGH的三镜3定位点与三镜3边缘重合；

6)如图4所示，检测三镜3面型并微调三镜3位置，保证三镜3面型测量数据RMS值减少至符合设计要求后，固定三镜3，完成主镜1与三镜3的定位；

7)撤去CGH，将系统框架基准面上贴第一平晶11，调节系统框架位姿使第一平晶11与干涉仪测量光路准直，且干涉仪覆盖主镜1通光孔径，固定系统框架位姿；当采用的CGH与干涉仪的平行光镜头配合配套使用时，完成主镜1、三镜3的定位及对准，也可以不需要设置第一平晶11；

8)将次镜2连接在多维调节台上，移入光学系统内，在系统汇聚点处用光屏5接像，粗调次镜2位置使光屏5上像点最圆；

9)在干涉仪前架设自准直仪，使其对准次镜2安装位置；

10)在干涉仪前架设第二平晶12并调节其与干涉仪对准，转移干涉仪测量光路基准，调节自准直仪对准第二平晶12；

11)撤去第二平晶12，固定自准直仪角度；

12)去掉光屏5，在系统汇聚点处架设标准球4，用干涉仪测量系统波前；

13)用自准直仪监控次镜2背面，保证其方位、俯仰角度不变，调节次镜2在X/Y/Z三维平移方向位置、绕Z轴转动方向角度，同时调整标准球4位置补偿，使系统波前最小，且保证设计光学指标；

14)在次镜2与系统框架间灌胶固定，完成系统装调。

通过本申请的装调光路及方法，解决了离轴三反系统装调过程中失调自由度多，无法单次装调一块反射镜方法的技术难题，保证了装调质量，提高了装调效率。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种无中间像点离轴三反系统装调光路，其特征在于：包括干涉仪、主镜、次镜、三镜、计算全息光栅CGH、第一平晶、标准球和光屏；所述主镜和三镜均安装在系统框架上，整体置于多维调节台上；所述次镜置于六维调节台上，主、次镜系统无中间像点；以干涉仪光轴为基准，配合所述CGH完成对主镜与三镜的定位；所述第一平晶，安装于系统框架上，标记系统入射光轴；所述光屏，用于初步装调时接系统像点；所述标准球，其球心位于系统理论像点处，测量系统波前，用于系统精调；利用干涉仪监控次镜背面，调节次镜相对于主镜、三镜的位置，实现系统装调。

2.根据权利要求1所述的一种无中间像点离轴三反系统装调光路，其特征在于：每块所述CGH包括：

一个对准区，用于实现CGH与干涉仪对准；

主镜测量刻线区和三镜测量刻线区，分别用于测量主镜、三镜面型；

主镜对准点和三镜对准点，干涉仪测量光经两组对准点后汇聚成两组定位点，两组定位点分别与主镜、三镜镜面边缘重合，用于初步确定镜面位置。

3.根据权利要求1所述的一种无中间像点离轴三反系统装调光路，其特征在于：所述次镜与六维调节台之间采用工装固定，次镜与次镜框存在间隙，用于调整次镜姿态及灌胶固定；所述次镜背面加工有抛光的基准面，所述基准面垂直于系统光轴，能够通过该基准面监控次镜光轴指向。

4.根据权利要求1所述的一种无中间像点离轴三反系统装调光路，其特征在于：所述装调光路还包括第二平晶；监控次镜背面的设备为自准直仪，所述第二平晶用于保证自准直仪光轴与干涉仪光轴平行，调节自准直仪角度。

5.根据权利要求1所述的一种无中间像点离轴三反系统装调光路，其特征在于：所述主镜为椭球面，次镜为双曲面，三镜为自由曲面，所述主镜、三镜曲率半径接近，且主镜、三镜光轴夹角不大于10°。

6.一种利用权利要求1-5任一项所述的无中间像点离轴三反系统装调光路的装调方法，其特征在于：包括如下方法步骤：

步骤一：将主镜安装在系统框架上后，整体置于多维调节台上，干涉仪加与CGH匹配镜头，先调节CGH位姿使其与干涉仪对准，再利用CGH确认系统框架及主镜相对干涉仪位置；

步骤二：将三镜安装在系统框架上，利用CGH调整三镜位置，完成主镜与三镜的定位；

步骤三：撤去CGH，将第一平晶安装在系统框架上，干涉仪安装平行光镜头对准第一平晶；调节系统框架位姿，保证主镜光轴与干涉仪光轴平行，且主镜被干涉仪平行光覆盖；将次镜连接在六维调节台上，移入光学系统内，使用设备监控次镜背面基准面，调节次镜在X/Y/Z三维平移方向位置及绕Z轴旋转；架设光屏粗调次镜位置，使汇聚点最圆；在系统像点处架设标准球测量系统波前，在波前符合设计要求后固定次镜，完成离轴三反系统装调。

7.根据权利要求6所述的装调方法，其特征在于：所述步骤一中，确认系统框架及主镜相对位置的过程为：将CGH架设在干涉仪前的二维角度调整台上，干涉仪采用与CGH匹配镜头，调整CGH的方位、俯仰角度，使CGH对准区与干涉仪测量光路准直；调整系统框架位姿，使干涉仪测量光经CGH上主镜对准点的汇聚点落在主镜边缘，实现主镜与干涉仪粗对准；检测主镜面型并微调系统框架位姿，使主镜面型测量数据RMS值减小，直至符合设计要求，确定主镜相对干涉仪、CGH调节到位，固定当前系统框架位姿。

8.根据权利要求6所述的装调方法，其特征在于：所述步骤二中，主镜与三镜的定位过程为：用螺钉将三镜安装在系统框架上，由系统框架机加精度保证三镜与干涉仪粗对准，同时确认CGH的三镜定位点与三镜边缘重合；检测三镜面型并微调三镜位置，保证三镜面型测量数据RMS值减少至符合设计要求后，固定三镜，完成主镜与三镜的定位。

9.根据权利要求6所述的装调方法，其特征在于：所述步骤三中，使用干涉仪监控次镜的过程为：将次镜连接在多维调节台上，移入光学系统内，使用光屏接系统像点，粗调节次镜位置，使光屏上像点最圆；去掉光屏，在系统成像点处架设标准球面镜；利用干涉仪监控次镜背面基准面，调节次镜在X/Y/Z三维平移方向及绕Z轴旋转方向相对于主镜、三镜的位置，迭代调节次镜与标准球面镜位置，使系统波前最小，且保证设计光学指标；固定次镜，完成离轴反射系统装调。

10.根据权利要求6所述的装调方法，其特征在于：所述步骤三中，使用自准直仪监控次镜的过程为：干涉仪覆盖主镜通光孔径，固定系统框架位姿；使用光屏接系统像点，粗调节次镜位置，使光屏上像点最圆；在干涉仪前架设自准直仪，使其对准次镜安装位置；在干涉仪前架设第二平晶并调节其与干涉仪对准，转移干涉仪测量光路基准，调节自准直仪对准第二平晶；撤去第二平晶，固定自准直仪位姿；去掉光屏，在系统汇聚点处架设标准球面镜，用干涉仪测量系统波前；用自准直仪监控次镜背面，保证其方位、俯仰角度不变，调节次镜在X/Y/Z三维平移方向位置、绕Z轴翻滚转动方向角度，同时调整标准球面镜位置补偿，使系统波前最小，且保证设计光学指标；在次镜与系统框架间灌胶固定，完成系统装调。

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