CN115981023A - 一种双曲面或椭球面反射镜光轴精密标定装置及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双曲面或椭球面反射镜光轴精密标定装置，其包括：由前至后同轴布置的干涉仪、高精度球面标准镜、待标定反射镜组件、内调焦望远镜；高精度球面标准镜中心开孔，干涉仪发出球面波测试光束，入射到待标定反射镜组件后再反射到高精度球面标准镜上，之后沿原路返回，进入干涉仪与参考光束发生干涉，实现干涉测量。本发明通过高精度自准直方法，实现测量基准高精度转换，通过调节使干涉仪发出的球面波测试光束的汇聚中心及高精度球面标准镜曲率中心连线、双曲(椭球)面反射镜光轴、内调焦望远镜光轴、光轴标定工装反射镜法线相互平行，本发明测量精度高，重复精度高。

Description

一种双曲面或椭球面反射镜光轴精密标定装置及标定方法

技术领域

本发明属于光电仪器光机系统精密装调技术领域，涉及一种双曲面或椭球面反射镜光轴精密标定装置及标定方法。

背景技术

随着现代科技的发展，光学设计及加工检测水平有了飞速的提升，采用非球面的大口径、多波段、共光路、反射式光学系统应用越来越广泛。在搜索、侦察、探测领域，系统光轴与伺服平台机械轴正交性有着严格的要求，为实现系统光轴与机械轴的高精度正交，需对非球面反射式光学系统光轴进行精密标定。

由于非球面反射式光学系统主镜及次镜光轴均为唯一，主镜光轴及次镜光轴同轴且光学间隔正确时，非球面反射式光学系统才能装调至最佳状态；且在整个光学系统的装调过程中，主镜的光轴通常都是其他光学元件的装调基准，因此，可将主镜光轴作为系统光轴进行精密标定。

传统的主镜光轴标定一般通过三坐标仪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角度关系。由于三坐标仪的测量范围有限且测量误差会随着被测物体尺寸增大而增大，且在曲面拟合过程中非球面的拟合计算也会带入角度误差。

另外一种方法是以非球面反射镜背面为基准面，其法线方向即为光轴方向。例如：中国专利201910881002.9“一种含有次镜调焦机构的共孔径光学系统装调方法”，利用中心偏测量仪将导轨轴线标定至与中心偏测量仪转轴平行，再以次镜背面为基准将其光轴装调至与导轨平行，其精度取决于光学加工精度，按照目前的加工精度，该方法的标定精度一般为15″。

2011年发表于《光电工程》的“卡塞格林红外光学系统装调技术研究”，采用中心偏测量仪完成主次镜的装调，及主次镜与目镜组光轴的定心。由于中心偏测量仪一般用于球面反射镜中心偏差测量，无法测量非球面的光轴偏差，因此在光学件、结构件误差累积的情况下，装调精度受到限制，难以满足非球面反射式光学系统的高精度装调及光轴的精密标定。

因此，上述方法均无法满足非球面主镜光轴的精密标定。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是：为解决双曲面或椭球面反射镜光轴精密标定技术问题，为实现含有双曲面或椭球面反射镜的非球面反射式光学系统光轴精密标定提供一种高精度、高效率的方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种双曲面或椭球面反射镜光轴精密标定装置，其包括：由前至后同轴布置的干涉仪、高精度球面标准镜、待标定反射镜组件、内调焦望远镜；高精度球面标准镜中心开孔，干涉仪发出球面波测试光束，入射到待标定反射镜组件后再反射到高精度球面标准镜上，之后沿原路返回，进入干涉仪与参考光束发生干涉，实现干涉测量。

其中，所述待标定反射镜组件为双曲面反射镜时，高精度球面标准镜选用凹球面标准镜。

其中，所述待标定反射镜组件为椭球面反射镜时，高精度球面标准镜选用凸球面标准镜。

其中，所述标定装置还包括光轴标定工装，光轴标定工装包括连接座、反射镜座、平面反射镜；平面反射镜安装于反射镜座上，通过螺钉将反射镜座与连接座进行连接；反射镜座中心设凸弧面，连接座中心设凹弧面，反射镜座与连接座的中心通过圆弧面进行配合，四周留有间隙，通过调节螺钉实现二维角度高精度调节；连接座实现光轴标定工装与待标定反射镜组件镜框背面进行连接。

其中，所述高精度球面标准镜、待标定反射镜组件、内调焦望远镜均支撑于可调支架，通过可调支架进行二维角度及平移的精密调节。

其中，通过调节所述待标定反射镜组件空间位姿，直至干涉仪测量出最佳面形且干涉条纹为零条纹状态，待标定反射镜组件光轴与内调焦望远镜光轴平行；保持待标定反射镜组件的空间位姿，调节光轴标定工装平面反射镜角度，使内调焦望远镜以光轴标定工装平面反射镜为基准自准，即待标定反射镜组件光轴与光轴标定工装平面反射镜法线平行，完成待标定反射镜组件光轴的精密标定。

本发明还提供一种双曲面或椭球面反射镜光轴精密标定方法，其包括以下步骤：

步骤1：设计制作光轴标定工装

光轴标定工装包括连接座、反射镜座、平面反射镜；平面反射镜安装于反射镜座上，通过螺钉将反射镜座与连接座进行连接；反射镜座中心设凸弧面，连接座中心设凹弧面，反射镜座与连接座的中心通过圆弧面进行配合，四周留有间隙，通过调节螺钉实现二维角度高精度调节；连接座实现光轴标定工装与待标定反射镜组件镜框背面进行连接；

步骤2：标定装置架设

将干涉仪、高精度球面标准镜、待标定反射镜组件、内调焦望远镜由前至后同轴进行架设，高精度球面标准镜、待标定反射镜组件、内调焦望远镜均支撑于可调支架，通过可调支架进行二维角度及平移的精密调节；干涉仪装配平面镜头，高精度球面标准镜带有中心孔，其反射面朝向内调焦望远镜，内调焦望远镜调焦至无穷远并对准干涉仪；调节内调焦望远镜，使干涉仪光点位于内调焦望远镜中心；调节高精度球面标准镜，使干涉仪以其背面为基准自准；

待标定反射镜组件为双曲面反射镜时，高精度球面标准镜选用凹球面标准镜。待标定反射镜组件为椭球面反射镜时，高精度球面标准镜选用凸球面标准镜；

步骤3：干涉仪焦点及高精度球面标准镜球心连线标定；

步骤4：待标定反射镜组件面形测量；

步骤5：待标定反射镜组件光轴标定。

步骤3中，干涉仪焦点及高精度球面标准镜球心连线标定的过程为：

根据待标定反射镜组件参数选择与之匹配的干涉仪镜头替换步骤2中的平面镜头，调节干涉仪与高精度球面标准镜之间的距离，使干涉仪发出的球面波测试光束的汇聚中心位于高精度球面标准镜中心孔处；内调焦望远镜进行调焦，使其聚焦到干涉仪发出的球面波测试光束的汇聚中心，平移内调焦望远镜，使干涉仪焦点像位于内调焦望远镜分划中心；内调焦望远镜再次进行调焦，使其焦点聚焦到高精度球面标准镜曲率中心，平移高精度球面标准镜使其球心像位于内调焦望远镜分划中心。

步骤4中，待标定反射镜组件面形测量的过程为：

轴向移动待标定反射镜组件，使干涉仪发出的球面波测试光束的汇聚中心与待标定反射镜组件的双曲面或椭球面近焦点重合，轴向移动高精度球面标准镜，使其曲率中心与待标定反射镜组件的双曲面或椭球面远焦点重合；采用无像差点法对待标定反射镜组件面形进行测试，通过泽尼克系数进行判断，并调节待标定反射镜组件反射镜空间位姿，直至干涉仪测量出最佳面形且干涉条纹为零条纹状态。

步骤5中，待标定反射镜组件光轴标定的过程为：

保持待标定反射镜组件的空间位姿，调节光轴标定工装平面反射镜角度，使内调焦望远镜以光轴标定工装平面反射镜为基准自准，即待标定反射镜组件光轴与光轴标定工装平面反射镜法线平行，完成待标定反射镜组件光轴的精密标定。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的双曲面或椭球面反射镜光轴精密标定装置及标定方法，具有以下有益效果：

1、本发明通过高精度自准直方法，实现测量基准高精度转换，通过调节使干涉仪发出的球面波测试光束的汇聚中心及高精度凹(凸)球面标准镜曲率中心连线、双曲(椭球)面反射镜光轴、内调焦望远镜光轴、光轴标定工装反射镜法线相互平行。

2、本发明采用干涉测量方法，通过测量双曲(椭球)面反射镜最佳面形，建立双曲(椭球)面反射镜光轴与高精度凹(凸)球面标准镜之间的位置关系，测量精度高，重复精度高。

3、通过设计制作光轴标定工装完成双曲(椭球)面反射镜光轴的精密标定，操作简便、工作效率高。

4、本发明完成了双曲(椭球)面反射镜光轴精密标定，使空间中无法观测但又实际存在的轴线实现可视化，并可达到较高的精度，并可以此表征含有双曲(椭球)面反射镜的非球面两反光学系统光轴，解决了含有双曲(椭球)面反射镜的非球面两反光学系统光轴精密标定问题，为系统光轴与机械轴的高精度正交装调提供基准。

附图说明

图1为本发明实施例光轴标定工装示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为本发明实施例双曲面反射镜测试光路图。

图4为本发明实施例椭球面反射镜测试光路图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

为实现双曲面或椭球面反射镜光轴的精密标定，参照图1至图4所示，本实施例提供一种双曲面或椭球面反射镜光轴精密标定装置，包括由前至后同轴布置的干涉仪、高精度球面标准镜、待标定反射镜组件、内调焦望远镜；高精度球面标准镜中心开孔，干涉仪发出球面波测试光束，入射到待标定反射镜组件后再反射到高精度球面标准镜上，之后沿原路返回，进入干涉仪与参考光束发生干涉，实现干涉测量。

待标定反射镜组件为双曲面反射镜时，高精度球面标准镜选用凹球面标准镜。

待标定反射镜组件为椭球面反射镜时，高精度球面标准镜选用凸球面标准镜。

标定装置还包括光轴标定工装，光轴标定工装包括连接座、反射镜座、平面反射镜；平面反射镜面形精度较高，可在光学检测中作为平面基准仪使用，作为自准直检测的高精度基准平面；平面反射镜安装于反射镜座上，通过3个螺钉将反射镜座与连接座进行连接；反射镜座中心设凸弧面，连接座中心设凹弧面，反射镜座与连接座的中心通过圆弧面进行配合，四周留有间隙，通过调节3个螺钉可实现二维角度高精度调节。连接座实现光轴标定工装与待标定反射镜组件镜框背面进行连接。

高精度球面标准镜、待标定反射镜组件、内调焦望远镜均支撑于可调支架，通过可调支架进行二维角度及平移的精密调节。

通过调节待标定反射镜组件空间位姿，直至干涉仪测量出最佳面形且干涉条纹为零条纹状态，此时，待标定反射镜组件光轴与内调焦望远镜光轴平行。

保持待标定反射镜组件的空间位姿，调节光轴标定工装平面反射镜角度，使内调焦望远镜以光轴标定工装平面反射镜为基准自准。即待标定反射镜组件光轴与光轴标定工装平面反射镜法线平行，从而完成待标定反射镜组件光轴的精密标定。

基于上述标定装置，本实施例还提供一种双曲面或椭球面反射镜光轴精密标定方法，其包括以下步骤：

步骤1：设计制作光轴标定工装

光轴标定工装包括连接座、反射镜座、平面反射镜；平面反射镜面形精度较高，可在光学检测中作为平面基准仪使用，作为自准直检测的高精度基准平面；平面反射镜安装于反射镜座上，通过3个螺钉将反射镜座与连接座进行连接；反射镜座中心设凸弧面，连接座中心设凹弧面，反射镜座与连接座的中心通过圆弧面进行配合，四周留有间隙，通过调节3个螺钉可实现二维角度高精度调节。连接座实现光轴标定工装与待标定反射镜组件镜框背面进行连接。

步骤2：标定装置架设

将干涉仪、高精度球面标准镜、待标定反射镜组件、内调焦望远镜由前至后同轴进行架设，高精度球面标准镜、待标定反射镜组件、内调焦望远镜均支撑于可调支架，通过可调支架进行二维角度及平移的精密调节。干涉仪装配平面镜头，高精度球面标准镜带有中心孔，其反射面朝向内调焦望远镜，内调焦望远镜调焦至无穷远并对准干涉仪。调节内调焦望远镜，使干涉仪光点位于内调焦望远镜中心。调节高精度球面标准镜，使干涉仪以其背面为基准自准。

待标定反射镜组件为双曲面反射镜时，高精度球面标准镜选用凹球面标准镜。待标定反射镜组件为椭球面反射镜时，高精度球面标准镜选用凸球面标准镜。

步骤3：干涉仪焦点及高精度球面标准镜球心连线标定

根据待标定反射镜组件参数选择与之匹配的干涉仪镜头替换步骤2中的平面镜头，调节干涉仪与高精度球面标准镜之间的距离，使干涉仪发出的球面波测试光束的汇聚中心位于高精度球面标准镜中心孔处。内调焦望远镜进行调焦，使其聚焦到干涉仪发出的球面波测试光束的汇聚中心，平移内调焦望远镜，使干涉仪焦点像位于内调焦望远镜分划中心。内调焦望远镜再次进行调焦，使其焦点聚焦到高精度球面标准镜曲率中心，平移高精度球面标准镜使其球心像位于内调焦望远镜分划中心。

由于内调焦望远镜机械轴、光轴和视准轴彼此完全重合，或不重合的误差小于允许范围。因此，内调焦望远镜在一定范围内调焦时，其光轴可稳定在较高的精度，利用内调焦望远镜的这一特点，通过上述步骤，以内调焦望远镜的光轴标定出干涉仪发出的球面波测试光束的汇聚中心与高精度球面标准镜曲率中心的连线，从而使空间中无法观测但又实际存在的两点连线得到标定，并可达到较高的标定精度。

步骤4：待标定反射镜组件面形测量

轴向移动待标定反射镜组件，使干涉仪发出的球面波测试光束的汇聚中心与待标定反射镜组件的双曲面或椭球面近焦点重合，轴向移动高精度球面标准镜，使其曲率中心与待标定反射镜组件的双曲面或椭球面远焦点重合。采用无像差点法对待标定反射镜组件面形进行测试，通过泽尼克系数进行判断，并针对性地调节待标定反射镜组件反射镜空间位姿，直至干涉仪测量出最佳面形且干涉条纹为零条纹状态。

由此可知，对于双曲面反射镜，干涉仪发出的球面波测试光束的汇聚中心与双曲面近焦点重合，测试光束从高精度凹球面标准镜穿过后入射到双曲面反射镜后反射为发散的球面波，其反向延长线汇聚于双曲面的远焦点，从而入射到曲率中心与双曲面远焦点重合的高精度凹球面标准镜上后沿原路返回，进入干涉仪与参考光束发生干涉，实现干涉测量。由于干涉测量可达波长级别的精度，因此，双曲面反射镜的前、后焦点分别与干涉仪发出的球面波测试光束的汇聚中心及高精度凹球面标准镜曲率中心高精度重合，双曲面反射镜的前、后焦点的连线即双曲面反射镜的光轴，通过步骤3可知，双曲面反射镜光轴与内调焦望远镜光轴高精度平行。

对于椭球面反射镜，干涉仪发出的球面波测试光束的汇聚中心与椭球面近焦点重合，测试光束从高精度凸球面标准镜穿过后入射到椭球面反射镜后反射并向椭球面反射镜的远焦点汇聚，入射到曲率中心与椭球面反射镜远焦点重合的高精度凸球面标准镜上后沿原路返回，进入干涉仪与参考光束发生干涉，实现干涉测量。同理，椭球面反射镜的前、后焦点分别与干涉仪发出的球面波测试光束的汇聚中心及高精度凸球面标准镜曲率中心高精度重合，椭球面反射镜的前、后焦点的连线即椭球面反射镜的光轴，通过步骤3可知，椭球面反射镜光轴与内调焦望远镜光轴高精度平行。

步骤5：待标定反射镜组件光轴标定

保持待标定反射镜组件的空间位姿，调节光轴标定工装平面反射镜角度，使内调焦望远镜以光轴标定工装平面反射镜为基准自准，即待标定反射镜组件光轴与光轴标定工装平面反射镜法线平行，从而完成待标定反射镜组件光轴的精密标定。由于采用了高精度内调焦望远镜、干涉仪、专用光轴标定工装等，实现了待标定反射镜组件光轴的高精度标定，并可为光学系统装调提供高精度的基准轴线。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双曲面或椭球面反射镜光轴精密标定装置，其特征在于，包括：由前至后同轴布置的干涉仪、高精度球面标准镜、待标定反射镜组件、内调焦望远镜；高精度球面标准镜中心开孔，干涉仪发出球面波测试光束，入射到待标定反射镜组件后再反射到高精度球面标准镜上，之后沿原路返回，进入干涉仪与参考光束发生干涉，实现干涉测量。

2.如权利要求1所述的双曲面或椭球面反射镜光轴精密标定装置，其特征在于，所述待标定反射镜组件为双曲面反射镜时，高精度球面标准镜选用凹球面标准镜。

3.如权利要求2所述的双曲面或椭球面反射镜光轴精密标定装置，其特征在于，所述待标定反射镜组件为椭球面反射镜时，高精度球面标准镜选用凸球面标准镜。

4.如权利要求3所述的双曲面或椭球面反射镜光轴精密标定装置，其特征在于，所述标定装置还包括光轴标定工装，光轴标定工装包括连接座、反射镜座、平面反射镜；平面反射镜安装于反射镜座上，通过螺钉将反射镜座与连接座进行连接；反射镜座中心设凸弧面，连接座中心设凹弧面，反射镜座与连接座的中心通过圆弧面进行配合，四周留有间隙，通过调节螺钉实现二维角度高精度调节；连接座实现光轴标定工装与待标定反射镜组件镜框背面进行连接。

5.如权利要求4所述的双曲面或椭球面反射镜光轴精密标定装置，其特征在于，所述高精度球面标准镜、待标定反射镜组件、内调焦望远镜均支撑于可调支架，通过可调支架进行二维角度及平移的精密调节。

6.如权利要求5所述的双曲面或椭球面反射镜光轴精密标定装置，其特征在于，通过调节所述待标定反射镜组件空间位姿，直至干涉仪测量出最佳面形且干涉条纹为零条纹状态，待标定反射镜组件光轴与内调焦望远镜光轴平行；保持待标定反射镜组件的空间位姿，调节光轴标定工装平面反射镜角度，使内调焦望远镜以光轴标定工装平面反射镜为基准自准，即待标定反射镜组件光轴与光轴标定工装平面反射镜法线平行，完成待标定反射镜组件光轴的精密标定。

7.一种双曲面或椭球面反射镜光轴精密标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：设计制作光轴标定工装

光轴标定工装包括连接座、反射镜座、平面反射镜；平面反射镜安装于反射镜座上，通过螺钉将反射镜座与连接座进行连接；反射镜座中心设凸弧面，连接座中心设凹弧面，反射镜座与连接座的中心通过圆弧面进行配合，四周留有间隙，通过调节螺钉实现二维角度高精度调节；连接座实现光轴标定工装与待标定反射镜组件镜框背面进行连接；

步骤2：标定装置架设

将干涉仪、高精度球面标准镜、待标定反射镜组件、内调焦望远镜由前至后同轴进行架设，高精度球面标准镜、待标定反射镜组件、内调焦望远镜均支撑于可调支架，通过可调支架进行二维角度及平移的精密调节；干涉仪装配平面镜头，高精度球面标准镜带有中心孔，其反射面朝向内调焦望远镜，内调焦望远镜调焦至无穷远并对准干涉仪；调节内调焦望远镜，使干涉仪光点位于内调焦望远镜中心；调节高精度球面标准镜，使干涉仪以其背面为基准自准；

待标定反射镜组件为双曲面反射镜时，高精度球面标准镜选用凹球面标准镜。待标定反射镜组件为椭球面反射镜时，高精度球面标准镜选用凸球面标准镜；

步骤3：干涉仪焦点及高精度球面标准镜球心连线标定；

步骤4：待标定反射镜组件面形测量；

步骤5：待标定反射镜组件光轴标定。

8.如权利要求7所述的双曲面或椭球面反射镜光轴精密标定方法，其特征在于，步骤3中，干涉仪焦点及高精度球面标准镜球心连线标定的过程为：

根据待标定反射镜组件参数选择与之匹配的干涉仪镜头替换步骤2中的平面镜头，调节干涉仪与高精度球面标准镜之间的距离，使干涉仪发出的球面波测试光束的汇聚中心位于高精度球面标准镜中心孔处；内调焦望远镜进行调焦，使其聚焦到干涉仪发出的球面波测试光束的汇聚中心，平移内调焦望远镜，使干涉仪焦点像位于内调焦望远镜分划中心；内调焦望远镜再次进行调焦，使其焦点聚焦到高精度球面标准镜曲率中心，平移高精度球面标准镜使其球心像位于内调焦望远镜分划中心。

9.如权利要求8所述的双曲面或椭球面反射镜光轴精密标定方法，其特征在于，步骤4中，待标定反射镜组件面形测量的过程为：

轴向移动待标定反射镜组件，使干涉仪发出的球面波测试光束的汇聚中心与待标定反射镜组件的双曲面或椭球面近焦点重合，轴向移动高精度球面标准镜，使其曲率中心与待标定反射镜组件的双曲面或椭球面远焦点重合；采用无像差点法对待标定反射镜组件面形进行测试，通过泽尼克系数进行判断，并调节待标定反射镜组件反射镜空间位姿，直至干涉仪测量出最佳面形且干涉条纹为零条纹状态。

10.如权利要求9所述的双曲面或椭球面反射镜光轴精密标定方法，其特征在于，步骤5中，待标定反射镜组件光轴标定的过程为：

保持待标定反射镜组件的空间位姿，调节光轴标定工装平面反射镜角度，使内调焦望远镜以光轴标定工装平面反射镜为基准自准，即待标定反射镜组件光轴与光轴标定工装平面反射镜法线平行，完成待标定反射镜组件光轴的精密标定。

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