CN1885088A - 轴对称两镜系统中的二次曲面镜面形的修正检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴对称两镜系统中的二次曲面镜面形的修正检测方法，该方法是利用经典两镜系统轴上点成完善像的特性，实现轴对称两镜系统中的二次曲面镜的面形修正控制和像质精确测量。本发明的优点是：能够直接保证两镜系统主、次镜的实际面形、光学参数与理论设计值的一致性；具体检验的操作过程简单、容易；不需要使用补偿器，能够有效缩短光学加工的周期，节约研制成本。

Description

轴对称两镜系统中的二次曲面镜面形的修正检测方法

技术领域

本发明涉及光学元件面形检测加工方法，具体是指轴对称两镜系统中的二次曲面镜面形检测和修正方法。

技术背景

由两个反射镜组成的望远镜系统具有很重要的实用价值，其原因是：反射镜材料比透射材料更容易得到，尤其是大尺寸的光学口径。反射镜镀膜后在宽波段范围内有很高的反射率，没有色差。因此在天文望远镜、红外或紫外光学系统中，两镜系统都有重要应用。

在两镜系统设计时，为了保证加工检验的可实施性和系统实际性能的保证，往往首先考虑二次曲面，并采用轴对称系统。经典的两镜系统有：最早应用于反射式天文望远镜中的卡塞格林(Cassegrain)系统和格里果利(Gregory)系统(但两者因为轴外像差没有校正，而在使用上受到限制)；能够同时校正球差和彗差的改进型卡塞格林系统(R-C系统)和格里果利式系统(马克苏托夫系统)；消除球差、彗差和像面弯曲的史瓦西尔德(Schwarzechield)系统以及能够消除球差、彗差和像散的库特(Cuder)系统等。

正是考虑到光学材料特性、宽波段光学效率和光学加工等因素，在多光谱成像仪及红外成像仪中，广泛采用轴对称两镜系统作为主光学系统。由于工作视场和系统分光设计等方面的要求和限制，两镜系统的主、次镜一般为抛物面+双曲面或两个双曲面的二次曲面组合，但光路结构无法满足完善成像条件，不是经典的两镜系统。

因而，目前由两个二次曲面反射镜组成的主光学系统其面形修正一般采用主、次镜单独修磨和检验的加工方法，或者采用次镜/主镜配对修磨的方法。这两种方法都只能保证主光学系统在一定的范围内像质较优，不能很好地保证主、次镜的实际面形和光学参数与理论设计值的一致性，它们能够满足分辨率为1mrad左右的系统成像要求。当系统的分辨率提高时(比如优于0.25mrad)，上述方法就不能满足系统要求了。

发明内容

基于上述原因，本发明的目的就是要提供一种能满足高分辨系统成像要求的二次曲面轴对称两镜系统的像质精确测量和面形修正方法。

本发明的技术方案是：利用经典两镜系统轴上点成完善像的特性，在其像面位置实现两镜系统的面形加工修正和像质的精确测量。

本发明的二次曲面轴对称两镜系统其面形检测和修正方法的步骤如下：

A.首先根据二次曲面轴对称两镜系统主镜1和次镜2的顶点曲率半径、偏心率，计算出经典两镜系统的主、次镜间隔d₀。

B.通过比较二次曲面轴对称两镜系统主镜和次镜的设计间隔d与步骤A计算出的经典两镜系统的主、次镜间隔d₀，确定轴对称两镜系统光路中次镜沿轴移动方向和轴向移动距离，最终使实际检测光路中的主、次镜间隔为d₀。

C.主、次镜面形检测及修正

面形检测有二种方法：一种将刀口仪放在两镜系统的像面位置3，标准平面反射镜放在目标位置4，刀口仪作为光源，发出的光线依次经次镜、主镜、标准平面反射镜反射，再按原路反射回来成像在像面位置上，然后通过沿垂直光轴方向移动刀口仪观测阴影图或用读数显微镜测量像点；另一种将标准平行光管放在两镜系统的目标位置，刀口仪放在两镜系统的像面位置，由平行光管发出的光束依次经主镜、次镜反射，在像面位置成像，用刀口仪检测像点或用读数显微镜测量像点。根据像点偏差，修磨主镜或次镜，通过反复检测和修磨，直至两镜系统在像面的像质满足要求为止。

D.在检测结果满足加工要求后，将次镜定位在设计工作位置d即可应用。

本发明方法的优点是：

1.能够实现二次曲面轴对称两镜系统的面形加工控制和像质精确测量。

2.能够直接保证主、次镜的实际面形和光学参数与理论设计值的一致性，提高系统的加工和测量精度，从而满足系统较高分辨率成像和应用的需求；

3.本检测方法实现容易，不需要使用补偿器进行系统检验，能够有效缩短光学加工的周期，节约研制成本。

附图说明

图1为二次曲面轴对称两镜系统的基本结构及检测光路示意图，(a)图为轴对称两镜系统的基本结构示意图，(b)图为经典两镜系统检测光路示意图。

具体实施方式

下面以经典的卡塞格林系统为例，结合附图对本发明的具体实施方式作详细介绍：

见图1，两镜系统的主镜1为凹抛物面、次镜2为凸双曲面，根据主镜和次镜的顶点曲率半径、偏心率，计算出经典两镜系统的主、次镜间隔d₀：

根据图中标注定义参数：α＝l2/f′1，β＝l′2/l2，则α表示次镜与主镜焦点的相对位置关系，决定次镜的遮光比；β表示次镜的放大倍数；f‘1为主镜焦距；l2、l‘2为次镜的物距和像距。

根据高斯光学公式可以导出：

${\stackrel{O}{R}}_2=\frac{\mathrm{\α}\·\mathrm{\β}}{1+\mathrm{\β}}\·{\stackrel{O}{R}}_1,---\left(1\right)$

式中 为主镜顶点曲率半径， 次镜的顶点曲率半径。对于卡塞格林系统，主镜的偏心率e₁ ²＝1，次镜偏心率为：

${e_2}^2=\frac{{(1-\mathrm{\β})}^2}{{(1+\mathrm{\β})}^2},---\left(2\right)$

其中，β＜-1，e₂ ²恒大于1。

因此，在已知两镜系统实际的主、次镜顶点曲率半径和偏心率的情况下，由公式(1)、(2)可以计算得到满足卡塞格林系统成像条件下的参数α和β，进而可以算出主、次镜间隔d₀＝f‘₁-l₂＝(1-α)f‘₁，其中 ${f^{\′}}_1={\stackrel{0}{R}}_1/2.$

根据两镜系统主、次镜实际间隔d与d₀的比较，可以确定检测光路中次镜相对实际工作状态的沿轴移动方向和轴向移动距离，从而使主、次镜组合成卡塞格林系统，并利用卡塞格林系统的轴上完善像点，和上述发明内容中的步骤C，实现轴对称两镜系统的面形修正和像质精确测量。

对于其它的二次曲面主、次镜组合，在确定对应的经典两镜系统后，可参照上面的计算分析方法得到系统的d₀，然后实施调节和检测。

Claims (1)

1.一种轴对称两镜系统中二次曲面镜面形的检测修正方法，其特征在于具体步骤如下：

A.首先根据二次曲面轴对称两镜系统中主镜(1)和次镜(2)的顶点曲率半径、偏心率，计算出经典两镜系统的主、次镜间隔d₀；

B.通过比较二次曲面轴对称两镜系统主镜和次镜的设计间隔d与步骤A计算出的经典两镜系统的主、次镜间隔d₀，确定轴对称两镜系统光路中次镜沿轴移动方向和轴向移动距离，最终使实际检测光路中的主、次镜间隔为d₀；

C.主、次镜面形检测及修正

面形检测有二种方法：一种将刀口仪放在两镜系统的像面位置(3)，标准平面反射镜放在目标位置(4)，刀口仪作为光源，发出的光线依次经次镜、主镜、标准平面反射镜反射，再按原光路反射回来成像在像面位置(3)上，然后通过沿垂直光轴方向移动刀口仪观测阴影图或用读数显微镜测量像点；另一种将标准平行光管放在两镜系统的目标位置(4)，刀口仪放在两镜系统的像面位置(3)，由平行光管发出的光束依次经主镜、次镜反射，在像面位置成像，用刀口仪检测像点或用读数显微镜测量像点；根据像点偏差，修磨主镜或次镜，通过反复检测和修磨，直至两镜系统在像面的像质满足要求为止；

D.在检测结果满足加工要求后，将次镜定位在设计工作位置d即可。