一種離軸四反鏡頭的初裝定位方法
2023-05-28 21:43:41
一種離軸四反鏡頭的初裝定位方法
【專利摘要】一種離軸四反鏡頭的初裝定位方法，所述的離軸四反鏡頭包括主反射鏡、次反射鏡、第三反射鏡、平面反射鏡，其中主反射鏡和第三反射鏡為離軸非球面反射鏡。利用零位補償器對離軸反射鏡光軸方向進行校準，四桿定位為各反射鏡空間位置的調整提供基準，多臺經緯儀組網實現、反射鏡組件的初裝定位。本發明結合光軸外引和四桿定位技術保證了離軸四反鏡頭初裝達到一定的精度，為光學系統計算機輔助裝調建立一個合理的起始點。
【專利說明】一種離軸四反鏡頭的初裝定位方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於鏡頭裝調與檢測【技術領域】中，涉及一種離軸四反鏡頭的初裝定位方法。
【背景技術】
[0002]隨著空間光學遙感器的廣泛應用和飛速發展，大口徑離軸光學系統因其具有無中心遮擋，能量利用率高，可以實現大視場和較高的地面解析度等特點已得到廣泛的應用。目前對離軸光學鏡頭的裝調普遍採用計算機輔助裝調技術，自準幹涉法實時檢測系統的波像差，計算機輔助裝調軟體分析幹涉條紋，求解波面的多項式係數，給出各個光學元件的裝調方向和量化值，指導修正各個元件相對位置誤差達到最終設計要求。
[0003]針對傳統的球面透射式光學系統和同軸全反射式非球面光學系統的裝調可以利用較為成熟的定心裝配工藝，專用的球心像定心儀可以準確的測量偏心量從而實現球面光學零件的定心，然後把多個光學零件嚴格地按照光軸的一致性進行裝配。
[0004]由於離軸四反鏡頭零部件成型後本身就沒有物理上的對稱性，同時對系統的公差要求往往還更高，考慮到離軸反射鏡作為母鏡中的一部分，無法通過傳統定心工藝準確確定反射鏡的光軸；而同時離軸反射鏡虛擬頂點給各鏡空間位置調整帶來困難，從而導致離軸四反鏡頭初裝後存在較大的失調量，那麼測試與計算機仿真計算結果的偏差將會很大，造成調整的效果無法收斂，導致計算機輔助裝調失效。
【發明內容】
[0005]本發明解決的技術問題是:克服現有技術的不足，提供一種離軸四反鏡頭的初裝定位方法，在離軸四反鏡頭初裝階段對光軸、離軸角、離軸量和鏡間距有效控制，大大提高了光學系統初裝定位精度，為下一步計算機輔助精密裝調創造條件。
[0006]本發明的技術解決方案:一種離軸四反鏡頭的初裝定位方法，所述的離軸四反鏡頭包括主反射鏡、次反射鏡、第三反射鏡、平面反射鏡，其中主反射鏡和第三反射鏡為離軸非球面反射鏡；步驟如下:
[0007]I)利用第一幹涉儀、零位補償器將主反射鏡的光軸方向引出；設光束入射面為主反射鏡正面，利用兩臺經緯儀交會對接測量獲得主反射鏡的光軸方向與主反射鏡背面法線方向的夾角α ;
[0008]2)利用第一幹涉儀、零位補償器將第三反射鏡的光軸方向引出；設光束入射面為第三反射鏡正面，利用兩臺經緯儀交會對接測量獲得第三反射鏡的光軸方向與第三反射鏡背面法線方向的夾角β ;
[0009]3)由離軸四反鏡頭的光學設計數據計算並製作四根長杆，長杆材料選取低膨脹係數的石英玻璃，四根長杆的四個端頭均製成球頭型，四個球頭位置分別代表入射視場中心位置、主反射鏡的鏡面中心位置、次反射鏡的鏡面中心位置和第三反射鏡的鏡面中心位置；[0010]4)將四根長杆置於調整支架上，調整入射視場中心點和次反射鏡中心點的高度，確定中心視場的弧矢面，次反射鏡作為基準，依次調整主反射鏡和第三反射鏡，直至各反射鏡鏡面中心接觸長杆球頭；
[0011]5)設光束入射面為主反射鏡正面，架設兩臺經緯儀交會對接測量獲得第二幹涉儀標準平面鏡和主反射鏡背面法線方向的夾角CI1，調整主反射鏡使得CI1與步驟I)中的α
一致；
[0012]6)設光束入射面為第三反射鏡正面，架設兩臺經緯儀交會對接測量獲得第二幹涉儀標準平面鏡和第三反射鏡背面法線方向的夾角P1，調整第三反射鏡使得P1與步驟2)中的β —致；
[0013]7)第二幹涉儀發出的平行光經過離軸四反鏡頭的主反射鏡、次反射鏡、第三反射鏡、平面反射鏡後，匯聚到標準球面鏡後返回並在第二幹涉儀形成幹涉條紋，完成離軸四反的初裝定位。
[0014]步驟I)中光軸方向引出的具體方法為:將第一幹涉儀、零位補償器以及主反射鏡從左至右依次放置，第一幹涉儀出射的平面波經過零位補償器變成非球面波，非球面波被主反射鏡反射後按照原路返回，再經過零位補償器後回到第一幹涉儀，調整零位補償器和主反射鏡的位置，直至第一幹涉儀測量得到的數值與主反射鏡的面形參數值相等，固定零位補償器和主反射鏡的位置，此時主反射鏡的光軸與第一幹涉儀出射光方向平行。
[0015]步驟2)中光軸方向引出的具體方法為:將第一幹涉儀、零位補償器以及第三反射鏡從左至右依次放置，第一幹涉儀出射的平面波經過零位補償器變成非球面波，非球面波被第三反射鏡反射後按照原路返回，再經過零位補償器後回到第一幹涉儀，調整零位補償器和第三反射鏡的位置，直至第一幹涉儀測量得到的數值與第三反射鏡的面形參數值相等，固定零位補償器和第三反射鏡的位置，此時第三反射鏡的光軸與第一幹涉儀出射光方向平行。
[0016]本發明與現有技術相比的積極效果是:由於離軸四反鏡頭零部件成型後本身就沒有物理上的對稱性，虛擬頂點給各鏡空間位置調整帶來困難。因此，在離軸四反鏡頭光學系統進行計算機輔助裝調前提出利用四桿定位和多臺經緯儀組網方法來調整各反射鏡在主體框中的空間位置，從而使得大口徑離軸四反鏡頭的初裝定位過程在理論指導下可視、定量、有序地完成，實現了對鏡間距、光軸方向和離軸量的控制與精確調整，提高了離軸四反鏡頭中各反射鏡空間位置擺放的定位精度，使得高精度幹涉儀能夠精確檢測光學系統像質為計算機輔助裝調算法建立一個合理的起始點，從而有效地提高了裝調效率。同時，該方案也適應於所有離軸四反鏡頭的初裝定位。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為離軸非球面零位補償器光軸外引示意圖；
[0018]圖2為四桿定位和光軸調整示意圖。
【具體實施方式】
[0019]本發明一種離軸四反鏡頭的初裝定位方法，所述的離軸四反鏡頭包括主反射鏡4、次反射鏡5、第三反射鏡6、平面反射鏡7，其中主反射鏡4和第三反射鏡6為離軸非球面反射鏡3 ;下面結合圖1-圖2對本發明的離軸四反鏡頭初裝定位的【具體實施方式】作詳細說明:
[0020]幹涉儀I發出一束平面波經過零位補償器2變成所需的非球面波，非球面波被離軸非球面反射鏡反射後按照原路返回，經過零位補償器回到幹涉儀。如圖1所示，補償器與幹涉儀的光路調節至嚴格平行(精度可控在10"以內)，反覆調節離軸非球面反射鏡的方位直到測量得到的數值與離軸非球面反射鏡的面形參數值相等，此時離軸非球面反射鏡的主光軸與補償器、幹涉儀的光軸重合。兩臺經緯儀交會對接測試將離軸非球面反射鏡光軸方向引到反射鏡背面基準面。由於補償器自身裝配精度、檢測光路調整誤差和交會測量誤差等引起光軸引出精度約為P 。
[0021]I)利用第一幹涉儀1、零位補償器2將主反射鏡6的光軸方向引出；設光束入射面為主反射鏡4正面，利用兩臺經緯儀交會對接測量獲得主反射鏡4的光軸方向與主反射鏡4背面法線方向的夾角α，
[0022]2)利用第一幹涉儀1、零位補償器2將第三反射鏡6的光軸方向引出；設光束入射面為第三反射鏡6正面，利用兩臺經緯儀(Tl、Τ2)交會對接測量獲得第三反射鏡6的光軸方向與第三反射鏡6背面法線方向的夾角β ；
[0023]3)主體框放置於二維調整臺10上，次反射鏡5安裝在主體框上作為基準，兩臺經緯儀交會測量第二幹涉儀標準平面8與次反射鏡5之間的夾角，通過旋轉調整臺10使得兩者之間夾角為Φ，從而將光軸外引至標準平面反射鏡8。
[0024]4)選取四根長杆的四個端點(Α、B、C、D)分別代表入射視場、主反射鏡4、次反射鏡5和第三反射鏡6的鏡面中心位置。根據光學系統數據導入PRE結構設計軟體，由各反射鏡鏡面中心位置計算得到四桿的理論長度和角度，材料為低膨脹係數的石英玻璃，兩端製成球頭。
[0025]5)如圖2所示，將四桿置於調整支架上，設第二幹涉儀光束入射面為主反射鏡6正面，雷射器11發出一束雷射經端點A和端點B，調整四桿使得AB連線與第二幹涉儀標準平面鏡法線方向平行，然後，調整入射視場中心點A和次反射鏡5中心點C的高度一致，從而確定中心視場的弧矢面，依次調整主反射鏡4、次反射鏡5和第三反射鏡6，直至接觸位置B、C、D。
[0026]6)架設三臺經緯儀(T3、T4、T5)分別自準主反射鏡背面、第三反射鏡背面和幹涉儀標準平面反射鏡，調整主反射鏡4和第三反射鏡6傾斜和俯仰使得各鏡光軸方向與系統光軸方向重合。設光束入射面為主反射鏡4正面，架設兩臺經緯儀(T4、T5)交會對接測量獲得第二幹涉儀標準平面鏡8和主反射鏡4背面法線方向的夾角a i，調整主反射鏡4使得α !與步驟I中的α —致；架設兩臺經緯儀(Τ3、Τ5)交會對接測量獲得第二幹涉儀標準平面鏡8和第三反射鏡6背面法線方向的夾角β i，調整第三反射鏡6使得β !與步驟2)中的β —致；
[0027]7)採用自準幹涉測量系統實時檢測離軸四反鏡頭的波像差，如圖2所示，第二幹涉儀8發出平行光經過離軸四反鏡頭主反射鏡4、次反射鏡5、第三反射鏡6和平面反射鏡7，匯聚到標準球面鏡9原路返回形成幹涉條紋，高精度幹涉儀測得初裝定位後系統像差的均方根值(RMS值)為0.263 λ (λ = 632.8nm)，然後經過四次計算機輔助裝調各視場像質滿足要求。實踐證明該方案具有很高的定位精度使得調整收斂速度很快，有效地提高了裝調效率，縮短了裝調周期。
[0028]本發明說明書中未作詳細描述的內容屬本領域技術人員的公知技術。
【權利要求】
1.一種離軸四反鏡頭的初裝定位方法，所述的離軸四反鏡頭包括主反射鏡(4)、次反射鏡(5)、第三反射鏡(6)、平面反射鏡(7),其中主反射鏡(4)和第三反射鏡(6)為尚軸非球面反射鏡(3);其特徵在於包括下列步驟: 1)利用第一幹涉儀(I)、零位補償器(2)將主反射鏡(4)的光軸方向引出；設光束入射面為主反射鏡(4)正面，利用兩臺經緯儀交會對接測量獲得主反射鏡(4)的光軸方向與主反射鏡(4)背面法線方向的夾角α ； 2)利用第一幹涉儀(I)、零位補償器(2)將第三反射鏡(6)的光軸方向引出；設光束入射面為第三反射鏡(6)正面，利用兩臺經緯儀交會對接測量獲得第三反射鏡(6)的光軸方向與第三反射鏡(6)背面法線方向的夾角β ； 3)由離軸四反鏡頭的光學設計數據計算並製作四根長杆，長杆材料選取低膨脹係數的石英玻璃，四根長杆的四個端頭均製成球頭型，四個球頭位置分別代表入射視場中心位置、主反射鏡(4)的鏡面中心位置、次反射鏡(5)的鏡面中心位置和第三反射鏡(6)的鏡面中心位置； 4)將四根長杆置於調整支架上，調整入射視場中心點和次反射鏡(5)中心點的高度，確定中心視場的弧矢面，次反射鏡(5)作為基準，依次調整主反射鏡(4)和第三反射鏡(6)，直至各反射鏡鏡面中心接觸長杆球頭； 5)設光束入射面為主反射鏡(4)正面，架設兩臺經緯儀交會對接測量獲得第二幹涉儀標準平面鏡(8)和主反射鏡(4)背面法線方向的夾角a i，調整主反射鏡(4)使得a i與步驟I)中的α —致； 6)設光束入射面為第三反射鏡(6)正面，架設兩臺經緯儀交會對接測量獲得第二幹涉儀標準平面鏡(8)和第三反射鏡(6)背面法線方向的夾角P1，調整第三反射鏡(6)使得 與步驟2)中的β —致； 7)第二幹涉儀(8)發出的平行光經過離軸四反鏡頭的主反射鏡(4)、次反射鏡(5)、第三反射鏡(6)、平面反射鏡(7)後，匯聚到標準球面鏡(9)後返回並在第二幹涉儀(8)形成幹涉條紋，完成離軸四反的初裝定位。
2.根據權利要求1所述的一種離軸四反鏡頭的初裝定位的方法，其特徵在於:步驟I)中光軸方向引出的具體方法為:將第一幹涉儀(I)、零位補償器(2)以及主反射鏡(4)從左至右依次放置，第一幹涉儀(I)出射的平面波經過零位補償器(2)變成非球面波，非球面波被主反射鏡(4)反射後按照原路返回，再經過零位補償器(2)後回到第一幹涉儀(1)，調整零位補償器(2)和主反射鏡(4)的位置，直至第一幹涉儀(I)測量得到的數值與主反射鏡(4)的面形參數值相等，固定零位補償器(2)和主反射鏡(4)的位置，此時主反射鏡(4)的光軸與第一幹涉儀(I)出射光方向平行。
3.根據權利要求1所述的一種離軸四反鏡頭的初裝定位的方法，其特徵在於:步驟2)中光軸方向引出的具體方法為:將第一幹涉儀(I)、零位補償器(2)以及第三反射鏡(6)從左至右依次放置，第一幹涉儀(I)出射的平面波經過零位補償器(2)變成非球面波，非球面波被第三反射鏡(6)反射後按照原路返回，再經過零位補償器(2)後回到第一幹涉儀(1)，調整零位補償器(2)和第三反射鏡(6)的位置，直至第一幹涉儀(I)測量得到的數值與第三反射鏡(6)的面形參數值相等，固定零位補償器(2)和第三反射鏡(6)的位置，此時第三反射鏡(6)的光軸與第一幹涉儀(I)出射光方向平行。
【文檔編號】G02B7/182GK103969787SQ201410219039
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月22日 優先權日:2014年5月22日
【發明者】趙希婷, 焦文春, 廖志波, 張超 申請人:北京空間機電研究所