CN103969787A - 一种离轴四反镜头的初装定位方法 - Google Patents

Abstract

一种离轴四反镜头的初装定位方法，所述的离轴四反镜头包括主反射镜、次反射镜、第三反射镜、平面反射镜，其中主反射镜和第三反射镜为离轴非球面反射镜。利用零位补偿器对离轴反射镜光轴方向进行校准，四杆定位为各反射镜空间位置的调整提供基准，多台经纬仪组网实现、反射镜组件的初装定位。本发明结合光轴外引和四杆定位技术保证了离轴四反镜头初装达到一定的精度，为光学***计算机辅助装调建立一个合理的起始点。

Description

一种离轴四反镜头的初装定位方法

技术领域

本发明属于镜头装调与检测技术领域中，涉及一种离轴四反镜头的初装定位方法。

背景技术

随着空间光学遥感器的广泛应用和飞速发展，大口径离轴光学***因其具有无中心遮挡，能量利用率高，可以实现大视场和较高的地面分辨率等特点已得到广泛的应用。目前对离轴光学镜头的装调普遍采用计算机辅助装调技术，自准干涉法实时检测***的波像差，计算机辅助装调软件分析干涉条纹，求解波面的多项式系数，给出各个光学元件的装调方向和量化值，指导修正各个元件相对位置误差达到最终设计要求。

针对传统的球面透射式光学***和同轴全反射式非球面光学***的装调可以利用较为成熟的定心装配工艺，专用的球心像定心仪可以准确的测量偏心量从而实现球面光学零件的定心，然后把多个光学零件严格地按照光轴的一致性进行装配。

由于离轴四反镜头零部件成型后本身就没有物理上的对称性，同时对***的公差要求往往还更高，考虑到离轴反射镜作为母镜中的一部分，无法通过传统定心工艺准确确定反射镜的光轴；而同时离轴反射镜虚拟顶点给各镜空间位置调整带来困难，从而导致离轴四反镜头初装后存在较大的失调量，那么测试与计算机仿真计算结果的偏差将会很大，造成调整的效果无法收敛，导致计算机辅助装调失效。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种离轴四反镜头的初装定位方法，在离轴四反镜头初装阶段对光轴、离轴角、离轴量和镜间距有效控制，大大提高了光学***初装定位精度，为下一步计算机辅助精密装调创造条件。

本发明的技术解决方案：一种离轴四反镜头的初装定位方法，所述的离轴四反镜头包括主反射镜、次反射镜、第三反射镜、平面反射镜，其中主反射镜和第三反射镜为离轴非球面反射镜；步骤如下：

1)利用第一干涉仪、零位补偿器将主反射镜的光轴方向引出；设光束入射面为主反射镜正面，利用两台经纬仪交会对接测量获得主反射镜的光轴方向与主反射镜背面法线方向的夹角α；

2)利用第一干涉仪、零位补偿器将第三反射镜的光轴方向引出；设光束入射面为第三反射镜正面，利用两台经纬仪交会对接测量获得第三反射镜的光轴方向与第三反射镜背面法线方向的夹角β；

3)由离轴四反镜头的光学设计数据计算并制作四根长杆，长杆材料选取低膨胀系数的石英玻璃，四根长杆的四个端头均制成球头型，四个球头位置分别代表入射视场中心位置、主反射镜的镜面中心位置、次反射镜的镜面中心位置和第三反射镜的镜面中心位置；

4)将四根长杆置于调整支架上，调整入射视场中心点和次反射镜中心点的高度，确定中心视场的弧矢面，次反射镜作为基准，依次调整主反射镜和第三反射镜，直至各反射镜镜面中心接触长杆球头；

5)设光束入射面为主反射镜正面，架设两台经纬仪交会对接测量获得第二干涉仪标准平面镜和主反射镜背面法线方向的夹角α₁，调整主反射镜使得α₁与步骤1)中的α一致；

6)设光束入射面为第三反射镜正面，架设两台经纬仪交会对接测量获得第二干涉仪标准平面镜和第三反射镜背面法线方向的夹角β₁，调整第三反射镜使得β₁与步骤2)中的β一致；

7)第二干涉仪发出的平行光经过离轴四反镜头的主反射镜、次反射镜、第三反射镜、平面反射镜后，汇聚到标准球面镜后返回并在第二干涉仪形成干涉条纹，完成离轴四反的初装定位。

步骤1)中光轴方向引出的具体方法为：将第一干涉仪、零位补偿器以及主反射镜从左至右依次放置，第一干涉仪出射的平面波经过零位补偿器变成非球面波，非球面波被主反射镜反射后按照原路返回，再经过零位补偿器后回到第一干涉仪，调整零位补偿器和主反射镜的位置，直至第一干涉仪测量得到的数值与主反射镜的面形参数值相等，固定零位补偿器和主反射镜的位置，此时主反射镜的光轴与第一干涉仪出射光方向平行。

步骤2)中光轴方向引出的具体方法为：将第一干涉仪、零位补偿器以及第三反射镜从左至右依次放置，第一干涉仪出射的平面波经过零位补偿器变成非球面波，非球面波被第三反射镜反射后按照原路返回，再经过零位补偿器后回到第一干涉仪，调整零位补偿器和第三反射镜的位置，直至第一干涉仪测量得到的数值与第三反射镜的面形参数值相等，固定零位补偿器和第三反射镜的位置，此时第三反射镜的光轴与第一干涉仪出射光方向平行。

本发明与现有技术相比的积极效果是：由于离轴四反镜头零部件成型后本身就没有物理上的对称性，虚拟顶点给各镜空间位置调整带来困难。因此，在离轴四反镜头光学***进行计算机辅助装调前提出利用四杆定位和多台经纬仪组网方法来调整各反射镜在主体框中的空间位置，从而使得大口径离轴四反镜头的初装定位过程在理论指导下可视、定量、有序地完成，实现了对镜间距、光轴方向和离轴量的控制与精确调整，提高了离轴四反镜头中各反射镜空间位置摆放的定位精度，使得高精度干涉仪能够精确检测光学***像质为计算机辅助装调算法建立一个合理的起始点，从而有效地提高了装调效率。同时，该方案也适应于所有离轴四反镜头的初装定位。

附图说明

图1为离轴非球面零位补偿器光轴外引示意图；

图2为四杆定位和光轴调整示意图。

具体实施方式

本发明一种离轴四反镜头的初装定位方法，所述的离轴四反镜头包括主反射镜4、次反射镜5、第三反射镜6、平面反射镜7，其中主反射镜4和第三反射镜6为离轴非球面反射镜3；下面结合图1-图2对本发明的离轴四反镜头初装定位的具体实施方式作详细说明：

干涉仪1发出一束平面波经过零位补偿器2变成所需的非球面波，非球面波被离轴非球面反射镜反射后按照原路返回，经过零位补偿器回到干涉仪。如图1所示，补偿器与干涉仪的光路调节至严格平行(精度可控在10″以内)，反复调节离轴非球面反射镜的方位直到测量得到的数值与离轴非球面反射镜的面形参数值相等，此时离轴非球面反射镜的主光轴与补偿器、干涉仪的光轴重合。两台经纬仪交会对接测试将离轴非球面反射镜光轴方向引到反射镜背面基准面。由于补偿器自身装配精度、检测光路调整误差和交会测量误差等引起光轴引出精度约为1′。

1)利用第一干涉仪1、零位补偿器2将主反射镜6的光轴方向引出；设光束入射面为主反射镜4正面，利用两台经纬仪交会对接测量获得主反射镜4的光轴方向与主反射镜4背面法线方向的夹角α，

2)利用第一干涉仪1、零位补偿器2将第三反射镜6的光轴方向引出；设光束入射面为第三反射镜6正面，利用两台经纬仪(T1、T2)交会对接测量获得第三反射镜6的光轴方向与第三反射镜6背面法线方向的夹角β；

3)主体框放置于二维调整台10上，次反射镜5安装在主体框上作为基准，两台经纬仪交会测量第二干涉仪标准平面8与次反射镜5之间的夹角,通过旋转调整台10使得两者之间夹角为Φ，从而将光轴外引至标准平面反射镜8。

4)选取四根长杆的四个端点(A、B、C、D)分别代表入射视场、主反射镜4、次反射镜5和第三反射镜6的镜面中心位置。根据光学***数据导入PRE结构设计软件，由各反射镜镜面中心位置计算得到四杆的理论长度和角度，材料为低膨胀系数的石英玻璃，两端制成球头。

5)如图2所示，将四杆置于调整支架上，设第二干涉仪光束入射面为主反射镜6正面，激光器11发出一束激光经端点A和端点B，调整四杆使得AB连线与第二干涉仪标准平面镜法线方向平行，然后，调整入射视场中心点A和次反射镜5中心点C的高度一致，从而确定中心视场的弧矢面，依次调整主反射镜4、次反射镜5和第三反射镜6，直至接触位置B、C、D。

6)架设三台经纬仪(T3、T4、T5)分别自准主反射镜背面、第三反射镜背面和干涉仪标准平面反射镜，调整主反射镜4和第三反射镜6倾斜和俯仰使得各镜光轴方向与***光轴方向重合。设光束入射面为主反射镜4正面，架设两台经纬仪(T4、T5)交会对接测量获得第二干涉仪标准平面镜8和主反射镜4背面法线方向的夹角α₁，调整主反射镜4使得α₁与步骤1中的α一致；架设两台经纬仪(T3、T5)交会对接测量获得第二干涉仪标准平面镜8和第三反射镜6背面法线方向的夹角β₁，调整第三反射镜6使得β₁与步骤2)中的β一致；

7)采用自准干涉测量***实时检测离轴四反镜头的波像差，如图2所示，第二干涉仪8发出平行光经过离轴四反镜头主反射镜4、次反射镜5、第三反射镜6和平面反射镜7，汇聚到标准球面镜9原路返回形成干涉条纹，高精度干涉仪测得初装定位后***像差的均方根值(RMS值)为0.263λ(λ＝632.8nm)，然后经过四次计算机辅助装调各视场像质满足要求。实践证明该方案具有很高的定位精度使得调整收敛速度很快，有效地提高了装调效率，缩短了装调周期。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种离轴四反镜头的初装定位方法，所述的离轴四反镜头包括主反射镜(4)、次反射镜(5)、第三反射镜(6)、平面反射镜(7)，其中主反射镜(4)和第三反射镜(6)为离轴非球面反射镜(3)；其特征在于包括下列步骤：

1)利用第一干涉仪(1)、零位补偿器(2)将主反射镜(4)的光轴方向引出；设光束入射面为主反射镜(4)正面，利用两台经纬仪交会对接测量获得主反射镜(4)的光轴方向与主反射镜(4)背面法线方向的夹角α；

2)利用第一干涉仪(1)、零位补偿器(2)将第三反射镜(6)的光轴方向引出；设光束入射面为第三反射镜(6)正面，利用两台经纬仪交会对接测量获得第三反射镜(6)的光轴方向与第三反射镜(6)背面法线方向的夹角β；

3)由离轴四反镜头的光学设计数据计算并制作四根长杆，长杆材料选取低膨胀系数的石英玻璃，四根长杆的四个端头均制成球头型，四个球头位置分别代表入射视场中心位置、主反射镜(4)的镜面中心位置、次反射镜(5)的镜面中心位置和第三反射镜(6)的镜面中心位置；

4)将四根长杆置于调整支架上，调整入射视场中心点和次反射镜(5)中心点的高度，确定中心视场的弧矢面，次反射镜(5)作为基准，依次调整主反射镜(4)和第三反射镜(6)，直至各反射镜镜面中心接触长杆球头；

5)设光束入射面为主反射镜(4)正面，架设两台经纬仪交会对接测量获得第二干涉仪标准平面镜(8)和主反射镜(4)背面法线方向的夹角α₁，调整主反射镜(4)使得α₁与步骤1)中的α一致；

6)设光束入射面为第三反射镜(6)正面，架设两台经纬仪交会对接测量获得第二干涉仪标准平面镜(8)和第三反射镜(6)背面法线方向的夹角β₁，调整第三反射镜(6)使得β₁与步骤2)中的β一致；

7)第二干涉仪(8)发出的平行光经过离轴四反镜头的主反射镜(4)、次反射镜(5)、第三反射镜(6)、平面反射镜(7)后，汇聚到标准球面镜(9)后返回并在第二干涉仪(8)形成干涉条纹，完成离轴四反的初装定位。

2.根据权利要求1所述的一种离轴四反镜头的初装定位的方法，其特征在于：步骤1)中光轴方向引出的具体方法为：将第一干涉仪(1)、零位补偿器(2)以及主反射镜(4)从左至右依次放置，第一干涉仪(1)出射的平面波经过零位补偿器(2)变成非球面波，非球面波被主反射镜(4)反射后按照原路返回，再经过零位补偿器(2)后回到第一干涉仪(1)，调整零位补偿器(2)和主反射镜(4)的位置，直至第一干涉仪(1)测量得到的数值与主反射镜(4)的面形参数值相等，固定零位补偿器(2)和主反射镜(4)的位置，此时主反射镜(4)的光轴与第一干涉仪(1)出射光方向平行。

3.根据权利要求1所述的一种离轴四反镜头的初装定位的方法，其特征在于：步骤2)中光轴方向引出的具体方法为：将第一干涉仪(1)、零位补偿器(2)以及第三反射镜(6)从左至右依次放置，第一干涉仪(1)出射的平面波经过零位补偿器(2)变成非球面波，非球面波被第三反射镜(6)反射后按照原路返回，再经过零位补偿器(2)后回到第一干涉仪(1)，调整零位补偿器(2)和第三反射镜(6)的位置，直至第一干涉仪(1)测量得到的数值与第三反射镜(6)的面形参数值相等，固定零位补偿器(2)和第三反射镜(6)的位置，此时第三反射镜(6)的光轴与第一干涉仪(1)出射光方向平行。