CN105784335A - 一种标定基准镜法线方向的辅助光校装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种标定基准镜法线方向的辅助光校装置及方法，特别适用于辅助基准镜法线方向标定、光学仪器的光轴监测等领域。该发明基于角锥棱镜的自准直功能，利用分光镜(Beam Splitter)的分光功能将两束激光调节至互成180度,利用两束光互成180度的特点,其中一束光经过分光镜后直接出射，另一束光经过分光镜、基准镜反射后再次经过分光镜出射，通过调节基准镜的方向使得两束出射光的光轴重合，则该出射光的方向即为基准镜法线方向。本发明装置结构简单、成本低廉、标定方法简单。

Description

一种标定基准镜法线方向的辅助光校装置及方法
技术领域
本发明涉及一种标定基准镜法线方向的辅助光校装置及方法，特别适用于基准镜法线的标定、光学仪器的光轴监测等领域。
背景技术
对光学仪器来说，光轴配准度是仪器的关键技术指标之一，光轴的变化将直接影响到***的探测水平，而随着各种光学仪器应用范围的扩大和应用需求的提高，对光学仪器的稳定性、光轴配准精度的要求也越来越高，也对光学仪器的地面定标及性能测试提出了更高的要求。为了监测光学仪器的稳定性，一般需要建立一个基准方位或坐标系，判断光学仪器的光轴与基准镜方位之间的变化来确定光轴是否发生变化，而光学基准镜正好符合这一要求；光学基准镜一般是指利用光学反射面法线来代表某一特定方位的高精度光学装置，而且光学基准镜还可以3个相互垂直面来建立三维的方向坐标系。光学基准镜可以广泛应用于高精度的光学仪器设备的生产、试验及标定，光学基准镜主要由立方棱镜(表面镀金属反射膜)及安装基座组成，立方棱镜反射面提供高精度的光学反射法线，安装基座为立方棱镜提供安装基准，并保证立方棱镜可以稳定的安装于被检光学设备上。
立方棱镜法线的标定、法线与光学仪器之间的光轴关系均需要精确标定，而本发明提供了一种标定基准镜法线方向的辅助光校装置及方法，基于角锥棱镜的自准直功能，即任意进入角锥棱镜通光孔径内的入射光线高效的按方向返回，再利用分光镜(BeamSplitter)的分光功能将两束激光调节至互成180°,利用两束光互成180°的特点,其中一束光经过分光镜后直接出射，另一束光分光镜、基准镜反射后再次经过分光镜出射，通过调节基准镜的方向使得两束出射光光轴重合，则该出射光的方向即为基准镜法线方向。该发明适应了辅助基准镜法线方向标定及光学仪器的光轴监测。
发明内容
本发明的目的是提供一种标定基准镜法线方向的辅助光校装置及方法，该发明装置的使用，可以满足基准镜法线方向的标定，将基准镜的法线方向转移至激光的发射方向，从而与光学仪器之间的光轴进行配准并测试，以基准镜法线方向为基准来监测光学仪器变化情况。该发明的特点主要体现在：1)结构简单，可随时测试辅助装置的状态，测试方法简单；2)可具备辅助主、被动光学仪器的光轴装校、监测。
本发明装置装校光路如附图1所示，该装置的装校过程如下：
第一单模光纤1、第二单模光纤2分别引入激光光源，第一单模光纤1引入光经第一准直镜3准直出射，再经过分光镜5反射后进入平行光管7并在焦面光束分析仪8上成像，记录成像点位置；第二单模光纤2引入光经第二准直镜4准直出射，再经过分光镜5反射、角锥棱镜6沿原光路返回后进入平行光管7并在焦面光束分析仪8上成像，调节第二准直镜4使得两束光的成像点重合，完成该装置的装校。撤掉角锥棱镜6，最终第一单模光纤1、第二单模光纤2引入光的出射方向成180度，并用来对辅助基准镜法线方向标定或对光学仪器的光轴监测。该发明装置最终由第一单模光纤1、第二单模光纤2、第一准直镜3和第二准直镜4、分光镜5共同组成。
本发明装置可以辅助基准镜法线方向的标定，将基准镜的法线方向转移至激光的发射方向，辅助基准镜法线方向与光学仪器光轴之间配准调节，该方法由以下步骤组成：
1、辅助光校装置自检
如附图1所示，第一单模光纤1、第二单模光纤2分别引入指定的激光光源，其中第一单模光纤1引入光经第一准直镜3、分光镜5反射，第二单模光纤2引入光经第二准直镜4、分光镜5反射、角锥棱镜6转向、分光镜5透射后，两束光一同经过平行光管7会聚于焦面处光束分析仪8上，检测两束激光最终在光束分析仪上成像光斑是否重合，确认重合后完成辅助光校装置自检，拆掉角锥棱镜6；
2、基准光方向调节
如附图2所示，将角锥棱镜6换成基准镜9，通过第一单模光纤1引入指定的激光作为基准光源，该基准光经第一准直镜3准直出射，再经过分光镜5反射后进入平行光管7并在焦面光束分析仪8上成像，记录成像点位置；
3、基准镜法线方向标定
如附图2所示，第二单模光纤2引入指定的激光光源，引入光经第二准直镜4准直出射，再经过分光镜5反射、基准镜9反射后进入平行光管7内，基准镜9的方位、俯仰角度使得光束成像于光束分析仪8上，精调至两束光的成像光斑重合，记录该光斑位置，此时两束出射光的方向均代表基准镜9的法线方向；
4、基准镜法线方向与被测设备光轴同轴度装校及测试
完成以上步骤后，可以进行基准镜与被测设备10之间同轴度的装校，此时需要分为两种情况：
当被测设备10为主动发射***时，后续步骤如下：直接调节被测***10的方位、俯仰角度，使得发射光经过平行光管7会聚后成像于光束分析仪8上，继续精调至成像光斑与步骤2、3光斑位置重合，此时被测设备10的出射光方向即与基准镜9的法线方向重合；
当被测设备10为被动接收***时，后续步骤如下：固定基准镜9，将辅助光校装置放置于被测设备10前；第一单模光纤1入指定的激光光源，引入光经第一准直镜3准直出射，再经过分光镜5反射后进入平行光管7并在焦面光束分析仪8上成像，调节辅助光校装置使得出射光成像光斑位置调节与步骤1位置相同，固定辅助光校装置；第二单模光纤2引入激光经第二准直镜4准直出射，再经过分光镜5反射后经过被测设备10接收，调节被测设备10使得接收光轴与第二单模光纤2引入光光轴同轴，此时接收光轴与基准镜9的法线方向重合。
本发明装置不仅可以辅助基准镜法线方向的标定，还可以辅助基准镜法线方向与光学仪器光轴之间配准调节，该发明的特点主要体现在：
1)本发明装置结构简单，成本低廉；
2)本发明方法简单，基于角锥棱镜的自准直功能，利用分光镜(BeamSplitter)的分光功能将两束激光调节至互成180度,利用两束光互成180度特点来辅助收发同轴装校，且该发明装置自检方法简单有效；
3)本发明可辅助基准镜法线方向的标定，且可以将基准镜法线方向直接传递至激光出射方向，且能够同时满足基准镜法线方向与主、被动光学仪器之间光轴调节及测试。
附图说明
图1为标定基准镜法线方向的辅助光校装置装校光路示意图。
图2为基准镜法线方向与光学仪器光轴之间配准光路示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明方法的实施实例进行详细的描述。
本发明中所采用的主要器件描述如下：
1)第一单模光纤1、第二单模光纤2：采用Thorlabs公司型号为SM600的单模光纤，其主要性能参数：工作波段为600-800nm；光纤模场直径为4.6um680nm，包层芯径125±1um，截至波长为550±50nm；
2)第一准直镜3、第二准直镜4：采用Thorlabs公司型号为352280-B的准直镜，其主要性能参数：工作波段为600-1050nm；焦距为18.4mm，口径6.5mm；透射材料为ECO550；
3)分光镜5：采用Thorlabs公司型号为BS017的非偏振分光棱镜，其主要性能参数：工作波段为700-1100nm；分光比为1：1，通光口径为20mm；
4)角锥棱镜6：采用Thorlabs公司型号为PS971的角锥棱镜，其主要性能参数：透光面表面面型优于λ/10632.8nm；回转精度小于3″，通光口径为25.4mm；
5)平行光管7：采用定制的反射式平行光管，其主要性能参数：平行光管焦距为5m，反射抛物面面型优于λ/20632.8nm；
6)光束分析仪8：采用美国Spiricon公司型号为SP620的光束分析仪，其主要性能参数：工作波段190nm-1100nm，像素大小4.4um*4.4um，像素个数1600*1200；
7)基准镜9：采用定制的基准镜，其主要性能参数：基准面表面面型优于λ/10632.8nm，表面镀银膜，基准面通光口径为15mm。
本发明装置自身的装校示意图如图1所示，具体步骤如下：
1、第一单模光纤1与第一准直镜3组合调节：第一单模光纤1的一端引入指定的激光光源，光纤另一端与第一准直镜3对接，激光光源经过准直镜准直后经过平行光管7会聚于焦面处光束分析仪8上，调节光纤前后位置使得成像光斑最小，固定发射端光纤位置，完成单模光纤1与准直镜3组合；
2、第二单模光纤2与第二准直镜4组合调节：调节方法与步骤1相同；
3、第一单模光纤1、第二单模光纤2分别引入激光光源，其中第一单模光纤1引入光经第一准直镜3准直出射，再经过分光镜5反射后进入平行光管7并在焦面光束分析仪8上成像，记录成像点位置；
4、第二单模光纤2引入光经第二准直镜4准直出射，再经过分光镜5反射、角锥棱镜6沿原光路返回，进入平行光管7并在焦面光束分析仪8上成像，调节第二准直镜4使该出射光与第一单模光纤1引入光的成像点重合，撤掉角锥棱镜6，最终第一单模光纤1、第二单模光纤2引入光的出射方向成180度，完成发明装置的装校。
本发明装置可以辅助基准镜法线方向的标定，将基准镜的法线方向转移至激光的发射方向，辅助基准镜法线方向与光学仪器光轴之间配准调节，该方法由以下步骤组成：
1、辅助光校装置自检
如附图2所示，第一单模光纤1、第二单模光纤2分别引入指定的激光光源，其中第一单模光纤1引入光经第一准直镜3、分光镜5反射，第二单模光纤2引入光经第二准直镜4、分光镜5反射、角锥棱镜6转向、分光镜5透射后，两束光一同经过平行光管7会聚于焦面处光束分析仪8上，检测两束激光最终在光束分析仪上成像光斑是否重合，确认重合后完成辅助光校装置自检，拆掉角锥棱镜6；
2、基准光方向调节
将角锥棱镜6换成基准镜9，通过第一单模光纤的一端引入指定的激光作为基准光源，该基准光经第一准直镜3准直出射，再经过分光镜5反射后进入平行光管7并在焦面光束分析仪8上成像，记录成像点位置；
3、基准镜法线方向辅助标定
第二单模光纤2引入指定的激光光源，引入光经第二准直镜4准直出射，再经过分光镜5反射、基准镜9反射后进入平行光管7内，基准镜9的方位、俯仰角度使得光束成像于光束分析仪8上，精调至两束光的成像光斑重合，记录该光斑位置，此时两束出射光的方向均代表基准镜9的法线方向；
4、基准镜法线方向与被测设备光轴同轴度装校及测试
完成以上步骤后固，可以进行基准镜与被测设备10之间同轴度的装校，此时需要分为两种情况：被测设备10为主动发射***；被测设备10为被动接收***。
当被测设备10为主动发射***时，直接调节被测***10的方位、俯仰角度，使得发射光经过平行光管7会聚后成像于光束分析仪8上，继续精调至成像光斑与基准光光斑位置重合，此时被测设备10的出射光方向即与基准镜9的法线方向重合；
当被测设备10为被动接收***时，后续步骤如下：固定基准镜9，将辅助光校装置放置于被测设备10前；第一单模光纤1入指定的激光光源，引入光经第一准直镜3准直出射，再经过分光镜5反射后进入平行光管7并在焦面光束分析仪8上成像，调节辅助光校装置使得出射光成像光斑位置调节与步骤1位置相同，固定辅助光校装置；第二单模光纤2引入激光经第二准直镜4准直出射，再经过分光镜5反射后经过被测设备10接收，调节被测设备10使得接收光轴与第二单模光纤2引入光光轴同轴，此时接收光轴与基准镜9的法线方向重合。

Claims (7)

1.一种标定基准镜法线方向的辅助光校装置，包括第一单模光纤(1)、第二单模光纤(2)、第一准直镜(3)、第二准直镜(4)和分光镜(5)，角锥棱镜(6)、平行光管(7)、光束分析仪(8)为辅助调节装置，其特征在于：
第一单模光纤(1)、第二单模光纤(2)分别引入激光光源，其中第一单模光纤(1)引入光经第一准直镜(3)准直出射，再经过分光镜(5)反射后进入平行光管(7)并在焦面光束分析仪(8)上成像，记录成像点位置；第二单模光纤(2)引入光经第二准直镜(4)准直出射，再经过分光镜(5)反射、角锥棱镜(6)沿原光路返回后进入平行光管(7)并在焦面光束分析仪(8)上成像，调节第二准直镜(4)使得两束光的成像点重合；撤掉角锥棱镜(6)，最终第一单模光纤(1)、第二单模光纤(2)引入光的出射方向成180度，并用来对辅助基准镜法线方向标定或对光学仪器的光轴监测。
2.根据权利要求1所述的一种标定基准镜法线方向的辅助光校装置，其特征在于：所述的第一单模光纤(1)、第二单模光纤(2)芯径与所使用激光光源波长相匹配，光纤端面处于第一准直镜(3)、第二准直镜(4)的焦面位置。
3.根据权利要求1所述的一种标定基准镜法线方向的辅助光校装置，其特征在于：所述的第一准直镜(3)、第二准直镜(4)面形偏差RMS值小于λ/10，准直镜材料的折射率误差小于2％。
4.根据权利要求1所述的一种标定基准镜法线方向的辅助光校装置，其特征在于：所述的分光镜(5)对使用波长的分光比介于4：6与6：4之间，各通光面面形偏差RMS值小于λ/10632.8nm。
5.根据权利要求1所述的一种标定基准镜法线方向的辅助光校装置，其特征在于：所述的角锥棱镜(6)的回转精度小于3″。
6.根据权利要求1所述的一种标定基准镜法线方向的辅助光校装置，其特征在于：所述的基准镜(9)基准面面形偏差RMS值小于λ/10，基准面镀金属膜。
7.一种基于权利要求1所述的一种标定基准镜法线方向的辅助光校装置的基准镜法线方向的辅助光校方法，其特征在于方法步骤如下：
1)辅助光校装置自检：通过第一单模光纤(1)、第二单模光纤(2)分别引入指定的激光光源，其中第一单模光纤(1)引入光经第一准直镜(3)准直、分光镜(5)反射，第二单模光纤(2)引入光经第二准直镜(4)准直、分光镜(5)反射、角锥棱镜(6)转向、分光镜(5)透射后，两束光一同经过平行光管(7)会聚于焦面处光束分析仪(8)上，检测两束激光最终在光束分析仪上成像光斑是否重合，确认重合后完成辅助光校装置自检，拆掉角锥棱镜(6)；
2)基准光方向调节：将角锥棱镜(6)换成基准镜(9)，通过第一单模光纤引入指定的激光作为基准光源，该基准光经第一准直镜(3)准直出射，再经过分光镜(5)反射后进入平行光管(7)并在焦面光束分析仪(8)上成像，记录成像点位置；
3)基准镜法线方向标定:第二单模光纤(2)引入指定的激光光源，引入光经第二准直镜(4)准直出射，再经过分光镜(5)反射、基准镜(9)反射后进入平行光管(7)内，调节基准镜(9)的方位、俯仰角度使得该成像在光束分析仪(8)上成像点与第一单模光纤(1)引入光成像点重合，记录该光斑位置，此时两束出射光的方向均代表基准镜(9)的法线方向；
4)基准镜法线方向与被测设备光轴同轴度装校及测试：完成以上步骤后，可以进行基准镜(9)法线方向与被测设备(10)光轴同轴度的调节，此时需分为两种情况：
第一种：当被测设备(10)为主动发射***时，后续步骤如下：直接调节被测***(10)的方位、俯仰角度，使得被测***(10)的发射光经过平行光管(7)会聚后成像于光束分析仪(8)上，精调至成像光斑与第一单模光纤(1)引入光的光斑位置重合，此时被测设备(10)的出射光方向即与基准镜(9)的法线方向重合；
第二种：当被测设备(10)为被动接收***时，后续步骤如下：固定基准镜(9)，将辅助光校装置放置于被测设备(10)前；第一单模光纤(1)入指定的激光光源，引入光经第一准直镜(3)准直出射，再经过分光镜(5)反射后进入平行光管(7)并在焦面光束分析仪(8)上成像，调节辅助光校装置使得出射光成像光斑位置调节基准光的成像点位置相同，固定辅助光校装置；第二单模光纤(2)引入激光经第二准直镜4准直出射，再经过分光镜5反射后经过被测设备(10)接收，调节被测设备(10)使得接收光轴与第二单模光纤(2)引入光光轴同轴，此时接收光轴与基准镜(9)的法线方向重合。
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