CN111982473A - 一种检测和调整球面反射镜共球心的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种检测和调整球面反射镜共球心的方法和装置,点光源经准直透镜成为平行光,被偏振分光棱镜分成两束振动方向垂直的反射光S和透射光P;透射光经45°旋光晶片后表面反射,再次经过旋光晶片后,被偏振分光棱镜全部反射进入探测器作为参考光;45°旋光晶片的透射光经聚焦透镜聚焦成为点光源,发出的球面波经球面反射镜反射后沿原光路返回,再次经过旋光片后被偏振分光棱镜全部反射进入接收器作为测试光与参考光发生干涉,通过干涉图样以及干涉图样的波前信息判断球面反射镜是否共球心。本发明采用干涉图样和波前信息综合检测,提高了球面反射镜共球心的精度,且对球面反射镜口径大小以及是否具有相同的曲率半径没有要求,具有较高的普适性。
Description
技术领域
本发明属于光学检测和光学元件装调领域,具体是针对调整两个或多个、曲率半径相同或不同的球面反射镜共球心的方法,主要应用于同心光学***的装调。
背景技术
光学检测和光学元件的装调领域经常需要调整光学元件共心,比如光谱仪的装调,特别是以Offner结构和Dyson结构两种典型的同心结构为基础的光谱仪,需要调整相同或不同曲率半径的球面反射镜共球心。这需要一种普适性且检测精度高的方法。
发明内容
本发明技术的解决问题:克服现有技术的不足,提供一种普适性的调整相同或不同曲率半径的球面反射镜共球心的检测和装调方法,解决了用观测牛顿环的方法只能得到镜面拼接处局部共相信息的不足,同时采用旋转偏振光偏振方向的方法减少多余能量损失,增大了光能利用率。
为实现上述技术目的,本发明采用如下技术方案:一种检测球面反射镜共球心的方法,其特征在于:包括如下步骤:
1)将点光源发出的球面波经准直透镜成为平行光;
2)采用偏振分光棱镜PBS将平行光分成振动方向互相垂直的S光和P光;
3)透射的P光经45°旋光晶片的出射面分为透射光和反射光;所述45°旋光晶片的出射面镀有半透半反膜;
所述反射光再次经过45°旋光晶片后,振动方向与PBS透射方向垂直,被PBS全部反射,经十字分划板后进入接收器,作为参考光;
所述透射光经聚焦透镜聚焦在光阑的中心,形成发散的球面波;将待测球面反射镜置于光阑后的发散光束中;
4)球面波经待测球面反射镜反射后,沿原光路返回,经45°旋光晶片后,振动方向与PBS透射方向垂直,被PBS全部反射,经十字分划板后进入接收器,作为测试光与步骤3)中的参考光发生干涉;
5)通过步骤4)中的干涉图样,以及干涉图样的波前信息,判断球面反射镜的共心情况。
本发明的方法适用于检测和调整相同或不同曲率半径的球面反射镜共球心。
作为本发明的进一步改进,所述步骤1)中,将激光光源耦合进光纤后,出射光经聚焦透镜聚焦在针孔上,经针孔出射的光作为所述点光源。将激光光源耦合进光纤后出射的光近似点光源,经聚焦透镜聚焦、针孔滤波后,出射光可以视为理想点光源。
作为本发明的进一步改进,采用CCD对干涉图像成像,采用波前传感器探测干涉图样波前信息。
作为本发明的进一步改进,所述方法还包括5.1)基于球面反射镜的共心判断结果将不同曲率半径的球面反射镜调整为共球心,包括:
5.10)将其他球面反射镜遮挡,保留一个球面反射镜,即第一球面反射镜;
5.11)粗调第一球面反射镜,将第一球面反射镜反射在光阑上的光斑调整到较小;
5.12)微调第一球面反射镜,使反射光斑与光阑中心逐步靠近,并调整光斑大小为最小;
5.13)微调第一球面反射镜,使反射光斑与光阑中心重合,在CCD接收器中找到干涉图样;
5.14)微调第一球面反射镜,使测试光与参考光的十字分划板的像重合;
5.15)将CCD接收器置换成波前传感器,并将波前传感器的掩膜限制在干涉区域;
5.16)微调第一球面反射镜的姿态,保持十字分划板的像重合的情况下,使得波前传感器探测到的离焦量为最小,此时第一球面反射镜即是以光阑中心为球心的状态;
5.17)将第一球面反射镜遮挡,对其他球面反射镜依次重复步骤5.11)~5.16)的处理,即将曲率半径不同的球面反射镜调整为共同以光阑中心为球心的状态。
作为本发明的进一步改进,所述方法还包括5.2)基于球面反射镜的共心判断结果将同曲率半径的球面反射镜调整为共球心,包括:
5.20)将其他球面反射镜遮挡,保留一个球面反射镜,即第一球面反射镜;
5.21)粗调第一球面反射镜,将第一球面反射镜反射在光阑上的光斑调整到较小;
5.22)微调第一球面反射镜,使反射光斑与光阑中心逐步靠近,并调整光斑大小为最小;
5.23)微调第一球面反射镜,使反射光斑与光阑中心重合,在CCD接收器中找到干涉图样;
5.24)微调第一球面反射镜,使测试光与参考光的十字分划板的像重合,且第一球面反射镜边界与参考光的十字分划板的像的竖线重合;
5.25)将第二球面反射镜放置于第一球面反射镜的对称位置,微调第二球面反射镜,使得其反射光斑与光阑中心重合;
5.26)微调第二球面反射镜,在CCD接收器上观察到干涉图样;
5.27)微调第二球面反射镜,使其十字分划板的像与参考光十字分划板的像重合,且第二球面反射镜的像的边界与第一球面反射镜的像的边界重合;
5.28)将CCD接收器置换成波前传感器,并将其掩膜限制在两块球面反射镜的区域;
5.29)保持第一球面反射镜和第二球面反射镜的边界以及各自十字分划板的像与参考光的十字分划板的像重合的情况下,微调第一球面反射镜和第二球面反射镜,使得波前的离焦成分最小,此时第一球面反射镜和第二球面反射镜共球心且共相位。
进一步的,当待测球面反射镜大于两个时,对其他反射镜依次重复5.25)~5.29)中对第二球面反射镜的处理方式,实现多个同曲率半径的球面反射镜的共球心调整。
本发明的另一目的在于提供一种检测和调整球面反射镜共球心装置包括点光源和在光源传播方向的光轴上依次设置的准直透镜、偏振分光棱镜、出射面镀有半透半反膜的45°旋光晶片、聚焦透镜和光阑;
旋光晶片反射光出射的方向上依次设有光十字分划板和接收器;
将待测球面反射镜置于光阑后的发散光束中,使光阑出射的光经待测球面反射镜反射后沿原光路返回。
作为本发明的进一步改进,所述点光源由激光光源、聚焦透镜和针孔形成;在激光光源传播方向的光轴上依次设置聚焦透镜和针孔,经针孔的出射光作为所述点光源。
进一步的,所述激光光源发射的激光耦合进光纤后出射;出射光进入聚焦透镜。
作为本发明的进一步改进,所述接收器为CCD或波前传感器。
本发明与现有技术相比的优点在于:
1)本发明解决了传统方法适用性低的缺点,既能应用于拼接镜面等相同曲率半径的球面反射镜的共球心调整与检测,也适用于光谱仪中不同曲率半径的球面反射镜的共球心调整与检测;
2)本发明采用旋转偏振光偏振方向与偏振分光棱镜透射方向垂直的方法,使得返回的光波不能通过偏振分光棱镜,增加了光能利用率,减少了对光源的污染;
3)本发明可以检测和调整每个镜面的姿态以及拼接镜面的整体共相情况,相比观测镜面拼接处牛顿环只能得到局部信息,具有较大优越性。
附图说明
图1:本发明中球面反射镜共球心的检测和调整光路装置示意图。
图2:两块曲率半径不同的圆形球面反射镜在CCD接收器上的理想干涉图样。
图3:两块曲率半径相同的六边形球面反射镜在CCD接收器上的理想干涉图样。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本实施例具体说明本发明的装置结构图。
如图1所示的装置,包括激光光源1和在光源传播方向的光轴上依次设置的聚焦透镜2、针孔3、准直透镜4、偏振分光棱镜(PBS)5、出射面镀有半透半反膜的45°旋光晶片6、聚焦透镜7和光阑8;旋光晶片6反射光出射的方向上依次设有光十字分划板11和接收器12;将待测球面反射镜置于光阑8后的发散光束中,使光阑8出射的光经待测球面反射镜反射后沿原光路返回。本发明中,激光光源1发射的激光耦合进光纤后出射;出射光进入聚焦透镜,经针孔3滤波后可近似看做理想点光源,所述接收器12为CCD或波前传感器。
实施例2
本实施例具体说明基于上述装置的球面反射镜共球心检测方法。包括:
1)激光光源1发出的激光耦合进光纤后,在光纤另一端出射,经聚焦透镜2成像在针孔3上,经针孔3滤波后可以近似看作理想点光源;理想点光源发出的球面波经准直透镜4后成为平行光;
2)平行光被PBS5分为S和P两束振动方向垂直的线偏振光,本发明中应用的是P透射光(可以选用线偏振度较好的激光器,使得大部分光透过PBS5,提高光能利用率);
3)P光经过第二面镀有半透半反膜的45°旋光片6后,偏振方向旋转45°并在旋光片6的第二面分为透射光和反射光;
其中反射光经过旋光片后,又旋转了45°,偏振方向与PBS5的透光方向垂直,被全部反射并经十字分划板11后进入接收器12,作为干涉参考光;
透射光经聚焦透镜7聚焦在光阑8的中心,成为球面波;将待测球面反射镜置于光阑后的发散光束中;
4)球面波经球面反射镜反射后沿原光路返回,在经过旋光片6后振动方向与PBS5的透射方向垂直,被PBS5全部反射并经十字分划板11后进入接收器12,作为测试光;测试光与参考光干涉,通过干涉图样判断球面反射镜的姿态。
实施例3
本实施例以两个不同曲率半径的球面反射镜为例,说明基于本发明的检测方法和装置实现共球心调整的步骤,如下:
1)将球面反射镜9置于光阑8以后的发散光束中,通过其反射在光阑8上光斑判断位置关系,对球面反射镜9的位置进行粗调,将反射光斑调整到较小;
2)微调球面反射镜9的位置与姿态,将其反射光斑与光阑8中心逐步靠近,并调整光斑大小为最小;
3)微调球面反射镜9的位置与姿态,将其反射光斑与光阑8中心重合,在接收器12(CCD)中找到干涉图样;
4)微调球面反射镜9的位置与姿态,使得测试光与参考光的十字分划板的像重合;
5)将接收器12(CCD)置换成波前传感器,并将波前传感器的MASK(掩膜)限制在干涉区域;
6)微调球面反射镜9 的位置与姿态,保持十字分划板的像重合的情况下,使得波前传感器探测到的离焦量为最小,此时球面反射镜9即是以光阑8中心为球心的状态;
7)将球面反射镜9遮挡,并将不同曲率半径的球面反射镜10放置于光阑8以后的发散光路中,重复步骤1-6,即可将两个曲率半径不同的球面反射镜9和10调整为共同以光阑8中心为球心的状态,如图2所示。
当待测球面反射镜多于两个时,重复步骤1)-6)依次对其他待测球面反射镜进行调整。
实施例4
本实施例以两个相同曲率的球面反射镜为例(如图3中两个正六边形拼接球面反射镜),说明基于本发明的检测方法和装置实现共球心调整的步骤,如下:
1)将球面反射镜9置于光阑8以后的发散光束的一侧并靠近中心位置,通过其反射在光阑8上光斑判断位置关系,对球面反射镜9的位置进行粗调,将反射光斑调整到较小;
2)微调球面反射镜9,将其反射光斑与光阑8中心逐步靠近,并调整光斑大小为最小;
3)微调球面反射镜9,将其反射光斑与光阑8中心重合,在接收器12(CCD)中找到干涉图样;
4)微调球面反射镜9,使得测试光与参考光的十字分划板的像重合,并且球面反射镜边界与参考光的十字分划板的像的竖线重合;
5)将球面反射镜10放置于球面反射镜9的对称位置,微调球面反射镜10,使得其反射光斑与光阑8中心重合;
6)微调球面反射镜10,在接收器12(CCD)上观察到干涉图样;
7)微调球面反射镜10,使得其中十字分划板的像与参考光十字分划板的像重合,并且球面反射镜10的像的边界与球面反射镜9的像的边界重合,此时接收器12(CCD)中干涉图样如图3所示;
8)将接收器12(CCD)置换成波前传感器,并将其MASK限制在两块球面反射镜的区域;
9)保持球面反射镜9和10的边界以及各自十字分划板的像与参考光的十字分划板的像重合的情况下,微调球面反射镜9和10,使得波前的离焦成分最小;此时球面反射镜9和10即是以光阑8的中心为共球心且共相位的状态。
当待测球面反射镜多于两个时,重复步骤6)-9)中针对球面反射镜10的调整方法依次对其他待测球面反射镜进行调整。
Claims (10)
1.一种检测球面反射镜共球心的方法,其特征在于:包括如下步骤:
1)将点光源发出的球面波经准直透镜成为平行光;
2)采用偏振分光棱镜PBS将平行光分成振动方向互相垂直的S光和P光;
3)透射的P光经45°旋光晶片的出射面分为透射光和反射光;所述45°旋光晶片的出射面镀有半透半反膜;
所述反射光再次经过45°旋光晶片后,振动方向与PBS透射方向垂直,被PBS全部反射,经十字分划板后进入接收器,作为参考光;
所述透射光经聚焦透镜聚焦在光阑的中心,形成发散的球面波;将待测球面反射镜置于光阑后的发散光束中;
4)球面波经待测球面反射镜反射后,沿原光路返回,经45°旋光晶片后,振动方向与PBS透射方向垂直,被PBS全部反射,经十字分划板后进入接收器,作为测试光与步骤3)中的参考光发生干涉;
5)通过步骤4)中的干涉图样,以及干涉图样的波前信息,判断球面反射镜的共心情况。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:所述步骤1)中,将激光光源耦合进光纤后,出射光经聚焦透镜聚焦在针孔上,经针孔出射的光作为所述点光源。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:采用CCD对干涉图像成像,采用波前传感器探测干涉图样波前信息。
4.根据权利要求1~3任一项所述的方法,其特征在于:还包括5.1)基于球面反射镜的共心判断结果将不同曲率半径的球面反射镜调整为共球心,包括:
5.10)将其他球面反射镜遮挡,保留一个球面反射镜,即第一球面反射镜;
5.11)粗调第一球面反射镜,将第一球面反射镜反射在光阑上的光斑调整到较小;
5.12)微调第一球面反射镜,使反射光斑与光阑中心逐步靠近,并调整光斑大小为最小;
5.13)微调第一球面反射镜,使反射光斑与光阑中心重合,在CCD接收器中找到干涉图样;
5.14)微调第一球面反射镜,使测试光与参考光的十字分划板的像重合;
5.15)将CCD接收器置换成波前传感器,并将波前传感器的掩膜限制在干涉区域;
5.16)微调第一球面反射镜的姿态,保持十字分划板的像重合的情况下,使得波前传感器探测到的离焦量为最小,此时第一球面反射镜即是以光阑中心为球心的状态;
5.17)将第一球面反射镜遮挡,对其他球面反射镜依次重复步骤5.11)~5.16)的处理,即将曲率半径不同的球面反射镜调整为共同以光阑中心为球心的状态。
5.根据权利要求1~3任一项所述的方法,其特征在于:还包括5.2)基于球面反射镜的共心判断结果将同曲率半径的球面反射镜调整为共球心,包括:
5.20)将其他球面反射镜遮挡,保留一个球面反射镜,即第一球面反射镜;
5.21)粗调第一球面反射镜,将第一球面反射镜反射在光阑上的光斑调整到较小;
5.22)微调第一球面反射镜,使反射光斑与光阑中心逐步靠近,并调整光斑大小为最小;
5.23)微调第一球面反射镜,使反射光斑与光阑中心重合,在CCD接收器中找到干涉图样;
5.24)微调第一球面反射镜,使测试光与参考光的十字分划板的像重合,且第一球面反射镜边界与参考光的十字分划板的像的竖线重合;
5.25)将第二球面反射镜放置于第一球面反射镜的对称位置,微调第二球面反射镜,使得其反射光斑与光阑中心重合;
5.26)微调第二球面反射镜,在CCD接收器上观察到干涉图样;
5.27)微调第二球面反射镜,使其十字分划板的像与参考光十字分划板的像重合,且第二球面反射镜的像的边界与第一球面反射镜的像的边界重合;
5.28)将CCD接收器置换成波前传感器,并将其掩膜限制在两块球面反射镜的区域;
5.29)保持第一球面反射镜和第二球面反射镜的边界以及各自十字分划板的像与参考光的十字分划板的像重合的情况下,微调第一球面反射镜和第二球面反射镜,使得波前的离焦成分最小,此时第一球面反射镜和第二球面反射镜共球心且共相位。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于:还包括:当待测球面反射镜大于两个时,对其他反射镜依次重复5.25)~5.29)中对第二球面反射镜的处理方式,实现多个同曲率半径的球面反射镜的共球心调整。
7.一种检测和调整球面反射镜共球心装置,其特征在于:包括点光源和在光源传播方向的光轴上依次设置的准直透镜(4)、偏振分光棱镜(5)、出射面镀有半透半反膜的45°旋光晶片(6)、聚焦透镜(7)和光阑(8);
旋光晶片(6)反射光出射的方向上依次设有光十字分划板(11)和接收器(12);
将待测球面反射镜置于光阑(8)后的发散光束中,使光阑(8)出射的光经待测球面反射镜反射后沿原光路返回。
8.根据权利要求7所述的装置,其特征在于:所述点光源由激光光源(1)、聚焦透镜(2)和针孔(3)形成;在激光光源(1)传播方向的光轴上依次设置聚焦透镜(2)和针孔(3),经针孔(3)的出射光作为所述点光源。
9.根据权利要求8所述的装置,其特征在于:所述激光光源(1)发射的激光耦合进光纤后出射;出射光进入聚焦透镜(2)。
10.根据权利要求7所述的装置,其特征在于:所述接收器(12)为CCD或波前传感器。
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李俊峰: "大口径深焦比Hindle球面镜曲率半径精确测量", 《电子测量与仪器学报》 * |
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Publication number | Publication date |
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CN111982473B (zh) | 2022-06-21 |
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