一種大視場(chǎng)離軸三反系統(tǒng)與裝調(diào)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種大視場(chǎng)離軸三反光學(xué)系統(tǒng)及裝調(diào)方法，主要應(yīng)用于各類大視場(chǎng)離軸三反系統(tǒng)的快速設(shè)計(jì)、加工、裝調(diào)。
【背景技術(shù)】
[0002]目前研究的各類離軸三反系統(tǒng)很難解決大視場(chǎng)與加工、裝調(diào)難度的矛盾，大部分系統(tǒng)均采用離軸量較大的高次非球面鏡來設(shè)計(jì)，這樣的設(shè)計(jì)對(duì)于后期光學(xué)加工和裝調(diào)都帶來了很多不利因素，不便于整個(gè)系統(tǒng)的快速成型，不利于項(xiàng)目的工程化
[0003]以往的大視場(chǎng)離軸三反系統(tǒng)次鏡均采用凸高次非球面來設(shè)計(jì)，這樣的設(shè)計(jì)對(duì)于設(shè)計(jì)者來說是很容易的，但是對(duì)于光學(xué)加工、檢測(cè)、裝調(diào)都帶來了相當(dāng)大的難度；其中凸非球面的加工是很難檢測(cè)的；同時(shí)，離軸非球面的基準(zhǔn)也很難建立的，這對(duì)于系統(tǒng)裝調(diào)來說是很難操作的。本發(fā)明主要圍繞大視場(chǎng)離軸三反技術(shù)展開研究，利用目前常規(guī)手段，設(shè)計(jì)了一種便于后期加工裝調(diào)用的離軸三反系統(tǒng)，并且根據(jù)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)巧妙性，提出了一種快速裝調(diào)方法及計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決大視場(chǎng)離軸三反系統(tǒng)設(shè)計(jì)與加工、裝調(diào)之間的矛盾，本發(fā)明設(shè)計(jì)的大視場(chǎng)離軸三反系統(tǒng)采用了一種較為簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)形式，可實(shí)現(xiàn)寬畫幅成像，其中有效視場(chǎng)可達(dá)12。X3.5° 。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案:
[0006]大視場(chǎng)離軸三反系統(tǒng)，其特殊之處在于:包括主鏡、次鏡、孔徑光闌3、三鏡以及焦面5，所述主鏡1為離軸雙曲面反射鏡1，所述次鏡2為凸球面反射鏡2，所述三鏡為離軸二次凹扁球面鏡4，所述主鏡與三鏡的母軸重合為基準(zhǔn)軸，所述孔徑光闌3設(shè)置在次鏡上，所述次鏡的光軸與三鏡的母軸重合；
[0007]來自無窮遠(yuǎn)處的目標(biāo)光線經(jīng)主鏡反射后至次鏡，再由次鏡反射進(jìn)入三鏡，最后三鏡將光線成像至焦面5。
[0008]上述主鏡與次鏡間隔為1145mm，次鏡與三鏡間隔為1023mm，三鏡距離焦面距離為1400mm，主鏡光軸母軸的夾角為4°，次鏡光軸與母軸夾角為0°，三鏡光軸與母軸夾角為1.2°。
[0009]大視場(chǎng)離軸三反系統(tǒng)的裝調(diào)方法，其特殊制之處在于:包括以下步驟
[0010]1】確定基準(zhǔn)軸:
[0011]1.1】在凸球面反射鏡表面建立十字絲基準(zhǔn)點(diǎn)，通過使用測(cè)量儀器調(diào)整十字絲基準(zhǔn)點(diǎn)與凸球面反射鏡鏡面中心重合，后將凸球面反射鏡2安裝到系統(tǒng)平臺(tái)上，并在凸球面反射鏡2的正前方固定第一自準(zhǔn)直經(jīng)瑋儀7 ;
[0012]1.2】調(diào)整凸球面反射鏡2在X方向和Y方向的位置，使第一自準(zhǔn)直經(jīng)瑋儀7經(jīng)過凸球面反射鏡2的自準(zhǔn)直像與第一自準(zhǔn)直經(jīng)瑋儀7的目鏡十字絲重合；
[0013]1.3】調(diào)焦第一自準(zhǔn)直經(jīng)瑋儀7至凸球面反射鏡2鏡面上，同時(shí)調(diào)整凸球面反射鏡2在X方向和Y方向的位置，直至使經(jīng)過凸球面反射鏡2的自準(zhǔn)直像和十字絲基準(zhǔn)點(diǎn)均與第一自準(zhǔn)直經(jīng)瑋儀目鏡十字絲重合，凸球面反射鏡的母軸與第一自準(zhǔn)直經(jīng)瑋儀7光軸重合，此時(shí)第一自準(zhǔn)直經(jīng)瑋儀7的光軸即為粗調(diào)基準(zhǔn)軸；
[0014]2】主鏡的安裝調(diào)試:
[0015]2.1】將離軸雙曲面反射鏡1安裝到系統(tǒng)平臺(tái)上，在第一自準(zhǔn)直經(jīng)瑋儀7入瞳附近建立十字絲基準(zhǔn)，第一自準(zhǔn)直經(jīng)瑋儀7的光軸通過十字絲基準(zhǔn)；
[0016]2.2】架設(shè)第二自準(zhǔn)直經(jīng)瑋儀8在凸球面反射鏡2后邊，同時(shí)移除凸球面反射鏡2，第二自準(zhǔn)直經(jīng)瑋儀8與第一自準(zhǔn)直經(jīng)瑋儀7互瞄；
[0017]2.3】安裝主鏡補(bǔ)償器10在第二自準(zhǔn)直經(jīng)瑋儀8和第一自準(zhǔn)直經(jīng)瑋儀7之間，使用第二自準(zhǔn)直經(jīng)瑋儀8調(diào)整主鏡補(bǔ)償器10的光軸與粗調(diào)基準(zhǔn)軸重合；
[0018]2.4】將干涉儀9架設(shè)到粗調(diào)基準(zhǔn)軸光路上且位于第二自準(zhǔn)直經(jīng)瑋儀8和主鏡補(bǔ)償器10之間，調(diào)整干涉儀9的位置，使干涉儀9出射的激光焦點(diǎn)位于粗調(diào)基準(zhǔn)軸上；
[0019]2.5】調(diào)整離軸雙曲面反射鏡1的方位、俯仰、X方向平移、Y方向平移及高低方向5個(gè)自由度，通過干涉儀9的干涉圖判斷，使離軸雙曲面反射鏡1的母軸與主鏡補(bǔ)償器10的光軸重合，即完成主鏡調(diào)整；
[0020]3】三鏡的安裝調(diào)試:
[0021]3.1】將主鏡補(bǔ)償器移除，且在主鏡補(bǔ)償器10的位置上安裝三鏡補(bǔ)償器11，使用第二自準(zhǔn)直經(jīng)瑋儀8調(diào)整三鏡補(bǔ)償器11的光軸與粗調(diào)基準(zhǔn)軸重合；后調(diào)整干涉儀9的位置，使干涉儀9出射的激光焦點(diǎn)位于粗調(diào)基準(zhǔn)軸上；
[0022]3.2】安裝離軸二次凹扁球面鏡3，后調(diào)整離軸二次凹扁球面鏡3的方位、俯仰、X方向平移、Y方向平移及高低方向5個(gè)自由度，通過干涉儀9的干涉圖判斷，直至離軸二次凹扁球面鏡3的母軸與三鏡補(bǔ)償器11的光軸重合，即完成三鏡調(diào)整；
[0023]4】次鏡的復(fù)位調(diào)試:
[0024]4.1】將凸球面反射鏡2安裝在系統(tǒng)平臺(tái)上，同時(shí)放置標(biāo)準(zhǔn)平面鏡12，保證標(biāo)準(zhǔn)平面鏡與離軸三反系統(tǒng)出光口位置重合；
[0025]4.2】將干涉儀9移動(dòng)到焦面5的位置，通過干涉儀9來監(jiān)測(cè)凸球面反射鏡2的位置是否在初始位置，若干涉儀9經(jīng)過離軸三反系統(tǒng)的出射光通過標(biāo)準(zhǔn)平面鏡12反射回來的像成像質(zhì)量差，調(diào)整凸球面反射鏡2的方位，直至成像質(zhì)量變好，此時(shí)次鏡復(fù)位完全；
[0026]4.3】移除干涉儀9、標(biāo)準(zhǔn)平面鏡12、第一自準(zhǔn)直經(jīng)瑋儀7、第二自準(zhǔn)直經(jīng)瑋儀8和三鏡補(bǔ)償器11，得到粗調(diào)的離軸三反系統(tǒng)；
[0027]5】離軸三反系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào):
[0028]5.1】在焦面5附近架設(shè)精調(diào)干涉儀，并調(diào)整精調(diào)干涉儀，使得精調(diào)干涉儀出射光斑與粗調(diào)的離軸三反系統(tǒng)焦點(diǎn)位置重合；
[0029]5.2】使精調(diào)干涉儀采集到干涉條紋，分別測(cè)量粗調(diào)的離軸三反系統(tǒng)五視場(chǎng)的波像差，將精調(diào)干涉儀采集到的不同視場(chǎng)的象散、慧差、球差值作為計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)軟件的輸入，通過計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)算法計(jì)算得到系統(tǒng)主鏡與次鏡間隔調(diào)整量Dz。，次鏡與三鏡間隔調(diào)整量隊(duì)3，次鏡X方向偏心量Dx。，次鏡y方向偏心量Dy。，次鏡X方向傾斜角度Tx。，次鏡y方向傾斜角度Ty。，三鏡X方向偏心量Dx3，三鏡y方向偏心量Dy3，三鏡X方向傾斜角度Tx3，三鏡y方向傾斜角度Ty3;
[0030]5.3】根據(jù)計(jì)算的調(diào)整量和方向，分別對(duì)粗調(diào)的離軸三反系統(tǒng)中次鏡和三鏡的5個(gè)自由度方向進(jìn)行調(diào)整；
[0031]5.4】執(zhí)行步驟5.2】，直至離軸三反系統(tǒng)0視場(chǎng)光軸上和軸外視場(chǎng)波前誤差滿足指標(biāo)要求，得到精調(diào)的大視場(chǎng)離軸三反系統(tǒng)。
[0032]步驟1.1】中采用棉線在凸球面反射鏡表面建立十字絲基準(zhǔn)點(diǎn)，步驟2.1】中采用棉線在第一自準(zhǔn)直經(jīng)瑋儀7入瞳附近建立十字絲基準(zhǔn)。
[0033]本發(fā)明所具有的效果:
[0034]1、該大視場(chǎng)離軸三反系統(tǒng)，利用簡(jiǎn)單的鏡面形式，可實(shí)現(xiàn)高像質(zhì)、大視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；
[0035]2、該大視場(chǎng)離軸三反系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，后期加工、檢測(cè)、裝調(diào)難度低的優(yōu)占.
[0036]3、該大視場(chǎng)離軸三反系統(tǒng)與裝調(diào)技術(shù)，巧妙的根據(jù)次鏡為凸球面反射鏡的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，提出了一種可操作性強(qiáng)、簡(jiǎn)單可靠的離軸三反裝調(diào)技術(shù)，比以往的離軸三反裝調(diào)方法從裝調(diào)周期上大大節(jié)省了時(shí)間(以往的系統(tǒng)需要1-3個(gè)月，而該系統(tǒng)僅需要1周時(shí)間)；
[0037]4、該大視場(chǎng)離軸三反系統(tǒng)與裝調(diào)技術(shù)，在粗調(diào)完成后，首次提出了一種簡(jiǎn)單、可行性好的計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)新技術(shù)，兼顧到各個(gè)視場(chǎng)像質(zhì)的平衡，能夠指導(dǎo)系統(tǒng)快速裝調(diào)完成；
[0038]5、該大視場(chǎng)離軸三反系統(tǒng)與裝調(diào)技術(shù)，利用自準(zhǔn)直經(jīng)瑋儀與球面鏡自準(zhǔn)的特性，比以往用刀口法來調(diào)光軸具有更高的調(diào)試精度，可保證系統(tǒng)在粗調(diào)完成后，具有較高的成像質(zhì)量。
【附圖說明】
[0039]圖1為大視場(chǎng)離軸三反系統(tǒng)光路圖；
[0040]圖2為大視場(chǎng)離軸三反系統(tǒng)基準(zhǔn)軸調(diào)試原理圖；
[0041]圖3為大視場(chǎng)離軸三反系統(tǒng)主鏡調(diào)試原理圖；
[0042]圖4為大視場(chǎng)離軸三反系統(tǒng)三鏡調(diào)試原理圖；
[0043]圖5為大視場(chǎng)離軸三反系統(tǒng)調(diào)試原理圖；
[0044]圖6為計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)流程示意圖；
[0045]其中附圖標(biāo)記為:1_離軸雙曲面反射鏡，2-凸球面反射鏡，3-孔徑光闌，4-離軸二次凹扁球面鏡，5-像面，6-光學(xué)基準(zhǔn)軸，7-第一自準(zhǔn)直經(jīng)瑋儀，8-第二自準(zhǔn)直經(jīng)瑋儀，9-干涉儀，10-主鏡補(bǔ)償器，11-三鏡補(bǔ)償器，12-標(biāo)準(zhǔn)平面鏡。
【具體實(shí)施方式】
[0046]如圖1所示，設(shè)計(jì)的大視場(chǎng)離軸三反系統(tǒng)主鏡1為離軸雙曲面反射鏡；次鏡為凸球面反射鏡2 ;3為系統(tǒng)的孔徑光闌，其設(shè)置在次鏡2上；三鏡為離軸二次凹扁球面鏡4 ;5為系統(tǒng)焦面；6為系統(tǒng)的光學(xué)基準(zhǔn)軸，即為主鏡2與三鏡4的母軸。來自無窮遠(yuǎn)處的目標(biāo)光線經(jīng)主鏡1反射后至次鏡2，再由次鏡2反射進(jìn)入三鏡4，最后三鏡將光線成像至像面5。本發(fā)明采用的這種結(jié)構(gòu)形式，有利于降低系統(tǒng)的加工、裝調(diào)難度，尤其是次鏡采用共軸球面鏡為后期的光學(xué)玻璃加工和系統(tǒng)集成時(shí)的裝調(diào)都降低了難度。因此，本發(fā)明采用的凸球面鏡大大降低了系統(tǒng)實(shí)施的難度。
[0047]另外，本發(fā)明提出了一種快速裝調(diào)方法，可大大節(jié)約后期裝調(diào)成本和裝調(diào)時(shí)間。系統(tǒng)裝調(diào)思路是:先將大視場(chǎng)離軸三反的基準(zhǔn)軸建立，然后通過建立好的基準(zhǔn)軸依次調(diào)節(jié)主鏡、三鏡的位置，最后根據(jù)主鏡、三鏡與次鏡的相互關(guān)系，通過干涉儀對(duì)次鏡復(fù)位，可保證系統(tǒng)裝調(diào)完成，如圖2-5所示。
[0048]第一步:基準(zhǔn)軸的建立，如圖2所示。
[0049]其中，
[0050]如圖2所示，在凸球面反射鏡2 (次鏡)表面用細(xì)棉建立十字絲基準(zhǔn)點(diǎn)，通過使用測(cè)量儀器標(biāo)準(zhǔn)十字絲基準(zhǔn)點(diǎn)與凸球面反射鏡鏡面中心重合。將凸球面反射鏡及鏡座安裝到系統(tǒng)平臺(tái)(離軸三反系統(tǒng)安裝底座平臺(tái))上，在其正前方2m處固定第一自準(zhǔn)直經(jīng)瑋儀7，第一自準(zhǔn)直經(jīng)瑋儀7的光軸指向代表整個(gè)系統(tǒng)兩個(gè)離軸非球面反射鏡(主鏡和次鏡)的基準(zhǔn)軸(母軸)。通過調(diào)整凸球面反射鏡2的在X方向和Y方向的位置，使第一自準(zhǔn)直經(jīng)瑋儀7經(jīng)過凸球面反射鏡2的自準(zhǔn)直像與目鏡十字絲重合，調(diào)焦第一自準(zhǔn)直經(jīng)瑋儀7至凸球面反射鏡鏡面上，觀察十字絲中心與第一自準(zhǔn)直經(jīng)瑋儀7目鏡十字絲的偏差，調(diào)整凸