CN115166932B - 一种大口径长焦距离轴光学系统的光轴调整方法 - Google Patents

Abstract

为了调整大口径长焦距离轴光学系统的光轴，提供了一种大口径长焦距离轴光学系统的光轴调整方法。利用激光跟踪仪对反射镜结构进行坐标测量，通过光轴与结构基准的形位关系获取光轴信息。利用坐标系转换实现各反射镜光轴的位置关系测量并予以调整。利用高准直超细激光光源模拟主光线，通过离轴光学系统主光线追迹的方式实现由激光跟踪仪、离轴镜头、标准镜组成的像质检测系统的光轴调整。该方法可以实现大口径长焦距离轴光学系统在装调初期各反射镜的光轴调整，精度高，操作简单，通用性好。对于1m口径、10米焦距的离轴光学系统，光学系统反射镜间光轴调整精度为0.05mm和8″，像质检测系统共光轴精度为1.5″。

Description

一种大口径长焦距离轴光学系统的光轴调整方法

技术领域

本发明属于遥感器光学装调技术领域，特别是一种大口径长焦距离轴光学系统的光轴调整方法。

技术背景

大口径长焦距离轴光学系统一般由主镜、次镜、三镜(三镜)组成，反射镜均为离轴二次非球面或者高次非球面。一般采用数字自准直干涉的方式测量光学系统的波前，通过对各镜的调整，实现光学系统的高精度成像质量。大口径长焦距离轴光学系统由于其光路较长，在进入干涉测量阶段前，各反射镜的光轴指向精度较为关键。

基准传递法、共基准装调法是进入干涉测量阶段前的、反射镜光轴调整的通用方法。

基准传递法是通过光学加工、结构加工时的合理公差分配来保证光学部件在主体结构上的初始位置精度。由于大型结构自身形变较大，在大口径长焦距光学系统装调时，各反射镜位置的误差累积，对光轴调整产生较大的影响。

共基准装调法是针对离轴三反光学系统中，主镜和三镜为共光轴的这种光学设计形式，使用干涉仪对主镜和三镜进行精密调整，提高二者的初始定位精度。主镜三镜完成高精度定位后，再行对次镜进行调整。该方法提高了主镜、三镜的光轴共基准调整精度，但是尚无法实现次镜的高精度定位。

发明内容

本发明主要针对大口径长焦距离轴光学系统在装调初期反射镜的光轴调整精度不足的情况，通过本发明的方法可以在提升光轴调整精度，进而提高光轴调整效率。

本发明的技术解决方案是：

一种大口径长焦距离轴光学系统的光轴调整方法，包括步骤如下：

1)分别在每个反射镜的非工作面上安装一组靶标球；反射镜包括：主镜、次镜和三镜；

2)利用激光跟踪仪和坐标系间的转换关系，获得主镜上靶标球在光学系统主坐标系下的位置坐标、次镜上靶标球在光学系统主坐标系下的位置坐标，以及三镜上靶标球在光学系统主坐标系下的位置坐标；

3)将主镜安装至光学系统的承力框架上，使用激光跟踪仪获得主镜上靶标球在激光跟踪仪默认坐标系下的位置坐标；

4)在激光跟踪仪中输入主镜上靶标球在激光跟踪仪默认坐标系下的位置坐标作为观测值，输入主镜上靶标球在光学系统主坐标系下的位置坐标作为目标值，在激光跟踪仪中建立主坐标系；

5)将次镜安装至光学系统的承力框架上，使用激光跟踪仪获得次镜上靶标球的位置坐标，调整次镜的安装位置，使得次镜上靶标球的位置坐标等于次镜上靶标球在光学系统主坐标系下的位置坐标；

6)将三镜安装至光学系统的承力框架上，使用激光跟踪仪获得三镜上靶标球的位置坐标，调整三镜的安装位置，使得三镜上靶标球的位置坐标等于三镜上靶标球在光学系统主坐标系下的位置坐标；

7)将光源摆放至光学系统中心视场的像点处，光源的出光方向平行于光学系统主光学方向；

8)在光源和三镜之间放置半反半透镜，半反半透镜的反射支路后端放置探测器；

9)在主镜的入光方向放置标准平面镜；标准平面镜用于使光源发射的激光经过半反半透镜、三镜、次镜和主镜照射到标准平面镜后能够原路返回；

10)调整半反半透镜和探测器，使半反半透镜将光源的出射光反射到探测器上，且光斑中心位于探测器的中心像元处，固定探测器与半反半透镜；

11)调整半反半透镜的旋转轴，使得光源的出射光透过半反半透镜，并依次经过三镜、次镜和主镜后入射到标准平面镜上后再原路返回至探测器上；所述旋转轴在半反半透镜镜面内，过半反半透镜镜面中心点且与光学系统主坐标的X轴平行；

12)调整平面镜法线的指向，使光斑中心位于探测器的中心像元处；

13)拆除光源、半反半透镜和探测器，完成光学系统装调工作。

优选地：每个反射镜上均布有6个靶标球。

优选地：光学系统主坐标系以次镜顶点为原点，以主镜的离轴方向为y轴正向，以光学系统光轴方向为z轴正向，建立右手正交坐标系。

优选地：步骤2)获得靶标球在光学系统主坐标系下的位置坐标的方法，具体为：

21)利用激光跟踪仪，获得安装在主镜上的靶标球在主镜测量坐标系下的坐标，获得安装在次镜上的靶标球在次镜测量坐标系下的坐标，以及获得安装在三镜上的靶标球在三镜测量坐标系下的坐标；

22)根据主镜测量坐标系与光学系统主坐标系间的转换关系，获得安装在主镜上的靶标球在光学系统主坐标系下的坐标；

23)根据次镜测量坐标系与光学系统主坐标系间的转换关系，获得安装在次镜上的靶标球在光学系统主坐标系下的坐标；

24)根据三镜测量坐标系与光学系统主坐标系间的转换关系，获得安装在三镜上的靶标球在光学系统主坐标系下的坐标。

优选地：主镜测量坐标系M₁(x₁,y₁,z₁)以主镜顶点为原点，以主镜的离轴方向为y₁轴正向，以主镜的光轴方向为z₁轴正向，建立右手正交坐标系。

优选地：主镜测量坐标系M₁(x₁,y₁,z₁)与光学系统主坐标系M(x,y,z)间的转换关系，具体为：

其中，d₁为主镜的离轴量，l₁₂为主镜和次镜的镜间距。

优选地：次镜测量坐标系M₂(x₂,y₂,z₂)以次镜顶点为原点，以主镜的离轴方向为y₂轴正向，以光学系统光轴方向为z₂轴正向，建立右手正交坐标系。

优选地：次镜测量坐标系M₂(x₂,y₂,z₂)与光学系统主坐标系M(x,y,z)间的转换关系，具体为：

优选地：三镜测量坐标系M₃(x₃,y₃,z₃)以三镜的顶点为原点，以三镜的离轴方向为y₃轴正向，以三镜的光轴方向为z₃轴正向，建立右手正交坐标系。

优选地：三镜测量坐标系M₃(x₃,y₃,z₃)与光学系统主坐标系M(x,y,z)间的转换关系，具体为：

其中，d₃为三镜的离轴量，l₂₃为次镜和三镜的镜间距。

与现有技术相比，本发明的优点主要体现在以下几个方面：

1)本发明使用激光跟踪仪、高准直超细激光光源进行大口径长焦距离轴光学系统在装调初期各反射镜的光轴调整，使用本发明方法精度高，操作简单，通用性好。

2)本发明使用大尺寸三维空间坐标测量技术进行大型离轴光学系统的光轴调整，提高了测试精度。

3)本发明使用可见光谱段的高准直超细激光光源进行离轴光学系统的主光线追迹，提高了检测元件位置调整效率。

4)本发明使用像点坐标值进行干涉仪的位置调整，降低激光干涉仪的对准难度。

附图说明

图1光轴调整流程图；

图2离轴光学系统示意图；

图3主光线追迹示意图；

图4光斑中心调整示意图；

图5像质干涉检测示意图。

具体实施方式

大口径长焦距离轴光学系统广泛应用于空间相机中。其由三片非球面反射镜组成，其中主镜和三镜为离轴反射镜镜，次镜一般为同轴反射镜。为了获得更好的对地分辨率，目前该类光学系统的口径通常达到1米以上，F数达到10。其中，主镜为离轴凹非球面反射镜，次镜为凸非球面反射镜，三镜为离轴凹非球面反射镜；光阑位于次镜上，没有中间像。主镜的通光口径不小于1米，光学系统的焦距不小于10米，光学系统轴向长度不小于2米。成像质量接近衍射极限。

本发明方法主要应用于大口径长焦距离轴光学系统在装调初期各反射镜的光轴调整，可以解决反射镜初始定位精度低进而导致无法进行干涉检测的问题，提高大型离轴光学系统的装调效率。本发明通过激光跟踪坐标测量的方法，进行反射镜元件基准的坐标化。如图1所示，本发明一种大口径长焦距离轴光学系统的光轴调整方法，包括步骤如下：

步骤一，用激光跟踪仪建立各反射镜的测量坐标系。激光跟踪仪测试各反射镜的光学基准面，按照如下定义分别建立坐标系M₁、M₂、M₃：

1.1主镜测量坐标系为M₁(x₁,y₁,z₁)，以主镜顶点为原点，以主镜的离轴方向为y₁轴正向，以主镜的光轴方向为z₁轴正向。

1.2次镜测量坐标系为M₂(x₂,y₂,z₂)，以次镜顶点为原点，以主镜的离轴方向为y₂轴正向，以光学系统光轴方向为z₂轴正向，建立右手正交坐标系。即，次镜测量坐标系与光学系统主坐标系三轴重合。

1.3三镜测量坐标系为M₃(x₃,y₃,z₃)，以三镜顶点为原点，以三镜的离轴方向为y₃轴正向，以三镜的光轴方向为z₃轴正向，建立右手正交坐标系。

步骤二，用激光跟踪仪进行反射镜上特征点的坐标测量。分别在主镜、次镜、三镜的非工作面上稳固粘贴6个激光跟踪仪靶球(SMR)，6个靶标球均布，间隔基本一致。在如步骤一所述的各反射镜测量坐标系下，用激光跟踪仪分别测量主镜、次镜、三镜上的SMR坐标值。坐标值分别记为S₁₁(X₁₁,Y₁₁,Z₁₁)、…、S₁₆(X₁₆,Y₁₆,Z₁₆)、S₂₁(X₂₁,Y₂₁,Z₂₁)、…、S₂₆(X₂₆,Y₂₆,Z₂₆)、S₃₁(X₃₁,Y₃₁,Z₃₁)、…、S₃₆(X₃₆,Y₃₆,Z₃₆)。其中S₁₁～S₁₆为布置于主镜上的SMR坐标值，S₂₁～S₂₆为布置于次镜上的SMR坐标值，S₃₁～S₃₆为布置于三镜上的SMR坐标值。

步骤三，转换反射镜特征点坐标，获得激光跟踪仪靶球在光学系统主坐标系M下的坐标值。根据光学系统模型定义光学系统主坐标系M(x,y,z)。所述光学系统主坐标系以次镜顶点为原点，主镜的离轴方向为y轴正向，光学系统光轴方向为z轴正向。如图2所示，根据光学系统各反射镜间的位置关系，定义各反射镜测量坐标系。所述各反射镜测量坐标系分别为：

主镜测量坐标系M₁与光学系统主坐标系M的转换关系为：

其中，d₁为主镜的离轴量，l₁₂为主镜和次镜的镜间距，即主镜顶点到次镜顶点沿系统光轴方向(主坐标系M的z轴)的距离。

次镜测量坐标系M₂(x₂,y₂,z₂)中的三轴方向与光学系统主坐标系M相同，即：

三镜测量坐标系M₃与光学系统主坐标系M的转换关系为：

其中，d₃为三镜的离轴量，l₂₃为次镜和三镜的镜间距，即次镜顶点到三镜顶点沿系统光轴方向(主坐标系M的z轴)的距离。

根据式(1)～式(3)的转换关系，将步骤二测得的反射镜特征点坐标值转换为光学系统主坐标系M下的坐标值。其中S₁₁～S₁₆按式(1)转换，S₂₁～S₂₆按式(2)转换，S₃₁～S₃₆按式(3)转换。转换后的坐标值为S’₁₁(X’₁₁,Y’₁₁,Z’₁₁)、…、S’₁₆(X’₁₆,Y’₁₆,Z’₁₆)、S’₂₁(X’₂₁,Y’₂₁,Z’₂₁)、…、S’₂₆(X’₂₆,Y’₂₆,Z’₂₆)、S’₃₁(X’₃₁,Y’₃₁,Z’₃₁)、…、S’₃₆(X’₃₆,Y’₃₆,Z’₃₆)。

步骤四，安装各反射镜组件至光学系统主体结构，使用可见光谱段的高准直超细激光光源，通过坐标测量进行各反射镜的光轴调整：

4.1安装主镜组件至光学系统，激光跟踪仪在仪器默认的坐标系下测试主镜上的6个SMR，得到6组坐标值，记为S”₁₁(X”₁₁,Y”₁₁,Z”₁₁)、…、S”₁₆(X”₁₆,Y”₁₆,Z”₁₆)。在激光跟踪仪测试软件Spatial Analyzer中，选择“最佳拟合”方式建立新的坐标系，选择S”₁₁～S”₁₆为观测值，输入一组坐标S’₁₁～S’₁₆为目标值，创建得到坐标系即为主坐标系M。

4.2安装次镜组件至光学系统，在主坐标系M下，激光跟踪仪依次测试次镜上的6个SMR。调整次镜的位置，直至所有坐标值符合步骤三计算得到的坐标值S’₂₁(X’₂₁,Y’₂₁,Z’₂₁)、…、S’₂₆(X’₂₆,Y’₂₆,Z’₂₆)，各值误差优于±0.04mm。

4.3安装三镜组件至光学系统，在主坐标系M下，激光跟踪仪测试三镜上的6个SMR，测试顺序同步骤二。调整三镜的位置，直至所有坐标值符合步骤三计算得到的坐标值S’₃₁(X’₃₁,Y’₃₁,Z’₃₁)、…、S’₃₆(X’₃₆,Y’₃₆,Z’₃₆)，各值误差优于±0.04mm。

步骤五，安装光源、半反半透镜、探测器、标准平面镜。光源位于光学系统中心视场像点处，光出射方向基本沿光学系统主光线方向，用以模拟主光线。在光源与三镜之间放置半反半透镜。在半反半透镜的反射支路后端放置探测器。在光学系统的入光方向放置标准平面镜，平面镜与主镜间保证一定的安全距离。安装完成的光路如图3所示。此时光源出射的激光经过光学系统、标准平面镜的反射后，基本沿原光路返回。其中对光源的要求为：可见光谱段，功率＜5mW，光斑直径＜0.3mm/20m；对半反半透镜的要求为：具备绕经过其镜面中心、且与主坐标系X轴平行的轴线的一维旋转调节功能；对标准平面镜的要求为：口径大于光学系统通光口径，光学面形rms优于15nm，具备6自由度调节机构。标准平面镜的口径大于主镜的通光口径。

步骤六，调整平面镜光轴指向：旋转半反半透镜，使得光源的出射光经反射后由探测器接收到。调整探测器位置使该光斑中心位于探测器的中心像元处。此时半反半透镜位于如图3所示的“位置1”。再次旋转半反半透镜，使得光源的出射光透过半反半透镜，并经过待装调的光学系统、标准平面镜后，再反射至探测器上。此时反半透镜位于如图3所示的“位置2”。计算此光信号中心与中心像元的距离。如图4所示，调整平面镜法线的指向，直至光信号中心与中心像元也基本重合。

步骤七，依次拆除光源、半反半透镜、探测器。

步骤八，安装激光干涉仪：在光学系统主坐标系M下，依据光学模型获取中心视场像点坐标F(X_F,Y_F,Z_F)。利用激光跟踪仪测试激光干涉仪焦点的坐标值，并将该坐标值调整为(X_F,Y_F,Z_F)。完成激光干涉仪、光学系统、标准平面镜的光轴调整，如图5所示。

采用本发明方法，影响光轴调整的因素有：

1)激光跟踪仪的测试精度：激光跟踪仪的测试精度与测试距离有关，为(0.015+6e^-6L)mm，其中L为激光跟踪仪到被测物体的距离。通过多次测量取平均值的方法提高激光跟踪仪的测距精度。实验证明，对于反射镜，光轴测试误差为±0.00003*D(mm)和±0.005*D(″)，D为主镜口径(mm)。

2)光斑中心测试误差：使用上述方法能够实现的光斑中心调整精度约为20个探测器像元。

对于口径1米、焦距10米的离轴镜头，如果使用像元尺寸为3微米的探测器，本发明实现的：①光学系统反射镜间光轴调整精度为0.05mm和8″、②像质检测系统共光轴精度为1.5″。

本发明的原理是：

离轴光学系统的各反射镜光轴与其结构基准存在明确的形位关系，各反射镜之间通过光轴形成位置间的关联。离轴光学系统的主光线可以追迹。利用激光跟踪仪对反射镜进行坐标测量获取光轴信息，利用坐标系转换实现各反射镜光轴的位置关系测量并予以调整，利用高准直超细激光光源模拟主光线实现由激光干涉仪、离轴镜头、标准镜组成的像质检测系统的光轴调整，从而完成装调初期的大口径长焦距离轴光学系统快速高精度光轴调整。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

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 (10)

1.一种大口径长焦距离轴光学系统的光轴调整方法，其特征在于，包括步骤如下：

1)分别在每个反射镜的非工作面上安装一组靶标球；反射镜包括：主镜、次镜和三镜；

2)利用激光跟踪仪和坐标系间的转换关系，获得主镜上靶标球在光学系统主坐标系下的位置坐标、次镜上靶标球在光学系统主坐标系下的位置坐标，以及三镜上靶标球在光学系统主坐标系下的位置坐标；

3)将主镜安装至光学系统的承力框架上，使用激光跟踪仪获得主镜上靶标球在激光跟踪仪默认坐标系下的位置坐标；

4)在激光跟踪仪中输入主镜上靶标球在激光跟踪仪默认坐标系下的位置坐标作为观测值，输入主镜上靶标球在光学系统主坐标系下的位置坐标作为目标值，在激光跟踪仪中建立主坐标系；

5)将次镜安装至光学系统的承力框架上，使用激光跟踪仪获得次镜上靶标球的位置坐标，调整次镜的安装位置，使得次镜上靶标球的位置坐标等于次镜上靶标球在光学系统主坐标系下的位置坐标；

6)将三镜安装至光学系统的承力框架上，使用激光跟踪仪获得三镜上靶标球的位置坐标，调整三镜的安装位置，使得三镜上靶标球的位置坐标等于三镜上靶标球在光学系统主坐标系下的位置坐标；

7)将光源摆放至光学系统中心视场的像点处，光源的出光方向平行于光学系统主光学方向；

8)在光源和三镜之间放置半反半透镜，半反半透镜的反射支路后端放置探测器；

9)在主镜的入光方向放置标准平面镜；标准平面镜用于使光源发射的激光经过半反半透镜、三镜、次镜和主镜照射到标准平面镜后能够原路返回；

10)调整半反半透镜和探测器，使半反半透镜将光源的出射光反射到探测器上，且光斑中心位于探测器的中心像元处，固定探测器与半反半透镜；

11)调整半反半透镜的旋转轴，使得光源的出射光透过半反半透镜，并依次经过三镜、次镜和主镜后入射到标准平面镜上后再原路返回至探测器上；所述旋转轴在半反半透镜镜面内，过半反半透镜镜面中心点且与光学系统主坐标的X轴平行；

12)调整平面镜法线的指向，使光斑中心位于探测器的中心像元处；

13)拆除光源、半反半透镜和探测器，安装激光干涉仪：在光学系统主坐标系下，依据光学模型获取中心视场像点坐标F(X_F,Y_F,Z_F)；利用激光跟踪仪测试激光干涉仪焦点的坐标值，并将该坐标值调整为(X_F,Y_F,Z_F)；完成激光干涉仪、光学系统、标准平面镜的光轴调整；完成光学系统装调工作。

2.根据权利要求1所述的一种大口径长焦距离轴光学系统的光轴调整方法，其特征在于：每个反射镜上均布有6个靶标球。

3.根据权利要求1所述的一种大口径长焦距离轴光学系统的光轴调整方法，其特征在于：光学系统主坐标系以次镜顶点为原点，以主镜的离轴方向为y轴正向，以光学系统光轴方向为z轴正向，建立右手正交坐标系。

4.根据权利要求3所述的一种大口径长焦距离轴光学系统的光轴调整方法，其特征在于：步骤2)获得靶标球在光学系统主坐标系下的位置坐标的方法，具体为：

21)利用激光跟踪仪，获得安装在主镜上的靶标球在主镜测量坐标系下的坐标，获得安装在次镜上的靶标球在次镜测量坐标系下的坐标，以及获得安装在三镜上的靶标球在三镜测量坐标系下的坐标；

22)根据主镜测量坐标系与光学系统主坐标系间的转换关系，获得安装在主镜上的靶标球在光学系统主坐标系下的坐标；

23)根据次镜测量坐标系与光学系统主坐标系间的转换关系，获得安装在次镜上的靶标球在光学系统主坐标系下的坐标；

24)根据三镜测量坐标系与光学系统主坐标系间的转换关系，获得安装在三镜上的靶标球在光学系统主坐标系下的坐标。

5.根据权利要求4所述的一种大口径长焦距离轴光学系统的光轴调整方法，其特征在于：主镜测量坐标系M₁(x₁,y₁,z₁)以主镜顶点为原点，以主镜的离轴方向为y₁轴正向，以主镜的光轴方向为z₁轴正向，建立右手正交坐标系。

6.根据权利要求5所述的一种大口径长焦距离轴光学系统的光轴调整方法，其特征在于：主镜测量坐标系M₁(x₁,y₁,z₁)与光学系统主坐标系M(x,y,z)间的转换关系，具体为：

其中，d₁为主镜的离轴量，l₁₂为主镜和次镜的镜间距。

7.根据权利要求4所述的一种大口径长焦距离轴光学系统的光轴调整方法，其特征在于：次镜测量坐标系M₂(x₂,y₂,z₂)以次镜顶点为原点，以主镜的离轴方向为y₂轴正向，以光学系统光轴方向为z₂轴正向，建立右手正交坐标系。

8.根据权利要求7所述的一种大口径长焦距离轴光学系统的光轴调整方法，其特征在于：次镜测量坐标系M₂(x₂,y₂,z₂)与光学系统主坐标系M(x,y,z)间的转换关系，具体为：

9.根据权利要求4所述的一种大口径长焦距离轴光学系统的光轴调整方法，其特征在于：三镜测量坐标系M₃(x₃,y₃,z₃)以三镜的顶点为原点，以三镜的离轴方向为y₃轴正向，以三镜的光轴方向为z₃轴正向，建立右手正交坐标系。

10.根据权利要求9所述的一种大口径长焦距离轴光学系统的光轴调整方法，其特征在于：三镜测量坐标系M₃(x₃,y₃,z₃)与光学系统主坐标系M(x,y,z)间的转换关系，具体为：

其中，d₃为三镜的离轴量，l₂₃为次镜和三镜的镜间距。