對有限遠物面成像的球面卡塞格林系統(tǒng)及其調整方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及高功率激光遠場測試，一種對有限遠物面成像的球面卡塞格林系統(tǒng)及其調整方法。
【背景技術】
[0002]高功率激光遠場測試技術，對成像系統(tǒng)有四個基本要求:有較高的遠場品質因子；有較大的近衍射極限成像視場以方便與靶鏡光軸相耦合；無明顯色差；高峰值功率情況下，為避免非線性損傷，盡量不引入透射元件。
[0003]傳統(tǒng)的卡塞格林系統(tǒng)為反射成像系統(tǒng)。反射式成像結構使其具有波長無選擇的優(yōu)點，因此不存在成像色差，無透射元件引起的非線性自聚焦。另一方面，為了滿足對無限遠處物面成像的需要，其結構一般由同軸的凹面主鏡和凸面次鏡構成。為保證成像質量，至少有一塊反射鏡使用非球面面型，這樣使得可滿足近衍射極限成像的視場較小(視場角約20')。如圖8所示(參見中國，授權公告號:204229042U)；，傳統(tǒng)的卡塞格林系統(tǒng)只能對無限遠物面成像，因此無法滿足高功率激光器對激光遠場測量系統(tǒng)的要求。再者，此類卡塞格林系統(tǒng)的裝校需要依賴于干涉儀，較為繁瑣。圖9為離軸卡塞格林系統(tǒng)(參見中國，申請?zhí)?201410847694.2)，此類卡塞格林系統(tǒng)仍然只能對有限遠處成像，且調整難度極大。作為高功率激光器遠場測量系統(tǒng)的另一種發(fā)明方案，反射橢球面的兩個焦點雖然具有成像完善的功能，但同樣存在近衍射極限成像視場極其有限的缺點，隨著物點遠離其中一個焦點，在另一個焦點處像點急劇惡化。雖然利用橢球反射面作為高功率激光遠場焦斑測量方案已有報道，但至今未發(fā)現較高品質的測試結果。
[0004]以上兩種方案，都不能滿足高功率激光遠場測量系統(tǒng)的技術要求。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種對有限遠處物面成像的改進型卡塞格林系統(tǒng)及其調整方法，以克服傳統(tǒng)卡塞格林系統(tǒng)和橢球面系統(tǒng)在高功率激光脈沖遠場測量方面的缺陷。
[0006]本發(fā)明的技術解決方案如下:
[0007]—種對有限遠物面成像的球面卡塞格林系統(tǒng)，其特點在于:該系統(tǒng)由第一凹球面鏡、第二凹球面鏡和一塊凸球面鏡構成一個成像系統(tǒng)并固定在一個穩(wěn)定的光學平臺上，在xy坐標系中以0，O點作為坐標原點，所述的第一凹球面鏡、第二凹球面鏡和一塊凸球面鏡的中心的坐標分別為5781，O ;2893，-332.9 ;和4672，-633.4 ;所述的x軸為系統(tǒng)的工作光軸，該系統(tǒng)的幾何對稱光軸與所述的工作光軸成26° ;所述的第一凹球面鏡、第二凹球面鏡和一塊凸球面鏡的球心均位于幾何對稱光軸上，所述的第一凹球面鏡、第二凹球面鏡的球心位于609.09，-297.07 ;所述的凸球面鏡的球心位于556.06，-271.21。
[0008]上述對有限遠物面成像的球面卡塞格林系統(tǒng)的調節(jié)方法，其特點在于該方法包括下列步驟:
[0009]I)借助激光跟蹤儀，在實驗室坐標系下標出假離軸卡塞格林系統(tǒng)的工作光軸和確定出物點的坐標，即xy坐標系的坐標原點O，O ;所述的工作光軸是系統(tǒng)在調試和使用過程中的實際光路走向；
[0010]2)借助激光跟蹤儀，將裝夾好的第一凹球面鏡、第二凹球面鏡和一塊凸球面鏡的三維調整架安裝擺放，使所述的第一凹球面鏡、第二凹球面鏡和凸球面鏡的中心的坐標分別為5781，O ;2893，-332.9 ;和4672，-633.4 ;保障定位誤差不大于Icm ；
[0011]3)利用激光跟蹤儀，過物點，標識出與工作光軸成26°的假離軸卡塞格林成像系統(tǒng)的幾何光軸，并在該幾何光軸上標出所述的第一凹球面鏡和第二凹球面鏡的球心609.09，-297.07和所述的凸球面鏡的球心556.06, -271.21，作為刀口儀的第一工作點和第二工作點；
[0012]4)沿所述的幾何光軸方向安裝所述的刀口儀組件的滑動導軌，該滑動導軌的角度校準精度為lmrad，在該滑動導軌上安裝所述的刀口儀，將所述的刀口儀的光纖點光源定位在物點位置；
[0013]5)沿刀口儀方向滑動導軌，使點光源對準所述的刀口儀第一工作點，通過調節(jié)所述的第一凹球面鏡和第二凹球面鏡，使其球心精確定位在所述的刀口儀的刀刃位置，隨后沿導軌方向，將刀口儀移動至所述的刀口儀第二工作點；
[0014]6)將所述的凸球面鏡的球心精確定位在刀刃位置，即刀口儀第二工作點:
[0015]將所述的凸球面鏡對應的凹球面樣板安裝在夾持臂上，將該夾持臂安裝在三維平移臺上，夾持所述的凹球面樣板的鏡框突出所述的三維平移臺20cm，調節(jié)所述的三維平移臺，將所述的凹球面樣板的球心定位于所述的刀口儀第二工作點位置，以所述的凹球面樣板為基準，將所述的凸球面鏡靠近所述的凹球面樣板，通過調節(jié)所述的凸球面鏡的兩維角度和軸向平移，使所述的凸球面鏡靠近所述的凹球面樣板，所述的刀口儀出現凹球面樣板與凸球面鏡的干涉條紋，繼續(xù)調節(jié)凸球面鏡，待所述的刀口儀上的干涉條紋出現最稀疏的直條紋時，鎖定凸球面鏡，拆除所述的凹球面樣板，調解完畢。
[0016]本發(fā)明的技術效果如下:
[0017]1、對傳統(tǒng)的卡塞格林系統(tǒng)進行改進，利用凹凸球面像差補償的特性，使之能對有限遠處物點及其附近較大范圍(子午弧矢±10mrad，軸向±10cm)具有近衍射受限的成像能力。因此，該系統(tǒng)非常適合高功率脈沖激光遠場測量，較之于橢球面遠場成像系統(tǒng)，極大的方便了遠場測量系統(tǒng)與靶鏡光軸、被測焦斑的耦合問題，使成像系統(tǒng)的品質因子更加可
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[0018]2、本發(fā)明利用刀口儀軸向高靈敏度的特點，對三個球面鏡中心的坐標和姿態(tài)精確定位，使調節(jié)過程有明確的基準，不需在調節(jié)過程中對像點焦斑實時監(jiān)測。調節(jié)完畢后，只需將刀口儀點光源返回物點，像點位置的焦斑即為成像系統(tǒng)品質因子。
[0019]3、在1053nm單模光纖照明狀態(tài)下，考察像點5位置的成像情況。實驗結果表明，得到1.6倍衍射極限的品質因子。實驗值與模擬值的差別在于大口徑反射元件在裝夾過程中產生了比較明顯的象散。
[0020]為驗證卡塞格林系統(tǒng)的視場范圍，對坐標原點成像后，將刀口儀點光源沿導軌方向滑動5cm。對其進行成像，可找到對應的像點，通過比較，其像點與坐標原點的像點焦斑近似一致。也即說明本發(fā)明和調試方案無明顯殘余像差。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明對有限遠物面成像的球面卡塞格林系統(tǒng)結構關系示意圖
[0022]圖2是本發(fā)明對有限遠物面成像的球面卡塞格林系統(tǒng)用于高功率激光遠場焦斑測試圖；
[0023]圖3是凸球面M2定位調整示意圖；
[0024]圖4本發(fā)明對有限遠物面成像的球面卡塞格林系統(tǒng)品質因子示意圖
[0025]圖4本發(fā)明(a)Zemax光學設計軟件獲得的假離軸三反卡塞格林系統(tǒng)子午、弧矢面內±50mm視場范圍點光源成像情況，其衍射極限的尺度為19.33μπι，分別考察物方(-50，50)，(O, 50)，(50，50)，(-50，O)，原點(O, O)，(O, 50)，(-50，-50)，(O, -50)，(50，-50)九個視場位置的品質因子；(b)現有技術zemax光學設計軟件獲得的反射橢球面系統(tǒng)子午、弧矢面內±Imm視場范圍點光源成像情況，其衍射極限尺度為14.11 ym，分別考察物方(-1，I)，(O, I)，(I, I)，(-1，O)，原點(O, O)，(O, I)，(-1，-1)，(O, -1)，(I, -1)九個視場位置的品質因子，圖中圓圈為兩種方案各自衍射極限對應的尺度，軟件模擬圖中。Zemax軟件在圖中左下方給出了不同視場位置成像點列圖的均方根直徑和幾何直徑。
[0026]圖5是本發(fā)明對有限遠物面成像的球面卡塞格林系統(tǒng)在1053光纖點光源照明條件下品質因子示意圖
[0027]圖5 (a)系統(tǒng)對物點I處點光源成像的品質因子；
[0028]圖5(b)將點光源沿導軌方向移動5cm(圖1中紅色點劃線所示)，本發(fā)明系統(tǒng)成像品質因子；
[0029]圖6是圖5(a)數據處理結果，在1053nm點光源照明下，品質因子的80 %能量集中于1.6倍衍射極限；
[0030]圖7是圖2測量結果:能量897J，80%能量集中于5.1倍衍射極限；
[0031]圖8是現有天文卡塞格林望遠系統(tǒng)，非球面曼金鏡反射系統(tǒng)，對無窮遠處成像(中國，授權公告號:204229042U)；
[0032]圖9是現有離軸卡塞格林望遠系統(tǒng)，用于超光譜成像光譜儀，由四次非球面、球面和二次非球面構成
【具體實施方式】
[0033]下面結合說明書附圖和實施例，對本發(fā)明系統(tǒng)做進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0034]先請參閱圖1，圖1是本發(fā)明對有限遠物面成像的球面卡塞格林系統(tǒng)結構關系