專利名稱：一種確定非球面反射鏡光軸的系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)定心領(lǐng)域，尤其涉及一種確定非球面反射鏡光軸的系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
對于非球面反射鏡而言，非球面的對稱軸即非球面反射鏡的光軸，如圖I所示軸對稱非球面反射鏡的結(jié)構(gòu)示意圖，其中00'為非球面反射鏡的光軸，ΚΓ為機械旋轉(zhuǎn)軸。在裝調(diào)過程中，由于人為或客觀條件等因素的影響，機械旋轉(zhuǎn)軸ΚΓ與非球面反射鏡的光軸 00'并不重合，如果非球面反射鏡是組成光學(xué)系統(tǒng)中的一部分，則系統(tǒng)的光軸與非球面反射鏡的光軸的不重合會導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量降低。所以非球面反射鏡光軸的確定是非球面應(yīng)用中重要的問題?，F(xiàn)有的確定非球面反射鏡光軸與機械旋轉(zhuǎn)軸重合的方法有很多第一種非球面定心加工方法如圖2所示，利用內(nèi)調(diào)焦定心儀5尋找控制非球面反射鏡的近似球心的跳動量，再利用千分表4控制其的外圓與端面的跳動，保證光軸與機械旋轉(zhuǎn)軸的重合精度。這種方法的缺點1、此方法采用千分表接觸式測量，操作過程容易劃傷反射鏡鍍膜面；2、多次調(diào)整非球面反射鏡姿態(tài)時，接觸式測量的復(fù)位精度無法保證，造成累積誤差。第二種方法如圖3所示，通過平行光管7尋找非球面反射鏡的軸上焦點和軸外焦點，采用CXD相機接收軸上焦點像Fl和軸外焦點像F2并通過PC機觀察，控制焦點像跳動量保證光軸與機械旋轉(zhuǎn)軸的重合精度。這種方法的缺點1、系統(tǒng)搭建比較復(fù)雜，還要使用半透半反鏡，減弱了光線能量， 降低了圖像分辨能力；2、軸外焦點所成的實像像差隨著視場角的增大而增大，無法在CCD 上獲得滿意的圖像(像散像差非常大)，控制像點跳動非常困難，勉強操作得到的定軸精度根本無法得到保證。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有確定非球面反射鏡光軸精度低、搭建系統(tǒng)復(fù)雜、鏡面保護(hù)等問題，本發(fā)明提供一種確定非球面反射鏡光軸的系統(tǒng)及方法。本發(fā)明的技術(shù)解決方案—種確定非球面反射鏡光軸的系統(tǒng)，包括機械旋轉(zhuǎn)軸、姿態(tài)調(diào)整工裝、鏡框、發(fā)光源、第一內(nèi)調(diào)焦定心儀、第二內(nèi)調(diào)焦定心儀、CXD相機以及PC機，所述發(fā)光源設(shè)置在非球面反射鏡的已知焦點處， 所述姿態(tài)調(diào)整工裝設(shè)置在機械旋轉(zhuǎn)軸上，所述鏡框設(shè)置在姿態(tài)調(diào)整工裝的一端，所述第一內(nèi)調(diào)焦定心儀設(shè)置在大于非球面反射鏡半徑的位置，進(jìn)行調(diào)焦使定心儀焦點與非球面反射鏡近似球心像重合，所述第二內(nèi)調(diào)焦定心儀位于發(fā)光源從非球面反射鏡的已知焦點處發(fā)光經(jīng)非球面反射后的光路上，
所述CXD相機接收第一內(nèi)調(diào)焦定心儀和第二內(nèi)調(diào)焦定心儀的像點，所述CXD相機的另一端與PC機連接。一種基于上述系統(tǒng)的確定非球面反射鏡光軸的方法，其特殊之處在于包括以下步驟I組裝權(quán)利要求I所述的確定非球面反射鏡光軸的系統(tǒng)，包括機械旋轉(zhuǎn)軸、姿態(tài)調(diào)整工裝、鏡框、發(fā)光源、第一內(nèi)調(diào)焦定心儀、第二內(nèi)調(diào)焦定心儀、CXD相機以及PC機，發(fā)光源設(shè)置在待確定非球面反射鏡的已知焦點處，姿態(tài)調(diào)整工裝設(shè)置在機械旋轉(zhuǎn)軸上，鏡框設(shè)置在姿態(tài)調(diào)整工裝的一端，將待確定非球面反射鏡裝在鏡框里，所述第一內(nèi)調(diào)焦定心儀設(shè)置在大于非球面反射鏡半徑的位置，進(jìn)行調(diào)焦使定心儀焦點與非球面反射鏡近似球心像重合，第二內(nèi)調(diào)焦定心儀位于發(fā)光源從非球面反射鏡的已知焦點發(fā)光經(jīng)非球面反射后的光路上，CCD相機接收第一內(nèi)調(diào)焦定心儀和第二內(nèi)調(diào)焦定心儀的像點，CCD相機的另一端與PC機連接；2采用自準(zhǔn)直法確定非球面反射鏡的近似球心，通過第一內(nèi)調(diào)焦定心儀調(diào)焦后接收近似球心的像得到近似球心像；3讓設(shè)置在非球面反射鏡的已知焦點處的發(fā)光源發(fā)光，經(jīng)非球面鏡匯聚于一點即為軸上焦點，通過第二內(nèi)調(diào)焦定心儀接收軸上焦點的像得到軸上焦點像；4將步驟2、步驟3找到的近似球心像和軸上焦點像通過CXD相機顯示在PC機上；5調(diào)整姿態(tài)調(diào)整工裝，并觀察PC機上的近似球心像和軸上焦點像，直至近似球心像和軸上焦點像的運動軌跡由劃大圓逐漸變?yōu)閯澬A甚至接近靜止不動，此時非球面反射鏡的光軸與機械旋轉(zhuǎn)軸近似重合，機械旋轉(zhuǎn)軸即為非球面反射鏡的光軸。上述的確定非球面反射鏡光軸的方法，其特殊之處在于非球面反射鏡的截面為拋物面時，所述發(fā)光源為平行光管。上述的確定非球面反射鏡光軸的方法，其特殊之處在于非球面反射鏡的截面為橢圓面時，所述發(fā)光源為點光源。本發(fā)明所具有的優(yōu)點本發(fā)明完全采用光學(xué)非接觸式測量方式，尋找非球面反射鏡的近似球心像和軸上焦點像，通過姿態(tài)調(diào)整工裝改變反射鏡空間姿態(tài)，控制兩像點在內(nèi)調(diào)焦定心儀內(nèi)的跳動量， 保證光軸與機械旋轉(zhuǎn)軸的重合精度。


圖I非球面反射鏡的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)中一種確定非球面反射鏡與機械旋轉(zhuǎn)軸重合的系統(tǒng)不意圖；圖3為現(xiàn)有技術(shù)中另一種確定非球面反射鏡與機械旋轉(zhuǎn)軸重合的系統(tǒng)示意圖；圖4為發(fā)明一種實施例示意圖；圖5為本發(fā)明另一種實施例示意圖；圖6為姿態(tài)調(diào)整工裝的結(jié)構(gòu)示意圖；其中附圖標(biāo)記為I-機械旋轉(zhuǎn)軸，2-姿態(tài)調(diào)整工裝，3-非球面反射鏡，4-千分表， 5-內(nèi)調(diào)焦定心儀，6-半透半反鏡，7-平行光管，8-CXD相機，9-PC機，11-第一內(nèi)調(diào)焦定心儀,12-第二內(nèi)調(diào)焦定心儀，O'-近似球心，F(xiàn)'-軸上焦點，F(xiàn)l-軸上焦點像，F(xiàn)2-軸外焦點像，F(xiàn)3-軸上焦點，F(xiàn)4-已知焦點，24-過渡法蘭盤，25-傾斜調(diào)整螺釘，26-平移調(diào)整螺釘， 27-通孔，28-車床主軸連接螺釘，211-傾斜調(diào)整環(huán)，212-平移調(diào)整環(huán)。
具體實施例方式如圖4所示，確定非球面反射鏡光軸的系統(tǒng)，非球面反射鏡的截面為拋物面，包括機械旋轉(zhuǎn)軸I、姿態(tài)調(diào)整工裝2、鏡框、發(fā)光源、第一內(nèi)調(diào)焦定心儀11、第二內(nèi)調(diào)焦定心儀12、 CCD相機8以及PC機9，發(fā)光源設(shè)置在非球面反射鏡的已知焦點(無窮遠(yuǎn))處，發(fā)光源為平行光管。姿態(tài)調(diào)整工裝2設(shè)置在機械旋轉(zhuǎn)軸上，鏡框設(shè)置在姿態(tài)調(diào)整工裝的一端，第一內(nèi)調(diào)焦定心儀設(shè)置在待確定非球面反射鏡的大于半徑的位置，進(jìn)行調(diào)焦使定心儀焦點與非球面反射鏡近似球心像重合，第二內(nèi)調(diào)焦定心儀位于發(fā)光源從非球面反射鏡的已知焦點處發(fā)光經(jīng)非球面反射后的光路上，CXD相機接收第一內(nèi)調(diào)焦定心儀和第二內(nèi)調(diào)焦定心儀的像點，CXD相機的另一端與PC機連接。如圖5所示,確定非球面反射鏡光軸的系統(tǒng),非球面反射鏡的截面為橢圓面,包括機械旋轉(zhuǎn)軸I、姿態(tài)調(diào)整工裝2、鏡框、發(fā)光源、第一內(nèi)調(diào)焦定心儀11、第二內(nèi)調(diào)焦定心儀12、 CCD相機8以及PC機9，發(fā)光源設(shè)置在非球面反射鏡的已知焦點F4處，發(fā)光源為點光源。姿態(tài)調(diào)整工裝2設(shè)置在機械旋轉(zhuǎn)軸上，鏡框設(shè)置在姿態(tài)調(diào)整工裝的一端，第一內(nèi)調(diào)焦定心儀設(shè)置在待確定非球面反射鏡的大于半徑的位置，進(jìn)行調(diào)焦使定心儀焦點與非球面反射鏡近似球心像重合，第二內(nèi)調(diào)焦定心儀位于發(fā)光源從非球面反射鏡的已知焦點處發(fā)光經(jīng)非球面反射后的光路上，CCD相機接收第一內(nèi)調(diào)焦定心儀和第二內(nèi)調(diào)焦定心儀的像點，CCD相機的另一端與PC機連接。姿態(tài)調(diào)整工裝結(jié)構(gòu)參見圖6，包括可固定非球面反射鏡的過渡法蘭盤、安裝在過渡法蘭盤后端面的傾斜調(diào)整環(huán)、安裝在傾斜調(diào)整環(huán)后端面的平移調(diào)整環(huán)，過渡法蘭盤和傾斜調(diào)整環(huán)之間設(shè)置有四個圓周均布的傾斜調(diào)整螺釘，傾斜調(diào)整環(huán)和平移調(diào)整環(huán)之間設(shè)置有四個圓周均布的平移調(diào)整螺釘，平移調(diào)整環(huán)和機械旋轉(zhuǎn)軸連接；過渡法蘭盤、傾斜調(diào)整環(huán)以及平移調(diào)整環(huán)的回轉(zhuǎn)中心設(shè)置有通孔。通過微量調(diào)節(jié)傾斜調(diào)整螺釘和平移調(diào)整螺釘，就可以調(diào)整非球面反射鏡的光軸。確定非球面反射鏡光軸的方法，包括以下步驟I組裝確定非球面反射鏡光軸的系統(tǒng)，包括機械旋轉(zhuǎn)軸、姿態(tài)調(diào)整工裝、鏡框、發(fā)光源、第一內(nèi)調(diào)焦定心儀、第二內(nèi)調(diào)焦定心儀、CXD相機以及PC機，發(fā)光源設(shè)置在待確定非球面反射鏡的已知焦點處，姿態(tài)調(diào)整工裝設(shè)置在機械旋轉(zhuǎn)軸上，鏡框設(shè)置在姿態(tài)調(diào)整工裝的一端，將待確定非球面反射鏡裝在鏡框里，第一內(nèi)調(diào)焦定心儀設(shè)置在大于待確定非球面反射鏡半徑的位置，進(jìn)行調(diào)焦使定心儀焦點與非球面反射鏡近似球心像重合，第二內(nèi)調(diào)焦定心儀位于從非球面反射鏡的已知一個焦點發(fā)光經(jīng)非球面反射后的光路上，CCD相機接收第一內(nèi)調(diào)焦定心儀和第二內(nèi)調(diào)焦定心儀的像點，CCD相機的另一端與PC機連接；
2采用自準(zhǔn)直法確定非球面反射鏡的近似球心O'，通過第一內(nèi)調(diào)焦定心儀接收近似球心的像得到近似球心像；3讓設(shè)置在待確定非球面反射鏡的已知一個焦點處的發(fā)光源發(fā)光，經(jīng)非球面鏡匯聚于一點即為軸上焦點F',通過第二內(nèi)調(diào)焦定心儀接收軸上焦點的像得到軸上焦點像；4將步驟2、步驟3找到的近似球心像和軸上焦點像通過CXD相機顯示在PC機上；5調(diào)整姿態(tài)調(diào)整工裝，并觀察PC機上的近似球心像和軸上焦點像，直至近似球心像和軸上焦點像的運動軌跡成小圓，此時機械旋轉(zhuǎn)軸的位置與非球面反射鏡的光軸重合。非球面反射鏡的截面為拋物面時，所述發(fā)光源為平行光管7。非球面反射鏡的截面為橢圓面時，所述發(fā)光源為點光源。實施例非球面反射鏡的截面為橢圓面時，發(fā)光源為點光源I、采用自準(zhǔn)直法確定非球面反射鏡的近似球心像；通過第一內(nèi)調(diào)焦定心儀發(fā)光經(jīng)非球面反射鏡反射匯聚于一點即為近似球心，再被第一內(nèi)調(diào)焦定心儀接收形成近似球心像。2.、非球面反射鏡的截面為橢球面時，發(fā)光源為點光源，如圖5所示，也可以用第一內(nèi)調(diào)焦定心儀充當(dāng)發(fā)光源，移動第一定心儀到橢球面非球面反射鏡的已知焦點Fl處，發(fā)出光線經(jīng)過非球面反射鏡匯聚到軸上焦點F2處；3、用第二內(nèi)調(diào)焦定心儀接收軸上焦點F2的像成軸上焦點像；4、通過與第一內(nèi)調(diào)焦定心儀和第二內(nèi)調(diào)焦定心儀連接的C⑶相機將近似球心像和軸上焦點像采集到PC機上，觀察兩像點的畫圓量，調(diào)節(jié)姿態(tài)調(diào)整工裝，至近似球心像和軸上焦點像的運動軌跡成小圓(直至像點畫圓量減小不動)，調(diào)整完畢，此時機械旋轉(zhuǎn)軸的位置與非球面反射鏡的光軸重合。非球面反射鏡的截面為拋物面時，發(fā)光源為平行光發(fā)光源I、采用自準(zhǔn)直法確定非球面反射鏡的近似球心像；通過第一內(nèi)調(diào)焦定心儀發(fā)光經(jīng)非球面反射鏡反射匯聚于一點即為近似球心，再被第一內(nèi)調(diào)焦定心儀接收形成近似球心像。2、截面為拋物面，已知焦點在無窮遠(yuǎn)處，采用平行光，如圖4所示，讓設(shè)置在待確定非球面反射鏡的已知一個焦點(焦點位于無窮遠(yuǎn))處的發(fā)光源發(fā)光，平行光管照射到非球面反射鏡上，經(jīng)非球面鏡匯聚于一點即為軸上焦點，通過第二內(nèi)調(diào)焦定心儀接收軸上焦點的像得到軸上焦點像； 3將近似球心像和軸上焦點像通過CXD相機顯示在PC機上；4調(diào)整姿態(tài)調(diào)整工裝，并觀察PC機上的近似球心像和軸上焦點像，直至近似球心像和軸上焦點像的運動軌跡成小圓，此時機械旋轉(zhuǎn)軸的位置與非球面反射鏡的光軸重合。調(diào)整非球面反射鏡實質(zhì)是通過鏡框調(diào)整，非球面反射鏡放置在鏡框里，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來講為公知嘗試，所以就本發(fā)明就說明調(diào)節(jié)反球面反射鏡。
權(quán)利要求
1.一種確定非球面反射鏡光軸的系統(tǒng)，包括機械旋轉(zhuǎn)軸、姿態(tài)調(diào)整工裝、鏡框、發(fā)光源、 第一內(nèi)調(diào)焦定心儀、第二內(nèi)調(diào)焦定心儀、CXD相機以及PC機，所述發(fā)光源設(shè)置在非球面反射鏡的已知焦點處，所述姿態(tài)調(diào)整工裝設(shè)置在機械旋轉(zhuǎn)軸上，所述鏡框設(shè)置在姿態(tài)調(diào)整工裝的一端，所述第一內(nèi)調(diào)焦定心儀設(shè)置在大于非球面反射鏡半徑的位置，進(jìn)行調(diào)焦使定心儀焦點與非球面反射鏡近似球心像重合，所述第二內(nèi)調(diào)焦定心儀位于發(fā)光源從非球面反射鏡的已知焦點處發(fā)光經(jīng)非球面反射后的光路上，所述CCD相機接收第一內(nèi)調(diào)焦定心儀和第二內(nèi)調(diào)焦定心儀的像點，所述CCD相機的另一端與PC機連接。
2.一種基于權(quán)利要求I所述系統(tǒng)的確定非球面反射鏡光軸的方法，其特征在于包括以下步驟I組裝權(quán)利要求I所述的確定非球面反射鏡光軸的系統(tǒng)，包括機械旋轉(zhuǎn)軸、姿態(tài)調(diào)整工裝、鏡框、發(fā)光源、第一內(nèi)調(diào)焦定心儀、第二內(nèi)調(diào)焦定心儀、C⑶相機以及PC機，發(fā)光源設(shè)置在待確定非球面反射鏡的已知焦點處，姿態(tài)調(diào)整工裝設(shè)置在機械旋轉(zhuǎn)軸上，鏡框設(shè)置在姿態(tài)調(diào)整工裝的一端，將待確定非球面反射鏡裝在鏡框里，所述第一內(nèi)調(diào)焦定心儀設(shè)置在大于非球面反射鏡半徑的位置，進(jìn)行調(diào)焦使定心儀焦點與非球面反射鏡近似球心像重合，第二內(nèi)調(diào)焦定心儀位于發(fā)光源從非球面反射鏡的已知焦點發(fā)光經(jīng)非球面反射后的光路上，CXD相機接收第一內(nèi)調(diào)焦定心儀和第二內(nèi)調(diào)焦定心儀的像點，CXD相機的另一端與PC機連接；2采用自準(zhǔn)直法確定非球面反射鏡的近似球心，通過第一內(nèi)調(diào)焦定心儀調(diào)焦后接收近似球心的像得到近似球心像；3讓設(shè)置在非球面反射鏡的已知焦點處的發(fā)光源發(fā)光，經(jīng)非球面鏡匯聚于一點即為軸上焦點，通過第二內(nèi)調(diào)焦定心儀接收軸上焦點的像得到軸上焦點像；4將步驟2、步驟3找到的近似球心像和軸上焦點像通過CXD相機顯示在PC機上； 5調(diào)整姿態(tài)調(diào)整工裝，并觀察PC機上的近似球心像和軸上焦點像，直至近似球心像和軸上焦點像的運動軌跡由劃大圓逐漸變?yōu)閯澬A甚至接近靜止不動，此時非球面反射鏡的光軸與機械旋轉(zhuǎn)軸近似重合，機械旋轉(zhuǎn)軸即為非球面反射鏡的光軸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的確定非球面反射鏡光軸的方法，其特征在于非球面反射鏡的截面為拋物面時，所述發(fā)光源為平行光管。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的確定非球面反射鏡光軸的方法，其特征在于非球面反射鏡的截面為橢圓面時，所述發(fā)光源為點光源。
全文摘要
一種確定非球面反射鏡光軸的系統(tǒng)及方法。一種確定非球面反射鏡光軸的系統(tǒng)，包括機械旋轉(zhuǎn)軸、姿態(tài)調(diào)整工裝、鏡框、發(fā)光源、第一內(nèi)調(diào)焦定心儀、第二內(nèi)調(diào)焦定心儀，發(fā)光源設(shè)置在非球面反射鏡的已知焦點處，姿態(tài)調(diào)整工裝設(shè)置在機械旋轉(zhuǎn)軸上，鏡框設(shè)置在姿態(tài)調(diào)整工裝的一端，第一內(nèi)調(diào)焦定心儀設(shè)置在大于非球面反射鏡半徑的位置，第二內(nèi)調(diào)焦定心儀位于發(fā)光源從非球面反射鏡的已知焦點處發(fā)光經(jīng)非球面反射后的光路上。本發(fā)明解決了現(xiàn)有確定非球面反射鏡光軸精度低、搭建系統(tǒng)復(fù)雜、鏡面保護(hù)等問題，完全采用光學(xué)非接觸式測量方式，尋找非球面反射鏡的近似球心像和軸上焦點像，通過姿態(tài)調(diào)整工裝改變反射鏡空間姿態(tài)，控制兩像點在內(nèi)調(diào)焦定心儀內(nèi)的跳動量，保證光軸與機械旋轉(zhuǎn)軸的重合精度。
文檔編號G01M11/02GK102607811SQ201210080148
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月23日
發(fā)明者付興, 劉軍鵬, 張建, 李華, 李志勇, 杜琛, 韓娟 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所