一种太赫兹波段离轴三反射镜系统及其装调方法
【专利摘要】本发明提供了一种太赫兹波段离轴三反射镜系统及其装调方法，属于离轴反射成像光学系统【技术领域】。所述太赫兹波段离轴三反射镜系统包括测量基座、主镜、次镜、三镜，其特征在于，还包括设置在测量基座上的第一测量探头、第二测量探头、第三测量探头，以及固定在主镜侧面的第一高精度参考块，固定在次镜侧面的第二高精度参考块和固定在三镜侧面的第三高精度参考块，所述第一测量探头、第二测量探头和第三测量探头上均设置有距离传感器，通过距离传感器测量第一高精度参考块、第二高精度参考块和第三高精度参考块的位置、姿态和自由度信息，则可得到主镜、次镜和三镜的位置、姿态和自由度信息，从而实现大型离轴三反射镜系统的精确装调。
【专利说明】一种太赫兹波段离轴三反射镜系统及其装调方法
【技术领域】
[0001]本发明属于离轴反射成像光学系统【技术领域】，具体涉及一种太赫兹波段离轴三反射镜系统及其装调方法。
【背景技术】
[0002]离轴三反射镜光学系统由于具有可同时实现长焦距与大视场、无中心遮拦、调制传递函数高、对杂散光抑制能力强等优点，成为了空间遥感测量系统的一个重要组成部分。其结构如图1所示，包括主镜(1)、次镜(2)、三镜(3)和像面(4)，离轴三反射镜光学系统的安装质量主要由这三个反射镜的相互空间位置、姿态与理论值之间的误差所决定。但由于其结构的复杂性(每个光学元件都有6个自由度)和非对称性，且各反射镜自由度之间相互独立、跨距较大，要实现系统的高精度装调极其困难。
[0003]目前，离轴三反射镜光学系统的装配调试方法主要有两种:一是自准干涉法，如图2所示，即通过放在离轴三反射镜光学系统焦点的球面干涉仪(5)发出球面光波，经过离轴三反射镜光学系统后变成平面波，出射光束由一块标准平面镜(6)反射后，按原路返回形成被测波面，此波面再次通过光学系统后与干涉仪内部的标准参考球面波发生干涉，得到干涉条纹从而通过计算机辅助装调优化处理得到系统失调量。该方法的应用前提是需要能够产生球面光波的光源以及干涉条纹图样可观察，因此近紫外、可见光、近红外波段的离轴三反射镜光学系统多采用该方法。但是，对太赫兹波段离轴三反射镜系统而言:首先太赫兹波段的反射表面镀铝且较粗糙，不能反射可见光，因此不能借助可见光进行自准干涉；其次太赫兹光源功率较弱，只能为微型或小型太赫兹光学系统提供光源，因此太赫兹波段离轴三反射镜系统的装调无法使用自准干涉方法。
[0004]离轴三反射镜光学系统的另一种装配调试方法为空间定位方法，对于小型离轴三反射镜系统，可在加工安装支架时，利用高精度机床加工出安装定位基准，保证各反射镜位置的准确性，同时在安装过程中利用游标卡尺等高精度量具检验反射镜的位置误差；而对于中型离轴三反射镜系统，则采用全站仪、经纬仪、测距仪等测绘仪器对反射镜的空间位置、姿态进行测量。该方法是目前太赫兹波段离轴三反射镜系统的主要装调方法，但是随着反射镜的体积和跨距增大、工作波长减小，反射镜的位置、姿态的安装精度也越来越高，已经逐渐达到甚至超过了全站仪、经纬仪、测距仪等测绘仪器的极限精度。因此对于大型、短波长的太赫兹离轴三反射镜系统而言，高精度的装调已成为难题。
【发明内容】
[0005]为了克服现有技术中存在的大型、短波长的太赫兹离轴三反射镜系统装调的难题，本发明提供了一种太赫兹波段离轴三反射镜系统及其装调方法，该系统在每个反射镜镜框侧面设置一个高精度参考块，在测量基座上设置测量探头，通过测量探头上的距离传感器测量高精度参考块的位置、姿态和自由度信息，得到反射镜的自由度信息，从而达到精确装调的目的。
[0006]一种太赫兹波段离轴三反射镜系统，包括测量基座、主镜、次镜、三镜，其特征在于，还包括设置在测量基座上的第一测量探头、第二测量探头、第三测量探头，以及固定在主镜侧面的第一高精度参考块，固定在次镜侧面的第二高精度参考块和固定在三镜侧面的第三高精度参考块，所述第一测量探头、第二测量探头和第三测量探头上均设置有距离传感器，通过距离传感器测量第一高精度参考块、第二高精度参考块和第三高精度参考块的位置、姿态和自由度信息，则可得到主镜、次镜和三镜的位置、姿态和自由度信息，从而实现反射镜的装调。
[0007]进一步地，所述高精度参考块通过焊接的方式固定在反射镜的侧面。
[0008]一种太赫兹波段离轴三反射镜系统的装调方法，包括以下步骤:
[0009]步骤1:将三个测量探头固定在测量基座上，采用高精度机床对测量基座上的三个测量探头进行标定；
[0010]步骤2:采用激光干涉仪对步骤I标定后的三个测量探头的结果进行补偿；
[0011]步骤3:在主镜镜框的侧面固定设置第一高精度参考块，次镜镜框的侧面固定设置第二高精度参考块，三镜镜框的侧面固定设置第三高精度参考块，经过轮廓检验得到高精度参考块的位置、姿态、自由度与反射镜的位置、姿态、自由度的对应关系；
[0012]步骤4:将主镜、次镜和三镜分别固定于可移动的支架上，将主镜、次镜和三镜分别移动到理论位置附近，首先对三个反射镜的位置和姿态进行粗略调整，然后测量探头通过距离传感器测量高精度参考块的位置、姿态和自由度信息，即可得到反射镜的位置、姿态和自由度的信息，从而实现各反射镜的精确调试。
[0013]其中，上述主镜和第一高精度参考块对应第一测量探头，次镜和第二高精度参考块对应第二测量探头，三镜和第三高精度参考块对应第三测量探头。
[0014]本发明的有益效果为:
[0015]1、本发明通过在各反射镜的镜框侧面固定设置高精度参考块，在装调过程中以该参考块为测量对象，参考块的位置、姿态和6个自由度的信息可通过测量探头得到，从而换算出每一个反射镜6个自由度的信息，实现大型三反射系统的精确装调。
[0016]2、本发明采用高精度机床对3个测量探头的绝对位置进行标定，并利用激光干涉仪对机床本身运动误差进一步校正，从而补偿测量系统的3个测量探头的绝对位置的标定误差，得到3个测量探头较精确的绝对位置。
[0017]3、本发明采用测量探头上的18个高精度距离传感器确定3个反射镜参考块之间的相对位置、姿态，从而得到反射镜的相对位置、姿态，实现太赫兹波段离轴三反射镜系统的精确装调。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为离轴三反射镜光学系统的光路示意图。
[0019]图2为自准干涉法装调离轴三反射镜系统的示意图。
[0020]图3为本发明提供的太赫兹波段离轴三反射镜系统的示意图。
[0021]图4为高精度参考块与测量探头和反射镜的位置关系示意图。
[0022]图5为采用高精度机床对测量探头进行校准的示意图。
[0023]图6为采用高精度机床对测量探头进行标定的原理图。
[0024]图中，(1)为主镜，(2)为次镜，(3)为三镜，(4)为像面，(5)为球面干涉仪，(6)为标准平面镜，(7)为第一测量探头，(8)为第二测量探头，(9)为第三测量探头，(10)为第一高精度参考块，(11)为第二高精度参考块，(12)为第三高精度参考块，(13)为测量基座，
(14)为机床参考块，(15)为机床主轴，(16)为机床移动平台。1、2、3、4、5、6表示设置在测量探头上的6个距离传感器。
【具体实施方式】
[0025]下面结合附图和实施例对本发明做进一步地介绍。
[0026]图3为本发明提供的太赫兹波段离轴三反射镜系统的示意图，所述太赫兹离轴三反射镜系统包括测量基座、主镜、次镜和三镜，其特征在于，还包括设置在测量基座上的第一测量探头(7)、第二测量探头(8)、第三测量探头(9)，以及固定在主镜侧面的第一高精度参考块(10)，固定在次镜侧面的第二高精度参考块(11)和固定在三镜侧面的第三高精度参考块(12)，所述第一测量探头、第二测量探头和第三测量探头上均设置有距离传感器，所述第一测量探头通过距离传感器测量第一高精度参考块的位置、姿态和自由度信息，所述第二测量探头通过距离传感器测量第二高精度参考块的位置、姿态和自由度信息，所述第三测量探头通过距离传感器测量第一高精度参考块的位置、姿态和自由度信息，然后根据各高精度参考块和各反射镜之间的对应关系即可得到主镜、次镜和三镜的位置、姿态和自由度信息，从而实现反射镜的装调。
[0027]进一步地，所述高精度参考块通过焊接的方式固定在反射镜的侧面。
[0028]一种太赫兹波段离轴三反射镜系统的装调方法，包括以下步骤:
[0029]步骤1:采用高精度机床对基座上的三个测量探头进行标定:如图5所示，将3个测量探头固定在测量基座(13)上，然后将测量基座安装到大型高精度机床的移动平台上，在机床的主轴(15)上安装1个机床参考块(14)，利用该机床参考块对三个测量探头的相对位置与姿态进行标定。
[0030]具体的标定原理为:机床参考块的起始位置为主镜测量探头(第一测量探头)附近，此时，主镜探头与参考块之间的相对位置可由距离传感器测得，分别为(d2，d4);当机床参考块被高精度机床移动(Dl，D2)的距离到次镜测量探头处时，次镜探头与机床参考块之间的相对位置可由距离传感器测得，分别为(dl，d3);由于高精度参考块的外形尺寸是已知的，为(W，L)，那么主镜探头与次镜探头的相对位置为(d2+Dl+W+dl，d4+D2+L+d3)，其他反射镜之间相对位置或恣态的标定原理同上。
[0031]步骤2:采用激光干涉仪对步骤1标定后的三个测量探头的结果进行补偿:尽管目前常见大型数控加工中心的重复定位精度均能达到±5um以内，但由于机床的运动精度最终会对本测量系统的测量精度造成影响，为了保证机床标定结果更准确、更可靠，可利用激光干涉仪对机床的运动精度进行检测，并对标定结果进行修正。
[0032]步骤3:在主镜镜框的侧面焊接固定第一高精度参考块，次镜镜框的侧面焊接固定第二高精度参考块，三镜镜框的侧面焊接固定第三高精度参考块，然后利用高精度的三坐标仪进行轮廓检验，即可得到高精度参考块的位置、姿态、自由度与反射镜的位置、姿态、自由度的对应关系；
[0033]步骤4:将主镜、次镜和三镜分别固定于可移动的支架上，首先将各反射镜安装到理论位置附近，进行粗略的位置与姿态的调整，然后通过测量探头上的距离传感器测量各高精度参考块的位置、姿态和其在空间坐标系中的6个自由度的信息，即可得到反射镜的位置、姿态和自由度信息，根据各反射镜的相对位置和姿态与理论值的差别，对各反射镜的位置进行调整。
[0034]本实施例对测量探头的标定结果进行补偿时采用的激光干涉法是高精度机床精度检验的常用方法，其测量精度高，通常能达到数nm，通过激光干涉仪对高精度机床校准结果进行补偿，可使机床对测量系统的校准结果更加精确；本实施利用6自由度定位的方法，在每个反射镜的镜框侧面固定设置高精度参考块，在装调过程中，以该参考块为测量参考，其位置、姿态和6个自由度的信息可由测量探头上的距离传感器获得，从而得到各反射镜的6个自由度的信息，实现各反射镜的精调。
【权利要求】
1.一种太赫兹波段离轴三反射镜系统，包括测量基座、主镜、次镜、三镜，其特征在于，还包括设置在测量基座上的第一测量探头、第二测量探头、第三测量探头，以及固定在主镜侧面的第一高精度参考块，固定在次镜侧面的第二高精度参考块和固定在三镜侧面的第三高精度参考块，所述第一测量探头、第二测量探头和第三测量探头上均设置有距离传感器，通过距离传感器测量第一高精度参考块、第二高精度参考块和第三高精度参考块的位置、姿态和自由度信息，则可得到主镜、次镜和三镜的位置、姿态和自由度信息，从而实现反射镜的装调。
2.根据权利要求1所述的太赫兹波段离轴三反射镜系统，其特征在于，所述高精度参考块通过焊接的方式固定在对应的反射镜的侧面。
3.一种太赫兹波段离轴三反射镜系统的装调方法，包括以下步骤: 步骤1:将三个测量探头固定在测量基座上，采用高精度机床对测量基座上的三个测量探头进行标定； 步骤2:采用激光干涉仪对步骤I标定后的三个测量探头的结果进行补偿； 步骤3:在主镜镜框的侧面固定设置第一高精度参考块，次镜镜框的侧面固定设置第二高精度参考块，三镜镜框的侧面固定设置第三高精度参考块，经过轮廓检验得到高精度参考块的位置、姿态、自由度与反射镜的位置、姿态、自由度的对应关系； 步骤4:将主镜、次镜和三镜分别固定于可移动的支架上，将主镜、次镜和三镜分别移动到理论位置附近，首先对三个反射镜的位置和姿态进行粗略调整，然后测量探头通过距离传感器测量高精度参考块的位置、姿态和自由度信息，即可得到反射镜的位置、姿态和自由度的信息，从而实现各反射镜的精确调试。
【文档编号】G02B17/06GK104391366SQ201410690280
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月25日 优先权日:2014年11月25日
【发明者】王超, 曾青, 梁莹林, 陈磊, 杨萍, 姜晶, 简贤, 唐辉 申请人:电子科技大学