示意图，由图可见，本发明对有限远物面成像的球面卡塞格林系统，该系统由第一凹球面镜M1、第二凹球面镜M3和一块凸球面镜M2构成一个成像系统并固定在一个稳定的光学平台上，在xy坐标系中以0，O点作为坐标原点，所述的第一凹球面镜Ml、第二凹球面镜M3和一块凸球面镜M2的中心的坐标分别为5781，O ;2893，-332.9 ;和4672，-633.4 ;所述的x轴为系统的工作光轴a，该系统的几何对称光轴c与所述的工作光轴a成26° ;所述的第一凹球面镜M1、第二凹球面镜M3和一块凸球面镜M2的球心均位于几何对称光轴c上，所述的第一凹球面镜Ml、第二凹球面镜M3的球心位于609.09，-297.07 ;所述的凸球面镜M2的球心位于 556.06，-271.21。
[0035]在系统发明过程中，关键步骤是首先将所述的卡塞格林系统优化为近似无焦系统。因此根据像差理论，如图1所示，无焦系统在有限远处一个特定位置，即物点I处，至少可以对包括物点位置I在内的附近约±10cm的三维区域内近衍射受限成像。
[0036]具体的调整过程如下:
[0037]I)如图1所示，借助激光跟踪仪，在实验室坐标系下标出假离轴卡塞格林系统的工作光轴a和确定出物点I的坐标，即xy坐标系的坐标原点(0，O);所述的工作光轴a是系统在调试和使用过程中的实际光路走向；
[0038]2)如图1所示，借助激光跟踪仪，将装夹好的第一凹球面镜M1、第二凹球面镜M3和一块凸球面镜M2的三维调整架安装摆放，使所述的第一凹球面镜Ml、第二凹球面镜M3和凸球面镜M2的中心的坐标分别为(5781，O)、(2893，-332.9)和(4672，-633.4)保障定位误差不大于Icm ；
[0039]3)如图1所示，利用激光跟踪仪，过物点1，标识出与工作光轴a轴成26°的假离轴卡塞格林成像系统的几何光轴C，并在该几何光轴c上标出所述的第一凹球面镜Ml和第二凹球面镜M3的球心7和所述的凸球面镜M2的球心6，作为刀口仪的第一工作点7和第二工作点6 ;
[0040]4)沿所述的几何光轴c方向安装所述的刀口仪组件的滑动导轨，该滑动导轨的角度校准精度为lmrad，在该滑动导轨上安装所述的刀口仪，将所述的刀口仪的光纤点光源定位在物点I位置；
[0041]5)沿刀口仪方向滑动导轨，使点光源对准所述的刀口仪第一工作点7，通过调节所述的第一凹球面镜Ml和第二凹球面镜M3，使其球心精确定位在所述的刀口仪的刀刃位置，随后沿导轨方向，将刀口仪移动至所述的刀口仪第二工作点6 ;
[0042]6)将所述的凸球面镜M2的球心精确定位在刀刃位置，即刀口仪第二工作点6:
[0043]如图3所示，将所述的凸球面镜M2对应的凹球面样板M02安装在夹持臂上，将该夹持臂安装在三维平移台上，夹持所述的凹球面样板M02的镜框突出所述的三维平移台20cm，调节所述的三维平移台，将所述的凹球面样板M02的球心定位于所述的刀口仪第二工作点位置6，以所述的凹球面样板M02为基准，将所述的凸球面镜M2靠近所述的凹球面样板M02，通过调节所述的凸球面镜M2的两维角度和轴向平移，使所述的凸球面镜M2靠近所述的凹球面样板M02，所述的刀口仪出现凹球面样板M02与凸球面镜M2的干涉条纹，继续调节凸球面镜M2，待所述的刀口仪上的干涉条纹出现最稀疏的直条纹时，锁定凸球面镜M2，拆除所述的凹球面样板M02，调解完毕。
[0044]调解完毕后，将点光源置于图1中物点I位置，在像点5位置测得的系统的品质因子，如图6所示，80%能量集中于1.6倍衍射极限。为验证该系统的视场范围，将点光源沿所述的导轨方向移动5cm，在像点5附近得到对应的像点，该像点与物点I处所成的像点的品质因子的对比结果，如图5所示，两视场的品质因子基本一致。
[0045]使用过程:如图2所示，楔形透镜L为激光器聚焦系统。上述卡塞格林系统调解完毕后，将激光器聚焦系统L的光轴z与该系统的工作光轴a相親合，并沿親合光轴a方向调节楔形透镜L的位置，使该楔形透镜L焦点位于卡塞格林系统的物点I附近，作为卡塞格林成像系统的物点，在像点5附近找到该楔形透镜L的焦点的实像，利用10倍显微物镜将该像点5物成像在CXD上，即可进行激光器远场(靶镜焦点)的测量工作。
[0046]由于该卡塞格林系统具有足够大的近衍射极限成像视场(±10mrad)和景深(± 1cm)，因此，楔形透镜L的光轴z与卡塞格林光轴a的親合精度优于5mrad、轴向调焦精度优于1cm即可满足近衍射极限的成像要求，为调试使用过程提供了极大的方便。
[0047]使用所述的卡塞格林成像系统获得的激光器焦斑的实验结果如图7所示:激光脉冲能量897J，光束口径310X310mm2，焦斑80%能量集中于5.1倍衍射极限。
[0048]以上显示和描述了本发明的基本原理、调试方案、主要特征以及优点。本发明不受上述案例的限制，上述案例和说明书中描述的具体参数只为说明本发明和调试方案的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，均要求落入此发明的保护范围。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【主权项】
1.一种对有限远物面成像的球面卡塞格林系统，其特征在于:该系统由第一凹球面镜、第二凹球面镜和一块凸球面镜构成一个成像系统并固定在一个稳定的光学平台上，在xy坐标系中以(0，0)点作为坐标原点，所述的第一凹球面镜、第二凹球面镜和一块凸球面镜的中心的坐标分别为(5781，O)、(2893,-332.9)和(4672，-633.4)，曲率半径分别为5200mm,2337.9mm和4089.6mm ;所述的x轴为系统的工作光轴，该系统的几何对称光轴与所述的工作光轴成26° ;所述的第一凹球面镜、第二凹球面镜和一块凸球面镜的球心均位于几何对称光轴上，所述的第一凹球面镜、第二凹球面镜的球心位于￠09.09, -297.07);所述的凸球面镜的球心位于(556.06，-271.21)。2.根据权利要求1所述的假离轴卡塞格林成像系统的调节方法，其特征在于该方法包括下列步骤: 1)借助激光跟踪仪，在实验室坐标系下标出假离轴卡塞格林系统的工作光轴和确定出物点的坐标，即xy坐标系的坐标原点(0，0);所述的工作光轴是系统在调试和使用过程中的实际光路走向； 2)借助激光跟踪仪，将装夹好的第一凹球面镜、第二凹球面镜和一块凸球面镜的三维调整架安装摆放，使所述的第一凹球面镜、第二凹球面镜和凸球面镜的中心的坐标分别为(5781，O)、(2893，-332.9)和(4672，-633.4)，保障定位误差不大于 Icm ； 3)利用激光跟踪仪，过物点标识出与工作光轴轴成26°的假离轴卡塞格林成像系统的几何光轴，并在该几何光轴上标出所述的第一凹球面镜和第二凹球面镜的球心(609.09，-297.07)和所述的凸球面镜的球心(556.06，-271.21)，分别作为刀口仪的第一工作点和第二工作点； 4)沿所述的几何光轴方向安装所述的刀口仪组件的滑动导轨，该滑动导轨的角度校准精度为lmrad，在该滑动导轨上安装所述的刀口仪，将所述的刀口仪的光纤点光源定位在物点位置； 5)沿刀口仪方向滑动导轨，使点光源对准所述的刀口仪第一工作点，通过调节所述的第一凹球面镜和第二凹球面镜，使其球心精确定位在所述的刀口仪的刀刃位置，随后沿导轨方向，将刀口仪移动至所述的刀口仪第二工作点； 6)将所述的凸球面镜的球心精确定位在刀刃位置，即刀口仪第二工作点: 将所述的凸球面镜对应的凹球面样板安装在夹持臂上，将该夹持臂安装在三维平移台上，夹持所述的凹球面样板的镜框突出所述的三维平移台20cm，调节所述的三维平移台，将所述的凹球面样板的球心定位于所述的刀口仪第二工作点位置，以所述的凹球面样板为基准，将所述的凸球面镜靠近所述的凹球面样板，通过调节所述的凸球面镜的两维角度和轴向平移，使所述的凸球面镜靠近所述的凹球面样板，所述的刀口仪出现凹球面样板与凸球面镜的干涉条纹，继续调节凸球面镜，待所述的刀口仪上的干涉条纹出现最稀疏的直条纹时，锁定凸球面镜，拆除所述的凹球面样板，调解完毕。
【专利摘要】一种对有限远物面成像的球面卡塞格林系统及其调整方法，该系统由第一凹球面镜、第二凹球面镜和一块凸球面镜构成一个成像系统，本发明可克服传统卡塞格林系统和椭球面系统在高功率激光脉冲远场测量方面的缺陷。
【IPC分类】G02B17/06
【公开号】CN105182510
【申请号】CN201510428563
【发明人】刘崇, 季来林, 林尊琪
【申请人】中国科学院上海光学精密机械研究所
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年7月20日