对有限远物面成像的球面卡塞格林系统及其调整方法

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。

权利要求

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，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(5781,0)、(4672,-633.4)和(2893,-332.9)，曲率半径分别为5180.44mm、

4076.80mm和2337.75mm；x轴为系统的工作光轴，该系统的几何对称光轴与工作光轴x成

26°；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，第一凹球面镜、第二凹球面镜的球心位于(609.09，-297.07)；凸球面镜的球心位于(556.06,-

271.21)。

2.根据权利要求1所述的对有限远物面成像的球面卡塞格林系统的调节方法，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对有限远物面成像的球面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)；工作光轴x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,

0)、(4672,-633.4)和(2893,-332.9)，保障定位误差不大于1cm；

3)利用激光跟踪仪，过物点标识出与工作光轴成26°的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第一凹球面镜和第二凹球面镜的球心(609.09，-297.07)和凸球面镜的球心(556.06,-271.21)，分别作为刀口仪的第一工作点和第二工作点；

4)沿几何光轴x方向安装刀口仪组件的滑动导轨，该滑动导轨的角度校准精度为

1mrad，在该滑动导轨上安装刀口仪，将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，使点光源对准刀口仪第一工作点，通过调节第一凹球面镜和第二凹球面镜，使其球心精确定位在刀口仪的刀刃位置，随后沿导轨方向，将刀口仪移动至第二工作点；

6)将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，夹持凹球面样板的镜框突出所述的三维平移台20cm，调节三维平移台，将凹球面样板的球心定位于刀口仪第二工作点位置，以凹球面样板为基准，将凸球面镜靠近凹球面样板，通过调节凸球面镜的两维角度和轴向平移，使凸球面镜靠近凹球面样板，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，拆除凹球面样板，调节完毕。

说明书

对有限远物面成像的球面卡塞格林系统及其调整方法

技术领域

[0001] 本发明涉及高功率激光远场测试，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。

背景技术

[0002] 高功率激光远场测试技术，对成像系统有四个基本要求：有较高的远场品质因子；有较大的近衍射极限成像视场以方便与靶镜光轴相耦合；无明显色差；高峰值功率情况下，为避免非线性损伤，尽量不引入透射元件。

[0003] 传统的卡塞格林系统为反射成像系统。反射式成像结构使其具有波长无选择的优点，因此不存在成像色差，无透射元件引起的非线性自聚焦。另一方面，为了满足对无限远处物面成像的需要，其结构一般由同轴的凹面主镜和凸面次镜构成。为保证成像质量，至少有一块反射镜使用非球面面型，这样使得可满足近衍射极限成像的视场较小(视场角约20′)。如图8所示(参见中国，授权公告号：204229042U)；，传统的卡塞格林系统只能对无限远物面成像，因此无法满足高功率激光器对激光远场测量系统的要求。再者，此类卡塞格林系统的装校需要依赖于干涉仪，较为繁琐。图9为离轴卡塞格林系统(参见中国，申请号：
201410847694.2)，此类卡塞格林系统仍然只能对有限远处成像，且调整难度极大。作为高功率激光器远场测量系统的另一种发明方案，反射椭球面的两个焦点虽然具有成像完善的功能，但同样存在近衍射极限成像视场极其有限的缺点，随着物点远离其中一个焦点，在另一个焦点处像点急剧恶化。虽然利用椭球反射面作为高功率激光远场焦斑测量方案已有报道，但至今未发现较高品质的测试结果。

[0004] 以上两种方案，都不能满足高功率激光远场测量系统的技术要求。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种对有限远处物面成像的改进型卡塞格林系统及其调整方法，以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。

[0006] 本发明的技术解决方案如下：

[0007] 一种对有限远物面成像的球面卡塞格林系统，其特点在于：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，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5781,0；4672,-633.4；和2893,-332.9；x轴为系统的工作光轴，该系统的几何对称光轴与工作光轴x成26°；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，第一凹球面镜、第二凹球面镜的球心位于609.09，-297.07；凸球面镜的球心位于556.06,-271.21。

[0008] 上述对有限远物面成像的球面卡塞格林系统的调节方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

[0009] 1)借助激光跟踪仪，在实验室坐标系下标出离轴卡塞格林系统的工作光轴x和确定出物点的坐标，即xy坐标系的坐标原点0,0；工作光轴x是系统在调试和使用过程中的实际光路走向；

[0010] 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5781,0；4672,-633.4；和2893,-332.9；保障定位误差不大于1cm；

[0011] 3)利用激光跟踪仪，过物点,标识出与工作光轴成26°的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第一凹球面镜和第二凹球面镜的球心609.09，-297.07和凸球面镜的球心556.06,-271.21，作为刀口仪的第一工作点和第二工作点；

[0012] 4)沿几何光轴x方向安装刀口仪组件的滑动导轨，该滑动导轨的角度校准精度为1mrad，在该滑动导轨上安装刀口仪，将刀口仪的光纤点光源定位在物点位置；

[0013] 5)沿刀口仪方向滑动导轨，使点光源对准刀口仪第一工作点，通过调节第一凹球面镜和第二凹球面镜，使其球心精确定位在刀口仪的刀刃位置，随后沿导轨方向，将刀口仪移动至第二工作点；

[0014] 6)将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：

[0015] 将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，夹持凹球面样板的镜框突出所述的三维平移台20cm，调节三维平移台，将凹球面样板的球心定位于刀口仪第二工作点位置，以凹球面样板为基准，将凸球面镜靠近凹球面样板，通过调节凸球面镜的两维角度和轴向平移，使凸球面镜靠近凹球面样板，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，拆除凹球面样板，调节完毕。

[0016] 本发明的技术效果如下：

[0017] 1、对传统的卡塞格林系统进行改进，利用凹凸球面像差补偿的特性，使之能对有限远处物点及其附近较大范围(子午弧矢±10mrad，轴向±10cm)具有近衍射受限的成像能力。因此，该系统非常适合高功率脉冲激光远场测量，较之于椭球面远场成像系统，极大的方便了远场测量系统与靶镜光轴、被测焦斑的耦合问题，使成像系统的品质因子更加可信。

[0018] 2、本发明利用刀口仪轴向高灵敏度的特点，对三个球面镜中心的坐标和姿态精确定位，使调节过程有明确的基准，不需在调节过程中对像点焦斑实时监测。调节完毕后，只需将刀口仪点光源返回物点，像点位置的焦斑即为成像系统品质因子。

[0019] 3、在1053nm单模光纤照明状态下，考察像点5位置的成像情况。实验结果表明，得到1.6倍衍射极限的品质因子。实验值与模拟值的差别在于大口径反射元件在装夹过程中产生了比较明显的象散。

[0020] 为验证卡塞格林系统的视场范围，对坐标原点成像后，将刀口仪点光源沿导轨方向滑动5cm。对其进行成像，可找到对应的像点，通过比较，其像点与坐标原点的像点焦斑近似一致。也即说明本发明和调试方案无明显残余像差。

附图说明

[0021] 图1是本发明对有限远物面成像的球面卡塞格林系统结构关系示意图[0022] 图2是本发明对有限远物面成像的球面卡塞格林系统用于高功率激光远场焦斑测试图；

[0023] 图3是凸球面M2定位调整示意图；

[0024] 图4本发明对有限远物面成像的球面卡塞格林系统品质因子示意图[0025] 图4本发明(a)zemax光学设计软件获得的离轴三反卡塞格林系统子午、弧矢面内±50mm视场范围点光源成像情况，其衍射极限的尺度为19.33μm，分别考察物方(-50,50),(0,50),(50,50),(-50,0),原点(0,0),(0,50),(-50,-50),(0,-50),(50,-50)九个视场位置的品质因子；(b)现有技术zemax光学设计软件获得的反射椭球面系统子午、弧矢面内±1mm视场范围点光源成像情况，其衍射极限尺度为14.11μm，分别考察物方(-1,1),(0,1),(1,1),(-1,0),原点(0,0),(0,1),(-1,-1),(0,-1),(1,-1)九个视场位置的品质因子，图中圆圈为两种方案各自衍射极限对应的尺度。Zemax软件在图中左下方给出了不同视场位置成像点列图的均方根直径和几何直径。

[0026] 图5是本发明对有限远物面成像的球面卡塞格林系统在1053光纤点光源照明条件下品质因子示意图

[0027] 图5(a)系统对物点1处点光源成像的品质因子；

[0028] 图5(b)将点光源沿导轨方向移动5cm(图1中红色点划线所示)，本发明系统成像品质因子；图6是图5(a)数据处理结果，在1053nm点光源照明下，品质因子的80％能量集中于1.6倍衍射极限；

[0029] 图6是图5(a)数据处理结果，在1053nm点光源照明下，品质因子的80％能量集中于1.6倍衍射极限；

[0030] 图7是图2测量结果：能量897J，80％能量集中于5.1倍衍射极限；

[0031] 图8是现有天文卡塞格林望远系统，非球面曼金镜反射系统，对无穷远处成像(中国，授权公告号：204229042U)；

[0032] 图9是现有离轴卡塞格林望远系统，用于超光谱成像光谱仪，由四次非球面、球面和二次非球面构成

具体实施方式

[0033] 下面结合说明书附图和实施例，对本发明系统做进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

[0034] 先请参阅图1，图1是本发明对有限远物面成像的球面卡塞格林系统结构关系示意图，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0,0点作为坐标原点，第一凹球面镜M1、第二凹球面镜M3和一块凸球面镜M2的中心的坐标分别为5781,0；4672,-633.4；和2893,-332.9；x轴为系统的工作光轴a，该系统的几何对称光轴c与工作光轴a成26°；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，第一凹球面镜M1、第二凹球面镜M3的球心位于609.09，-297.07；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1处，至少可以对包括物点位置1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] 1)如图1所示，借助激光跟踪仪，在实验室坐标系下标出离轴卡塞格林系统的工作光轴a和确定出物点1的坐标，即xy坐标系的坐标原点(0,0)；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，使第一凹球面镜M1、第二凹球面镜M3和凸球面镜M2的中心的坐标分别为(5781,0)、(4672,-633.4)和(2893,-332.9)保障定位误差不大于1cm；

[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上标出第一凹球面镜M1和第二凹球面镜M3的球心7和凸球面镜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)沿几何光轴c方向安装刀口仪组件的滑动导轨，该滑动导轨的角度校准精度为1mrad，在该滑动导轨上安装刀口仪，将刀口仪的光纤点光源定位在物点1位置；

[0041] 5)沿刀口仪方向滑动导轨，使点光源对准刀口仪第一工作点7，通过调节第一凹球面镜M1和第二凹球面镜M3，使其球心精确定位在刀口仪的刀刃位置，随后沿导轨方向，将刀口仪移动至第二工作点6；

[0042] 6)将凸球面镜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，夹持凹球面样板M02的镜框突出三维平移台20cm，调节三维平移台，将凹球面样板M02的球心定位于刀口仪第二工作点位置6，以凹球面样板M02为基准，将凸球面镜M2靠近凹球面样板M02，通过调节凸球面镜M2的两维角度和轴向平移，使凸球面镜M2靠近凹球面样板M02，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，拆除凹球面样板M02，调节完毕。

[0044] 调节完毕后，将点光源置于图1中物点1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1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。卡塞格林系统调节完毕后，将激光器聚焦系统L的光轴z与该系统的工作光轴a相耦合，并沿耦合光轴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1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CCD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(±10cm)，因此，楔形透镜L的光轴z与卡塞格林光轴a的耦合精度优于5mrad、轴向调焦精度优于10cm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2
897J，光束口径310×310mm，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。