[发明专利]柱面镜光学定轴系统及方法

说明书

技术领域

本发明属于光学定轴领域，具体涉及一种柱面镜光学定轴加工的系统及方法。

背景技术

柱面镜是非球面的一个特例，具有特殊的光学成像特性。高精度的柱面镜和柱面系统在线聚焦系统、电影摄像镜头、激光打印机等方面的应用越来越广泛，这些应用需要相应高精度的装调手段来保证光学系统的光轴一致性。

柱面镜的成像特性：因为柱面透镜不是旋转对称的，所以柱面镜没有球心点，只有球心线。平面波经过柱面透镜也不会形成焦点，而会形成一条交线。理论上柱面镜不存在所谓光轴，但在实际应用中是多个柱面镜组合使用，要求各柱面镜的平面相互平行，其交线相互正交，各正交点必须在一条直线上且与柱面镜的平面垂直，所有实际柱面镜的装调过程中会用到柱面镜的虚拟光轴。

如果柱面光学系统不能满足如上装调要求，则会导致柱面系统光学质量下降甚至不能使用。所以柱面镜光轴的确定是柱面光学系统装调中亟待解决的重要技术难点。

现有的柱面镜定轴方法是，利用光学定心仪寻找控制该柱面镜平面的自准直反射像跳动量，再利用千分表控制柱面镜母线在水平和垂直方向的变化量，保证柱面镜的定轴精度。这种方法的缺点是：

1、此方法采用千分表接触式测量，操作过程容易划伤柱面镜镀膜面；

2、多次调整柱面镜姿态时，接触式测量的复位精度无法保证，造成累积误差；

3、以柱面镜外形公差确定其光轴位置，光轴精度无法保证，即用机械精度无法保证光学精度。

发明内容

为了解决现有的确定柱面镜光轴基准的方法易导致光学元件划伤及光轴基准精度低的技术问题，本发明提供一种柱面镜光学定轴系统及方法。

本发明的技术解决方案是：

柱面镜光学定轴系统，其特殊之处在于：包括姿态调整工装、镜框、光学定心仪、CCD相机以及PC机；

所述姿态调整工装设置在车床回转轴上，所述镜框固定在姿态调整工装的一端，所述光学定心仪位于镜框的出射窗口的正前方，且与CCD相机的一端连接；所述CCD相机的另一端与PC机连接；镜框内固定有柱面镜，柱面镜的柱面朝向光学定心仪，与柱面的相对面为B面。

柱面镜光学定轴方法，包括以下步骤：

1】寻找柱面镜的平面自准直像点：

1.1】将光学定心仪调焦到柱面镜B面的球心像位置，成在光学定心仪上的像点即为柱面镜的平面自准直反射像点；

根据柱面镜的类型通过以下几种方式确定B面的球心像位置：

平凸柱面镜的B面球心像的位置L：

平凹柱面镜的B面球心像的位置L：

R_b为B面的曲率半径，R_a为柱面的曲率半径，N为柱面镜的材料折射率，d为柱面镜的中心厚度；

1.2】将找到的平面自准直反射像点通过CCD相机显示在PC机上；调整姿态控制工装，并观察PC机上的平面自准直反射像点，直至平面自准直反射像点的运动轨迹由划大圆逐渐变为划小圆；

2】寻找柱面镜的柱面自准直像：

2.1】将光学定心仪调焦到柱面镜的柱面曲率中线位置，成在光学定心仪上的像点即为柱面镜的一次柱面自准直像(直线)，通过CCD相机在PC机找到柱面镜一次柱面自准直像，并读取此时柱面镜一次柱面自准直像在光学定心仪上的位置L1；

2.2】将车床回转轴旋转180度，光学定心仪保持不变，成在光学定心仪上的像点即为柱面镜的二次柱面自准直像，通过CCD相机在PC机找到柱面镜二次柱面自准直像，并读取此时柱面镜二次柱面自准直像在光学定心仪上的位置L2；

2.3】将光学定心仪的测微目镜十字丝调整在(L1+L2)/2位置；

2.4】调整姿态调整工装，通过CCD相机在PC机上观察，直到柱面镜的一次柱面自准直像和二次柱面自准直像的中心与测微目镜十字丝的中心重合；

3】执行步骤1】，直至柱面镜的自准直反射像点的运动轨迹由划大圆逐渐变为划小圆甚至接近静止不动，柱面镜的柱面自准直像与测微目镜的十字丝的中心重合，此时柱面镜的光轴与车床回转轴重合。

本发明的优点在于：

(1)本发明完全采用光学非接触式测量方式，寻找柱面镜的平面自准直反射像和柱面自准直反射像，不会划伤柱面镜镀膜面。

(2)本发明通过姿态调整工装改变柱面镜空间姿态，控制两像在光学定心仪内的跳动量，保证光轴与机械旋转轴的重合精度，定轴加工精度高。

附图说明

图1为本发明的柱面镜定轴的系统示意图；