一种不完善成像离轴三反光路的补偿器及设计方法

技术领域

本发明属于光学设计或光学检测领域，涉及一种用于不能完善成像离轴三反光路的补偿器。

背景技术

离轴三反光路经过适当设计可以用作单独工作的成像光路，也可作为整体光路的一部分，起到焦距缩放、孔径匹配和像差校正的作用，与前置光路共同组成一个完善成像光路。

离轴三反光路的装调测试通常采用自准直干涉测量的方法，通过计算机辅助装调方法建立失调量求解模型，参考干涉测量的结果，对被测离轴三反光路的反射镜进行精细调节，迭代逼近预定的光路状态。

但是针对不完善成像的离轴三反后光路，不能直接单独搭建自准直干涉测量光路，原因分析如下：

第一，单独一个不完善成像离轴三反光路的残余像差大，很难满足自准直干涉测量的要求，即便能获得干涉图，残余像差对应干涉图的条纹密度超出干涉仪的分辨能力，不能进行波像差和失调误差的解算；

第二，在不完善成像离轴三反光路装调过程中，如果对三个反射镜的位置姿态不加约束，三个反射镜的位置调节，只会向着波像差最小化的方向，陷入局部极小，偏离设计预期的光路状态，难以实现预定的像质要求。

综上所述，不完善成像离轴三反光路作为整体光路的局部，不能独立工作，如果按照波像差最小化的原则单独进行光路的装调和检测，需要额外的补偿器作为辅助措施。

为了实现不完善成像离轴三反光路的装调测试，首先想到的办法是将离轴三反后光路放在整体光路中，借助整体光路的前光路作为参考或基准，对后置的不完善成像离轴三反后光路进行装调测试。

但是上述的做法也存在两个问题：

第一个问题，前置光路和离轴三反后光路的加工、装调检测通常是并行进行，两者的加工检测工作存在时间上的重叠，导致离轴三反光路就只能采用独立的办法，即只能采用第三方途径进行装调测试，再与前光路集成。同时，独立的第三方测试方法，可以进行交叉验证，体现出解耦和交叉验证的效果。

只有后置不完善成像离轴三反光路经过相应的光学测试，满足预定指标以后，再与前置光路一起进行整体的光路集成和测试。

第二个问题，如果借助整体光路的前光路进行装调，不完善成像离轴三反光路的失调像差与前置光路加工装调的残余像差混合，难以区别和分离，给离轴三反后光路和整体光路的装调测试和状态判断带来很大困扰。

针对带有前光路的离轴三反后光路的独立装调测试，需要依靠光学补偿器代替前光路的光焦度和像差校正，摆脱前光路，实现离轴三反后光路的独立装调测试和第三方检测。

针对现有的技术途径分析如下：

李昭阳等在2021年报道了一种离轴三反光学系统补偿器结构，离轴三反后光路加装一组透镜，作为系统装调测试的补偿器。该方法基于像差的方法进行补偿器的设计。

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所李明等采用计算全息补偿器，对Rug型离轴三反光学系统的中间实像面进行补偿，用于离轴三反光学系统的主次镜装调。

CN115508992A是针对离轴三反作为前置光路的补偿器结构和设计方法，此时离轴三反作为前置光路，其后光路仅有窗口片和滤光片等简单光学元件，此类光路中，离轴三反光路本身承担了几乎全部的光焦度和像差校正。

CN115508992A所提出的补偿器结构主要针对离轴三反作为主光路，对其后的窗口片和滤光片等光学元件进行补偿和等效代替，此时补偿器的像差和光焦度较小，因此设计为无焦补偿器放在干涉仪焦点附近，随文实例也证明了这一点。

与现有技术和文献报告不同，本发明针对不完善成像离轴三反后光路单独进行装调测试的问题，提出了以设计预期的整体光路和离轴三反后光路为约束，直接对不完善成像离轴三反光路的补偿光路和补偿器进行优化设计，既补偿了不完善成像离轴三反光路的像差，又替代前光路的光焦度和像差校正作用，因而能获得最佳的补偿器设计，按照这个最佳的补偿器进行不完善成像的离轴三反光路的独立装调测试，使不完善成像离轴三反光路的状态接近设计值。

发明内容

根据不完善成像的离轴三反后光路装调测试的应用背景，提出了一种不完善成像离轴三反光路的补偿器结构和设计方法。解决了不完善成像离轴三反光路单独进行装调测试光路一致性的问题。

本发明提出在不完善成像的离轴三反光路前，插入一个透镜组和一个折返反射镜，作为该离轴三反光学系统装调的补偿器，再与干涉仪组成检测光路。

在不完善成像的离轴三反光路前插入一个折返补偿器和一组透镜作为补偿器。干涉仪发出的检测波前，依次通过第五反射镜，第四反射镜，第三反射镜，穿过补偿器透镜组，入射到折返反射镜；然后从折返反射镜反射后，依次经过补偿器透镜组、第三反射镜、第四反射镜和第五反射镜，再次回到干涉仪，组成带有补偿器的离轴三反干涉测量光路。

补偿器的透镜组可以是一片或多片，每个透镜的面型可以是球面、平面、非球面、自由曲面或衍射面的一种。在具体优化的过程中，可以适当增减透镜数量，同时调整面型方程复杂度。

折返反射镜的反射镜面可以根据干涉仪的工作波段进行光学镀膜处理。

折返反射镜的面型可以是平面、凹球面或凸球面的一种，其面型和位置参数依据下述方法确定。

根据上述分析，在光学设计软件中建立多重配置对补偿器进行优化，以设计状态包含前光路和离轴三反后光路的整体光路为约束，通过不同的光路配置体现补偿器、后光路、前光路和整体光路之前的相互影响，最后以多重配置的弥散斑或波像差同时最小化，优化得到最佳的补偿器结构参数。

补偿器的折返反射镜和透镜组参数的设计步骤如下

步骤一：在光学设计软件中，建立配置一，光路模型是预先设计的整个光学系统，包括前置光路和不完善成像离轴三反光路，各项参数采用设计值；

步骤二：建立配置二，光路模型是折返反射镜、补偿器的透镜组和不完善成像离轴三反光路，共同组成带有补偿器的不完善成像离轴三反光路，模拟不完善成像离轴三反光路的补偿检验状态。

其中折返反射镜的面型和折返反射镜到补偿器的相对位姿参数、补偿器透镜组的面型和厚度参数、补偿器透镜组到折返反射镜的位姿和补偿器透镜组到不完善成像离轴三反光路的位姿，共计四组参数作为配置二的设计变量；

步骤三：建立配置三，光路模型是折返反射镜、补偿器透镜组和不完善成像离轴三反光路，代表了不完善成像离轴三反光路单独装调测试的状态。

其中折返反射镜的面型和折返反射镜到补偿器透镜组的相对位姿、透镜组的厚度和面型参数与配置二的对应参数相同，同时不完善离轴三反光路两个反射镜的位姿参数、补偿器透镜组到折返反射镜的位姿和补偿器透镜组到不完善离轴三反光路的位姿，共计四组参数作为配置三的设计变量；

步骤四：建立配置四，光路模型是预先设计的整个光学系统，包括前光路和离轴三反后光路，代表了单独装调完成的不完善成像离轴三反光路和前光路的耦合状态。

其中前光路与不完善成像离轴三反光路的位姿参数与配置三的对应参数相同，前光路和不完善成像离轴三反光路的相对位置参数作为配置四的设计变量；

步骤五：以波像差或弥散斑最小化，对配置一、配置二、配置三和配置四的设计变量进行同时优化，即可得到折返反射镜和透镜组的面型和位置参数。

用优化得到的透镜组和折返反射镜作为补偿器，与不完善成像的离轴三反光路和干涉仪组成自准直干涉测试光路，从而独立进行装调测试，同时也可以代替前光路进行系统集成。

上述补偿器参数是在整体光路和局部光路作为约束条件下进行优化的结果，实现了前光路的最佳等效和逼近效果，因此能够确保不完善成像离轴三反后光路的装调检测状态与设计状态一致。

基于上述技术特征和实现方法，本发明解决了不完善成像离轴三反光路的检测问题，还能实现的以下技术效果：

(a)避免了依赖前光路的局限性，能够获取不完善成像离轴三反后光路与设计光路最为接近的状态，实现了不完善成像离轴三反光路的单独测试。

(b)补偿器透镜组是较小口径的光学透镜，利用现有的光学夹持器械安装成透镜组，独立完成装配后自成模块，再与不完善成像离轴三反光路组成干涉测试光路，便于不完善成像离轴三反光路相对独立的装调和测试。

(c)补偿器透镜组在光路中光线来回穿插两次，同向误差可以抵消，因而补偿器透镜组的加工精度和测试要求可以适当优化。

附图说明

图1是不完善成像离轴三反光路和补偿器组成的装调测试光路图。

图2是本发明所述的一个不完善成像离轴三反光路装调测试实施例。

图3是图2不完善成像离轴三反光路所在的整体光路示意图。

图4是图2不完善成像离轴三反光路的自准直干涉光路。

具体实施方式

本发明给出了一种用于不完善成像离轴三反光路单独进行装调测试的补偿器结构，其核心特征是在不完善成像离轴三反光路前放置一个补偿器，补偿器包含一个折返反射镜和一个透镜组，与干涉仪和待测不完善成像离轴三反光路共同组成自准直干涉光路。

补偿器的折返反射镜、透镜组的面型、厚度和位置等参数是补偿器设计的关键，具体实现步骤如下：

步骤一：在光学设计软件中，建立配置一，光路模型是预定设计的光学系统，包括前光路和离轴三反后光路，各项参数保持不变，即配置一没有设计变量；

步骤二：建立配置二，光路模型是离轴三反光路、补偿器透镜组(2)和折返反射镜(1)，其中补偿器透镜组(2)的厚度和面型参数、补偿器透镜组(2)到折返反射镜(1)的位姿和补偿器透镜组(2)到第三反射镜(3)顶点的距离，三组参数作为配置二的设计变量；

步骤三：建立配置三，光路模型是离轴三反后光路和补偿器，其中补偿器透镜组(2)的厚度和面型参数与配置二的对应参数相同，同时第三反射镜(3)和第五反射镜(5)到第四反射镜(4)的两个间隔参数、补偿器透镜组(2)到折返反射镜(1)的位姿、补偿器透镜组(2)到第三反射镜(3)顶点的距离，四组参数作为配置三的设计变量；

步骤四：建立配置四，离轴三反后光路原系统，包括前光路和离轴三反后光路，其中第三反射镜(3)和第五反射镜(5)到第四反射镜(4)的两个位姿参数与配置三的对应参数相同，只有第五反射镜(5)到像面的位姿，即后截距作为配置四的设计变量；

步骤五：以波像差或弥散斑最小化，对配置一、配置二、配置三和配置四的各个设计变量同时进行优化，即可得到最佳的补偿器面型和厚度参数以及折返反射镜的参数。

根据上述步骤直接优化得到最佳的补偿器透镜组的厚度、面型和通光孔径等参数，根据干涉仪的工作波段选择适合的玻璃材料和镀膜处理。将透镜组和折返反射镜安装在不完善成像离轴三反光路的适当位置，与干涉仪共同组成自准直干涉测试光路，从而对不完善成像离轴三反光路进行独立的装调测试，实现对前光路的等效替代和像差补偿的作用。

综上所述，本发明所述的不完善成像离轴三反光路补偿器设计的关键步骤是建立预先设计的整体光路和离轴三反后光路与带补偿器的离轴三反后光路之间的参考和约束关系，以设计预期的整体光路和离轴三反后光路作为约束，对不完善成像离轴三反光路的补偿器的透镜组和折返反射镜参数进行优化，从而实现补偿器和补偿光路的最佳设计。

图2、图3和图4是本发明的一个实施例，其中图2是整体光路示意图，图3是第三反射镜、第四反射镜和第五反射镜组成的不完善成像离轴三反光路和局部放大图，图4是图3所述不完善成像离轴三反后光路单独测试的光路图。

图2的整体光路以视场光阑为分界点，划分前光路和后光路。图2的前光路是第一反射镜和第二反射镜组成同轴双反射光路，后光路是第三反射镜、第四反射镜和第五反射镜组成的不完善成像离轴三反。

图2前光路的第一反射镜和第二反射镜口径大，加工周期长，时间上与图3所示不完善成像离轴三反光路的加工周期重叠，无法使用图2前光路对图3不完善成像离轴三反后光路进行测试。

针对图3离轴三反后光路的单独装调测试，采用本发明所述的补偿器结构及其设计方法，设计实现了对应的补偿器，组成了图4所示的不完善成像离轴三反干涉光路。图4光路包括一个折返反射镜，一个透镜和一个不完善成像的离轴三反光路，按照前述的方法进行透镜组和折返反射镜的参数设计。