基于光学定心加工的道威棱镜装配方法

　　0 引 言

　　道威棱镜以角速度 ω 旋转时其经由道威棱镜所成的像角速度为 2ω 的特性广泛应用于多通道光纤旋转连接器中，图 1 为一种利用道威棱镜耦合光信号[1]的双通道光纤旋转连接器[2]。两束平行光入射到旋转连接器内，道威棱镜以外部连接器速率一半同向转动，输出光信号的位置不改变，从而实现了信号输入通道和输出通道之间的连接[3]。

　　本文定义道威棱镜旋转轴与反射面轴线的夹角为旋转轴偏角，当旋转轴偏角不为零时，当道威棱镜旋转时，其出射光方向发生变化。图 2 为出射光线偏角最大值与旋转轴偏角的关系[4]。

　　由图2 可以得出，在旋转轴偏角很小的近理想轴范围内，出射光线偏角的最大值对旋转轴偏角的变化比较敏感且有放大作用。道威棱镜的旋转轴偏转会带来出射光线与理想光线之间的偏差，从而对光纤准直器之间的耦合带来角度上的偏差，因此引起旋转连接器的耦合损耗的一个主要原因是棱镜旋转轴的偏向，本论文将实现道威棱镜反射面轴线与旋转轴的平行性定义为道威棱镜组件定轴。

　　为了解决道威棱镜旋转轴的偏向，通常采用良好的机械加工和装配精度来保证道威棱镜的旋转轴尽量平行于其反射面轴线，并在机械结构上设置调整环节，使得道威棱镜旋转轴与反射面轴线夹角位置可调，从而降低棱镜出射光线的偏差，减小旋转连接器的耦合损耗。但是这种方法对加工精度要求很高且装配可操作性不强。本论文将棱镜成像理论与光学定心加工方法相结合，提出两种道威棱镜组件定轴方案，分别为平行光管定轴方案以及激光定轴方案，此两种方案可有效保证道威棱镜反射面轴线与旋转轴的平行度。

　　1 道威棱镜转像理论

　　道威棱镜是由直角棱镜去掉多余的直角部分而成的，其入射面和出射面与光轴不垂直，因此它通常工作在平行光路中。道威棱镜的重要特性之一就是，当其绕反射面轴线转动α 角时，反射像同方向旋转 2α 角[5-7]，如图 3 所示，即当道威棱镜以角速度 ω 旋转时，其经由道威棱镜所成的像角速度为 2ω。利用此原理，当物以角速度 ω 旋转，道威棱镜以角速度 ω/2 同向旋转，便可使得物体所成的像不会发生偏转，达到信号的准确旋转耦合。

　　2 光学定心加工

　　随着航空、航天高精度光学镜头产品的研制及生产，光学定心加工广泛应用于解决光学镜头的高同轴度要求[8]。光学定心加工是一种基于光学成像原理，联系光学件光轴、配合机械件中心轴以及车床旋转轴三者，通过车削技术实现光学件光轴与配合机械件中心轴的高同轴度。从传统的球面透镜、球面反射镜，到近年来有广泛应用的非球面反射镜及离轴反射镜，采用光学定心加工均可保证光学镜头各个镜片的光轴一致[9]，从而得到像质优秀的光学镜头。