柱面镜组的计算机辅助调校

　　1　引　言

　　反射式非球面光学系统在工程光学中的应用越来越多,对非球面系统的调整和检验是一个急需解决的问题,计算机辅助装调技术是基于解决这个问题而发展起来的。计算机辅助装调技术就是通过计算机对理论和实时检测结果的分析,给出系统各部件较明确地调整方向和数量,从而快速地使系统各部件达到最佳相对位置状态和最佳的技术性能。本文所述的是由两柱面镜组成的反射扩束系统,通过计算机对两部件位置关系的详尽分析和对实时检测结果的分析计算,能非常迅速地调整好系统。

　　2　系统概述

　　系统是由两柱面镜组成的一维反射扩束系统,如图1所示。

　　对于由图1所示的座标系来说,两柱面镜的柱线都垂直于Y轴且与X轴成相同的角,从而使得入射光光轴与出射光光轴沿X方向错开130mm。扩束比为3∶1,凹柱面镜的半径R=3600mm,凸柱面镜的半径R=1200mm,口径为100mm。

　　3　系统的理论分析计算

　　在这个系统中,影响系统性能的东西除了两反射镜本身的质量外,还与两反射镜的相互位置有关,确定一个反射镜的位置后,另一个反射镜的理想位置就确定了。相对于理想位置来说,它有6个自由度,即3个位移自由度和3个转动自由度。如果以这块反射镜反射面的中心为原点,以理论柱线方向为x轴,以垂直于理论柱线且与柱面相切的方向为y轴建立坐标系,很显然,它沿x轴(柱线)方向的位移只影响通光的位置,不影响光学系统的性能。它沿y轴方向的位移可用尺子测到2mm左右的精度。通过光学设计软件的分析计算,R=1200mm的凸镜沿y轴方向移动2mm,出射光的波像差变化仅为0.01个波长(如图2(b));绕x轴的转动会使得出射光方向上仰或下倾,出射光向上或向下移动3mm是很容易观测到的。假如在离反射镜1000mm的位置观测,这相当于反射镜绕x轴转动的角度为

　　通过光学设计软件的分析计算,当反射镜绕x轴转动的角度为0.1°时,出射光的波像差变化仅为0.01个波长(如图2(c));绕y轴的转动会使得出射光方向向左或向右偏,同样出射光向左或向右移动3mm是很容易观测到的。假如在离反射镜1000mm的位置观测,这同样相当于反射镜绕y轴转动的角度为0.09°。当反射镜绕y轴转动的角度为0.1°时,出射光的波像差变化仅为0.03个波长(如图2(d))。

　　通过上述的理论分析和计算,当反射镜绕x轴转动、绕y轴转动、沿x轴(柱线)方向位移以及沿y轴方向位移时的精度是很容易达到的,这4个方位在调校时可以不需作为精细调整的目标。

　　当反射镜相对于理想位置绕z轴转动0.1°时,通过光学设计软件的分析计算,此时出射光的波像差变化为3个多波长(如图3(a))。在分析波面的多项式中可看到,它主要引起多项式中ρ2sin(φ)项的系数变化,也就是说,它带来与x、y轴成45°方位的像散,它使此项系数由0变为0.78。