高精度抛物面镜光轴偏角分析仪

　　1 引 言

　　角度测量是计量科学的重要组成部分，特别是小角度的测量在精密加工、航空航天、军事和通讯等许多领域都具有极其重要的作用和意义。光学测角方法 比一般的机械和电磁方法有更高的精度，而且更容易实现细分和测量过程的自动化。高精度动态小角度测试系统在国防科研领域有着迫切的应用需求。旋转抛物面反 射镜是一种非球面金属反射镜，它可以在特殊环境条件下保证光学系统基本性能，比如工作环境温度、系统抗冲击、振动等，在军事和空间领域得到广泛应用 [1]。小数值孔径(NA)的抛物面镜作为非常好的成像光学器件，已经广泛应用于天文望远镜及通信系统;对于大数值孔径旋转抛物面反射镜的聚焦特性最近已 经也有许多研究[2-5]，数值孔径很大的旋转抛物面镜对平行光具有很好的聚焦作用，但是离轴特性比较差[6]，主要应用于军事和航天的光线收集接收光学 系统或激光共焦显微镜系统。大数值孔径旋转抛物面反射镜作为光线收集的接收光学系统，对同轴平行光入射具有非常好的聚光效果，但是当入射光与光轴有夹角 时，倾斜入射光引起抛物面反射镜的散焦[7]，所以旋转抛物面反射镜对于角度非常敏感;在旋转抛物面反射镜的安装和调试过程中，保证结构轴与光轴的同轴非 常重要;本文设计一种旋转抛物面反射镜光轴与结构轴装调过程中角度偏差的测量仪器。

　　2 偏角测量原理

　　2.1 理想反射镜的轴角度误差引起的离焦

　　理想的反射光学系统，当光学系统的光轴与结构轴不平行时，正入射时反射像点在焦平面上偏离焦点位置，当我们以结构轴为转子转动光学系统时，反射像点在像面上划圆，且圆的半径如图1：

　　其中：β为光学系统的结构轴与光轴夹角;f 为光学系统的焦距;由于光学系统的结构轴与光轴有夹角，则正入射的光在焦面上将反射到R，其中R1、R2是由于光轴偏离水平角β，正入射光对应光轴的入射角加反射角在焦面上的离焦量。

　　2.2 旋转抛物面反射镜的轴角度误差引起的离焦

　　当一束平行光倾斜入射到旋转抛物面镜时，聚焦光斑不仅会在焦平面上位移，而且还会出现散焦，反射光的焦移量与散焦情况与入射光的角度不是线性关系，它们与光在旋转抛物面镜上的反射位置有函数关系，镜面不同位置点的反射光会具有不同的离焦量。

　　在镜子光轴附近区域的点反射光的离轴情况与标准反射镜的是比较一致(另文发表)，R1≈R2。这时我们可以采用上述的式(1)作为测量公式。在 同轴反射光学系统中，由于需要将收集到的反射光导出，这种应用环境通常镜子都是环状结构，如图2。镜子的内沿反射光聚焦到离焦量R21处，镜子的外沿反射 光聚焦到离焦量 R22处。