五棱镜扫描技术检测大口径平面镜的误差分析

五棱镜扫描检测具有结构简单、检测周期短等优点,可以实现大口径平面镜低阶像差的高精度检测,是指导大口径平面镜光学加工过程的一种有效途径。为使大口径平面镜检测系统中的五棱镜扫描技术更加完善,通过理论分析和计算模拟,对五棱镜检测系统中的主要误差源,包括五棱镜制造误差、温度梯度的影响、元件位置误差、光束定位误差、自准直仪测量误差等进行研究,形成了比较完善的误差分析的数理结果。计算结果表明,在当前实验室技术条件下,五棱镜扫描检测系统在单个测量点处的测量不确定度达到230 nrad,其中影响五棱镜检测系统测量精度的主要因素为自准直仪的测量精度与温度的影响。研究结果给出了工程实际中提高五棱镜扫描系统检测精度与减小测量误差的注意事项,并可用于指导系统设计时的误差分析及精度分配。     

直角棱镜的保偏反射膜设计及分析

光波经过光学位移反射器后,由于全反射的存在,入射光的s偏振分量和p偏振分量在相位上将产生一个额外的常量差值,这将导致出射光相对于入射光的偏振状态发生变化。通过分析高反膜的反射机理及其结构特征,同时结合直角棱镜的几何结构,提出了基于高反膜膜系结构的直角棱镜保偏膜设计方法,该方法通过将设计膜系镀制到直角棱镜的两直角面上,使光束经过直角棱镜平行反射后,偏振状态保持不变。同时,对该方法进行了可行性研究和误差分析。结果表明,该方法结合目前成熟的高反膜制作工艺,理论可行,易于实现商业化应用;对于光波的小角度入射误差而言,方案所述镀膜直角棱镜的保偏特性表现出良好的稳定性。     

基于双五棱镜组件的大间距光轴平行性检测方法

光轴平行性是多光轴光电设备的重要参数,对其进行检测十分必要。随着光电设备复杂程度的逐步增加,其光轴之间的距离不断增大,传统的小口径检测手段已经不能满足现有光电设备的检测需求。针对大间距光轴之间的平行性的检测,设计了一种基于双五棱镜结构的扩径组件,实现了平行光管的出射光束的平移,并利用双光楔结构对扩径组件进行修正,将平行光管的有效口径由300 mm扩展至1 200 mm。对扩径组件进行数学建模分析和实际装调,并对检测系统进行整体精度测试。实验结果表明:平行光管出射的光束经扩径组件后能够保持良好的平行性,其平行误差在11以内,满足大间距光轴检测的精度要求。     

大口径细光束自准直测量系统的误差源分析

为了满足自准直系统的高精度要求,同时扩展其适用范围,以便更好地应用于科学研究,在光学自准直原理的基础上,针对大口径细光束的自准直系统进行研究,并对其误差源做了深入分析.对入射光束发散度引入的误差、CCD离焦误差、光学元件姿态引入的误差、反射镜平面度误差、准直系统瞄准误差以及原理误差这六种主要的误差源做了定量分析,同时对外界环境条件引入的误差进行了定性分析.通过对上述误差的定量与定性分析,可以直观地观察各误差源对系统精度产生的影响,为后续大口径细光束自准直系统的设计提供了重要的理论支持.     

别汉棱镜角度误差对光轴一致性影响的研究

在周视扫描成像系统中,需要通过特定光学元件进行消像旋.别汉棱镜是最常用的消像旋元件之一,由于棱镜的角度误差对系统光轴的影响较大,因此对别汉棱镜的角度误差要求非常严格.本文通过分析推导反射光线、折射光线以及三维坐标系旋转的矢量形式表达式,建立了别汉棱镜的角度误差模型,在此基础上分析了入射光轴经别汉棱镜折反射之后出射光轴的...     

一种共光路自动对准系统

强激光发射装置和光电跟踪系统中,光学器件多,光路复杂,光学机械零件位置的相对移动会使光轴平行度偏离,为此提出一种共光路自动对准系统.基于对准原理,利用激光发射光路,建立上、下行基准光束,使之分别与系统轴系、出射激光平行,并且通过自准直CCD测角仪测出上、下行光路的角偏差值,控制信号驱动快速控制反射镜,使快速控制反射镜两轴转动到角偏差为零值,实现发射激光与一级扩束系统对准及一级扩束系统与跟瞄系统之间的精密自动对准.实验结果表明,对准后的光轴平行度为5.21",快速控制反射镜的闭环精度不大于5".     

立方反射镜失调特性的研究

结合理想坐标系下立方镜镜面微小倾斜后其三个平面法线坐标，利用刚体微量转动的反射法线向量公式，获得非理想立方镜反射矩阵；为了研究在光斜入射时镜面倾斜对出射光方向的影响，利用立方镜绕顶点旋转等效于光斜入射的方法，计算出光束夹角δ与单一镜面偏差角ε和立方镜旋转角θ之间的关系式；对于理想情况下的立方镜，利用几何光学可以证明出射光与入射光不但平行，而且过顶点作任意截面交于两光线所得的两个交点关于顶点对称，从而计算出立方镜绕顶点以外任意轴旋转造成出射光束相对原出射光的偏移量与旋转角关系式，理论计算值与实验数据吻合得很好；介绍了立方镜的制作、调整及检测方法，偏差角的测量与计算。     

大口径细光束自准直测量系统误差的实验研究

目前的商用自准直仪并不满足纳米光学测量仪(NOM)利用细光束进行测量的要求,大口径细光束模式下的自准直测量系统存在各种误差。为了满足自准直测量系统的高精度要求,根据自准直测量原理,对大口径细光束自准直测量系统中CCD阵面与f-theta透镜焦平面不重合引入的误差进行了归纳分析,并通过相关实验对误差的线性关系进行了验证,结果证明理论计算与实验结果具有良好的一致性。     

基于介电润湿液体棱镜阵列的光束调整器

为实现在三维空间上对不同光束(平行光、会聚光 、发散光)的调整,提出了一种基于介电润湿液体棱镜阵列的光束调整器。根据几何光学、 矩阵光学和介电润湿理论,推导出光学传递函数,分析了该光束调整 器的控光能力,讨论了工作电压对光束调整器调控性能的影响,并通过仿真模型的验证。结 果表明,该光束调 整器可以实现平行光的扩束、缩束、平移、会聚和发散;还可对发散光进行光束调整,改变 出射光的发散角度、 使其变成会聚光或平行光;同时,该光束调整器还可以实现对会聚光进行调节的作用,出射 光可以为会聚光、 平行光或发散光。当直径为5mm的平行光经光束调整器,其直径变化范围为3.08 mm,可左右平移 0~0.92 mm,其焦距f可在7.96 mm~∞(双层液 体界面为双凸形)范围内或在－∞~－25.99 mm(双层界面为双凹 形)范围内调节;对于发散角为20°的发散光,经过该光束调整器, 当出射光为发散光时,其发散角的变化范 围为0°~45.7°,当出射光为会聚光时,其会聚角的变化范围为0°~14.48°;对于会聚角为20°的会聚光,当出 射光为会聚光时,其会聚角的变化范围为0°~49.88°,而当出射光 为发散光时,其发散角的变化范围为0°~16.02°。     

基于空气隙棱镜实现布鲁斯特角型偏振器消光比测量

布鲁斯特角型偏振器在高功率激光系统有着重要的应用.为了真实反映布鲁斯特角型偏振器的性能,分析并成功搭建了基于空气隙棱镜的消光比测量系统.采用光强同时测量的方法,测量过程系统起偏器、样品、检偏器方位角固定,引起误差的因素较少.通过限制入射光光束直径和探测器的位置,提高检偏器反射出光方向的偏光性能,提高测试精度;在样品定位的过程中,对光源进行实时监测,降低测量随机误差.理论分析,系统精度越高,系统误差越大.当系统精度为40 dB,系统误差约2％.对一样品进行10次测量,消光比平均值为31.1 dB,系统误差小于1％,随机误差小于1％.     

别汉棱镜光轴一致性检测与装调方法

针对在平行光路中无法检测别汉棱镜光轴和机械轴之间的位移误差问题,提出了位移误差检测方案,设计了别汉棱镜光轴一致性检测系统,包括检测光路和对照光路,这两条光路总长相等,MTF均接近衍射极限,根据设计的检测系统搭建检测光路,对口径为25 mm的别汉棱镜进行装调,先后在传统平行光路和本文所设计的检测光路中检测并调整棱镜光轴和机械轴之间的角度误差和位移误差,并使其最小,最终测得别汉棱镜的出射光轴与入射光轴的光轴一致性精度为±48″,将装调好的别汉棱镜和旋转轴系装入正式系统中装调,测得光轴一致性精度为±0.8个像素,达到像素级精度。本文提出的检测方法提高了在系统中装调别汉棱镜光轴的效率和精度。     

平面系统成像像差问题讨论

主要研究了平面系统成像引入像差的问题。由于平面系统的工作面为平面,平行光束入射、出射光也是平行光束,不会引起像差。一般认为,对于平面系统成像不引入像差,对于平面反射镜,同心光束经平面反射镜后仍然是同心光束,不存在像差,但对于棱镜系统和平行平板,只有在近轴条件下才能理想成像,在离轴角较大时,会引起像差,即同心光束经棱镜系统和平行平板后不再是同心光束。     

光干涉方法在角度偏差测量中的应用

介绍了应用光学干涉原理测量棱镜光学平行差的方法.棱镜可等效展开为玻璃平板,其入射面与出射面的光程差恒定,通过波长调谐方法,改变等效玻璃平板之间的位相差,从而用移相干涉术测量了光学棱镜的光学平行差.介绍了一种立方体玻璃90°偏差测量的新方法,斐索干涉仪的测试光束以45°入射到立方体玻璃内,入射波面经立方体90°二面角自准直反射,与干涉仪参考波面相干形成干涉图.分析了干涉波面与立方体玻璃二面角误差之间的关系,并通过移相式干涉仪给出了实测结果.     

利用斜方棱镜实现平行光管校准

平行光管是光学实验及计量检测的重要设备.平行光管处于离焦状态将给检测结果带来诸多不良影响.文章提出斜方棱镜校准法,利用斜方棱镜的光轴平移作用,将平行光管的两束边缘光分别入射到同一个CCD中,分划板成像在不同位置则说明分划板偏离物镜后焦面,根据成像位置调整分划板位置,实现平行光管的校准.对可能产生的误差进行了分析,得出在增加8倍望远镜的情况下精度可以达到2”以内,并通过实验验证了该方法的可行性和准确性.     

基于光学自准直的旋转轴平行度测量与不确定度分析

在激光通信和光电跟瞄系统中已经开始采用基于旋转光栅或光楔的指向-捕获-跟踪(Pointing,acquisition and tracking, PAT)机构对光轴进行角度调整，该结构质量轻、体积小，非常有利于系统的轻小型化。由于结构中两个旋转轴的平行度误差会严重影响PAT机构性能，因此在机械装配时需严格保证两轴平行度。针对旋转轴系轴线不易测量，传统测试方法精度不足，轴系晃动误差影响测量结果等问题，为了满足两轴平行度高精度检测的需求，文中提出基于自准直原理的旋转轴平行度测试方法，利用自准直光学特性，结合特殊设计的半反半透基准镜，采用数据拟合方法剔除轴系晃动的影响，得到旋转轴轴线空间位置，创新地实现了无需调整测试和被测设备即可在同一基准下测量两个平行轴系轴线角度和平行度。该方法只需一台测试设备，排除了传统多台测试设备联合测量时，基准传导与变换中的测量和变换误差，提高了测试精度和测试效率。首先，设计了基于自准直仪的测试系统，采用一台自准直仪测试两个轴系轴线空间位置，从而得到旋转轴同轴误差；然后，对测试结果不确定度进行了研究，分析了测试准确性及其影响因素；最后，采用该测试方法和测试系统，对某...     

光学连续闭环光电编码器误差检测系统

为了解决光电编码器误差检测精度低、光机结构复杂、检测周期长等问题,利用自准直仪与多面棱体的光学小角度测量原理及转角互逆双轴转台的连续误差检测方法,建立了光学连续闭环光电编码器误差检测系统;采用多体系统理论与相对位姿矩阵变换方法,建立了双轴转台全误差模型,分析了固定误差和可变误差对系统的影响;利用标定自准直仪与23面棱体对检测系统进行了校准,并利用高精度光电编码器与系统进行了精度对比验证。结果表明:检测系统的双轴回转精度满足数值仿真计算要求,系统精度可达0.38″,测量不确定度为0.2″（k=2）,系统检测精度与实际编码器出厂时标定的准确度基本一致,验证了光学连续闭环光电编码器误差检测系统实现高精度和全圆周连续误差检测的可行性。     

角锥棱镜腔Nd:YAG固体激光器特性的理论分析

理论分析了角锥棱镜腔Nd:YAG固体激光器的特性,通过数值模拟得出结论,角锥棱镜谐振腔对角锥棱镜的平移失调有一定的敏感性,而对输出镜的角度失调是不敏感的.利用菲涅耳一基尔霍夫衍射方程,模拟出角锥棱镜腔近场模式,该模式由六个瓣状结构组成,与实际光斑相吻合.根据斯托克斯参量分析出,角锥棱镜出射光的偏振态随角锥棱镜转动发生改变,出射的椭圆偏振光的椭圆率和方位角随着角锥棱镜的转动发生改变.     

基于偏振双折射棱镜的光学相控阵角度放大级研究

为了扩展光学相控阵的角度扫描范围,研究了偏 振双折射棱镜结构对角度放大性能的影响,分析了限制放大倍数和光束偏转效率的主要 因素,并提出了相应的优化设计方法。研究 结果表明:放大级中各级双折射棱镜的结构角和入射光角度决定了出射光角度分布,要获得 更大 的角度范围和均匀的角度间隔,应优化设计各级双折射棱镜的结构角;要提升放大倍数,应 设计 更大的结构角或者增加级联双折射棱镜数量,但这些都受到光束走离效应的限制,实际中应 结合 相控阵要求的通光口径和最小角度间隔等因素进行综合设计;放大级系统中,偏振控制误差 是造 成杂散光的主要因素,应严格控制各级液晶波片的驱动电压。     

一种新型对称分束偏光棱镜的设计

为了提高偏光棱镜出射光束的对称性,在Wallaston棱镜的基础上,对出射光端面倾斜适当的角度,在结构角一定的情况下,即可以保证分束角相对入射光方向的对称性。以589.3nm钠黄光为例,给出了出射光端面倾角,棱镜结构角和分束角之间的关系式,并分析了分束角随出射光端面倾角的变化趋势,同时提出了两种相关设计方案。测试结果表明,两出射光束的对称性相当好,理论值与实验值几乎完全吻合,表明该棱镜确是一种较理想的对称分束偏光器件。     

消光棱镜气室气体检测特性分析

在消光法气体浓度检测中,使用了两个相同的直角棱镜增大透射光束在气体中的光程,利用其对光束的全反射特性提高了气室的检测灵敏度;使用凸透镜对旁轴光束聚焦,解决了二次测量中输出光束平移问题;给出了旁轴光束条件下光束的传输特性方程及灵敏度的定性表达,并对灵敏度进行了仿真分析;使用单波长测量法对气体浓度进行了计算,并分析了系统误差。