CN113064286A - 一种借助于五角棱镜的k镜检测装置及其装调方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种借助于五角棱镜的K镜装调装置，包括：位于第一光轴上并沿光路的走向依次设置的干涉仪、可切换或移除的反射棱镜和五角棱镜、分束镜、第二平面反射镜；相机，位于与第一光轴垂直且经过分束镜的第二光轴上；位于反射棱镜和五角棱镜的正上方的第一平面反射镜以及用于放置其的二维倾斜调整架；与二维倾斜调整架和第一平面反射镜连接的连接板；机械旋转台，与连接板连接，具有中心孔；反射棱镜是截面为等腰三角形的柱体的外表面反射棱镜；反射棱镜和第一平面反射镜共同构成K镜单元。本发明还提供相应的装调方法。本发明的装置有效地实现K镜单元的内部光路对齐和外部光路对齐，同时解决K镜装调不易操作且需反复迭代的问题。

Description

一种借助于五角棱镜的K镜检测装置及其装调方法

技术领域

本发明涉及一种K镜检测装置及其装调方法，具体涉及一种借助于五角棱镜的K镜检测装置及其装调方法。

背景技术

K镜在天文领域中主要有两个应用：一个是用来消除单口径地平式望远镜中天体场旋转带来的像场旋转问题；另一个是用来解决光学综合孔径望远镜中镜面反射引入的偏振不匹配所造成的干涉条纹对比度下降问题。K镜单元作为光学综合孔径望远镜中的一个关键性部件，已在美国的LBT(大双筒望远镜，Large Binocular Telescope)望远镜、法国的GI2T(Grand Interferometre a 2Telescopes)望远镜中得到了成功应用。K镜的使用可以延长对天观测时间，提升天文仪器的应用潜力：GI2T的相关文献报道，使用了K镜单元后，观测时间延长了3个小时。K镜可以推广到任何一个非对称干涉臂的光学合成孔径阵列中，节约建造成本，这是因为传统的光学综合孔径望远镜为了提高成像质量，必须为每条干涉臂匹配相同的光学元件，也就是干涉臂必须是对称的，但K镜的应用则可以打破这一规则，在非对称干涉臂的光学合成孔径阵列中引入K镜可以达到与对称干涉臂的光学合成孔径阵列相同的成像质量。

然而，在将K镜放入光路中使用之前，需要对K镜进行装调及检测，以确保达到最佳使用效果。LBT和GI2T望远镜中使用的K镜单元通常包括三块分立的反射镜，在三块镜子的装调过程中需要反复迭代调节，直至K镜单元装调到最佳位置，因此K镜装调困难、装调过程需反复迭代。

发明内容

本发明的目的在于为K镜装调提供一种检测方法及装置，以解决K镜装调困难、装调过程需反复迭代的问题。

为了实现上述目的，本发明提供一种借助于五角棱镜的K镜装调装置，其特征在于，包括：位于第一光轴上并沿光路的走向依次设置的干涉仪、可切换或者移除的反射棱镜和五角棱镜、分束镜以及第二平面反射镜；相机，其位于与第一光轴垂直且经过所述分束镜的第二光轴上；第一平面反射镜，位于所述可切换或者移除的反射棱镜和五角棱镜的正上方；第一二维倾斜调整架，其用于放置所述可切换或者移除的反射棱镜和五角棱镜；连接板，其与所述第一二维倾斜调整架和所述第一平面反射镜均固定连接；以及机械旋转台，其与连接板连接，其具有位于第一光轴上的中心孔；所述反射棱镜是截面为等腰三角形的柱体的外表面反射棱镜；在所述可切换或者移除的反射棱镜和五角棱镜被切换为反射棱镜时，反射棱镜和第一平面反射镜共同构成了K镜单元。

所述第一平面反射镜固定在一水平设置的第二二维倾斜调整架上，所述第一平面反射镜通过第二二维倾斜调整架来与所述连接板固定连接。

第一二维倾斜架和第二二维倾斜架的调整方向均是绕y轴旋转和绕x轴旋转，y轴为垂直于第一光轴的竖直方向，x轴是垂直于第一光轴的水平方向。

所述第二二维倾斜架固定在一个上下平移装置上，且上下平移装置与所述连接板固定连接。

所述反射棱镜是截面为等腰三角形的柱体的外表面反射棱镜，反射棱镜的表面镀有金属膜或宽带介质膜，且反射棱镜的顶角大于90°小于180°。

所述金属膜是铝膜、银膜或金膜。

所述反射棱镜的顶角是110°，两个底角是35°。

所述机械旋转台安装于一机械升高架上。

所述干涉仪为FISBA干涉仪或ZYGO干涉仪，所述相机为科学级的相机，且所述分束镜是R：T为45:55的薄膜分束器。

另一方面，本发明提供一种借助于五角棱镜的K镜装调方法，包括：

S1：搭建根据上文所述的借助于五角棱镜的K镜检测装置，其中的可切换或者移除的反射棱镜和五角棱镜被移除，以确保干涉仪、分束镜以及第二平面反射镜位于第一光轴上；

S2：将所述可切换或者移除的反射棱镜和五角棱镜切换为五角棱镜，利用五角棱镜的前表面的自准直反射，调节第一二维倾斜调整架使五角棱镜的前表面与第一光轴垂直，接着调整第一平面反射镜的姿态，使入射到反射棱镜的反射面的光束自准直反射回干涉仪中；

S3：将所述可切换或者移除的反射棱镜和五角棱镜切换为反射棱镜，调节第一平面反射镜，使经过反射棱镜的第二个反射面的出射光束与机械旋转台的中心孔重合；

S4：利用机械旋转台对反射棱镜和第一平面反射镜所共同构成的K镜单元进行旋转，在旋转的过程中，通过相机记录光斑在相机靶面上的位置信息。

本发明的借助于五角棱镜的K镜装调装置将K镜单元简化为截面为等腰三角形的柱体的外表面反射棱镜和第一平面反射镜，反射棱镜包含了两个反射面，使得反射棱镜加工的时候就确保了两个反射面之间的角度因而不需要调节，从而降低了需要调节的元器件的数量，由原来的三块镜子简化为两块镜子的调节，从而简化了调节的过程，有效地实现K镜单元的内部光路对齐和外部光路对齐，避免了在三块镜子的装调过程中需要反复迭代调节，直至K镜单元装调到最佳位置的问题；此外，本发明的借助于五角棱镜的K镜装调装置借助于五角棱镜，可以使K镜单元内部的反射棱镜与平面反射镜不再需要反复迭代调节。另外，从能量损耗角度来看，因K镜单元采用三个反射镜的光学结构，光能量损耗小；从通光孔径角度来看，因为平面反射镜的扩展性，K镜单元的尺寸可以根据光束的尺寸进行灵活调整。

附图说明

图1A是根据本发明的一个实施例的借助于五角棱镜的K镜装调装置在切换为反射棱镜时的整体结构示意图。

图1B是根据本发明的一个实施例的借助于五角棱镜的K镜装调装置在切换为五角棱镜时的局部结构示意图。

图2为本发明的借助于五角棱镜的K镜装调装置的K镜单元中的反射棱镜的截面示意图。

图3为本发明的借助于五角棱镜的K镜装调装置的K镜单元中的反射棱镜在顶角等于或者小于90°时的截面示意图。

图4为本发明的借助于五角棱镜的K镜装调装置的五角棱镜的截面示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。

如图1A-图1B所示，本发明的借助于五角棱镜的K镜装调装置由干涉仪1、可切换或者移除的反射棱镜21和五角棱镜22、第一平面反射镜4、连接板5、高精度的机械旋转台6、高精度的机械升高架7、分束镜8、科学级的相机9、第二平面反射镜10组成；其中，所述干涉仪1、可切换或者移除的反射棱镜21和五角棱镜22、分束镜8以及第二平面反射镜10位于第一光轴I上并沿光路的走向依次设置。相机9位于与第一光轴I垂直且经过所述分束镜8的第二光轴II上。第一平面反射镜4位于可切换或者移除的反射棱镜21和五角棱镜22的正上方，所述可切换或者移除的反射棱镜21和五角棱镜22位于一水平设置的第一二维倾斜调整架31上，所述第一二维倾斜调整架31和所述第一平面反射镜4均与连接板5固定连接，且连接板5与所述机械旋转台6连接，所述机械旋转台6具有位于第一光轴I上的中心孔。所述机械旋转台6安装于所述机械升高架7上。

当可切换或者移除的反射棱镜21和五角棱镜22切换为反射棱镜21时，反射棱镜21和第一平面反射镜4共同构成了K镜单元100，K镜单元100和所述机械旋转台6通过连接板5紧密连接在一起。反射棱镜21的底面和第一平面反射镜4均水平设置，反射棱镜21的两个反射面均位于所述第一光轴I上。

其中，所述的干涉仪1为FISBA干涉仪，其为一种准单色光源，优选为波长为632.8nm的He-Ne激光光源。此外，在其他实施例中，干涉仪1也可以替换为其他类型的干涉仪例如ZYGO干涉仪，因ZYGO干涉仪的出射光斑尺寸较大，需要加上光阑，对出射光束的尺寸进行选择。干涉仪1的作用有两种，其一是为了根据第二平面反射镜10反射回干涉仪1的光斑，建立自准直光路，以确保光轴的唯一性；其二是用于查看五角棱镜22前表面以及经过五角棱镜22后入射到第一平面反射镜4上原路反射回fisba的图像来确定反射棱镜21和第一平面反射镜4的姿态。所述的相机9为科学级的相机，其响应波段频谱为宽波段，覆盖浅紫外到近红外波段，量子效率高，响应速度快。在本实施例中，所述分束镜8是R：T为45:55的薄膜分束器，R是反射率，T是透射率。选择这款产品主要是根据400-700nm的可见光波段来选型的，波段范围更广一些。此外，在其他的实施例中，也可以根据干涉仪1选择单一波长膜系下的其他任意分光比R：T的分束器，例如635nm镀膜下的R：T为33:67或者50:50的分束器，具体可以参见thorlabs的网址：【https://www.thorlabschina.cn/newgrouppage9.cfm？objectgroup_id＝4138】)，或者采用立方棱镜分束器来代替薄膜分束器。

如图2所示，反射棱镜21是截面为等腰三角形的柱体的外表面反射棱镜，等反射棱镜21的两个底角相等。反射棱镜21的表面镀有金属膜或宽带介质膜，该金属膜可以是铝膜、银膜或金膜。在本实施例中，反射棱镜21的顶角是110°，两个底角是35°。然而，在其他实施例中，反射棱镜21的顶角大于90°小于180°。这是根据三反结构的光路确定的角度，理论上大于90°小于180°就可以使光束能经过K镜单元，但如果顶角太接近180°的话，反射棱镜21和第一平面反射镜4之间的间距就会太小；如果太接近90°的话，反射棱镜21和第一平面反射镜4之间的间距就会太大。如果等于或者小于90°，那么就无法保证经由第一平面反射镜4反射后入射到反射棱镜的另一个反射面上，如图3所示。如果反射棱镜的顶角确定后，那么两个底角的度数也就确定了。反射棱镜21的尺寸没有特定的值，只要能使光斑入射到反射棱镜21的反射面上就可以。

由此，来自干涉仪1的准单色光入射到反射棱镜21的第一个外反射面上，经反射后到达第一平面反射镜4，经第一平面反射镜4反射后入射到反射棱镜21的另一个外反射面上，穿过高精度的机械旋转台6的中心孔后入射到分束器8上，被分束器8分成两束，一束入射到第二平面反射镜10，另一束进入到科学级的相机9；相机9记录光斑随K镜单元旋转的运动轨迹。五角棱镜22用来替换反射棱镜21进行K镜单元100的内部的机械粗校准。

如图4所示，五角棱镜22是使得五角棱镜22的入射光的光轴与出射光的光轴的夹角为90度的光束转向器，以保证五角棱镜22的入射光的光轴(即干涉仪1的出射光轴)与出射光的光轴(即第一平面反射镜4的入射光的光轴)与呈90度。在本实施例中，五角棱镜22是柱形结构，其截面为五边形，具有一个直角以及与该直角相邻的两个大小为112.5°的角。五角棱镜的姿态如图1B和图4所示，五角棱镜22的与直角相邻的两个柱面分别正对所述第一平面反射镜4和所述干涉仪1，从而保证出射方向向上且入射到第一平面反射镜4上。只需要再微调二维倾斜架3即可保证五角棱镜的前表面自准直反射回干涉仪1。

再请参见图2，机械旋转台6设置为绕中心孔且绕z轴可旋转，可旋转的范围为360°，从而可以实现反射棱镜21、第一平面反射镜4构成的K镜单元100整体绕光轴旋转。机械旋转台6具有固定部和旋转部，旋转部通过蜗轮蜗杆与手轮连接，由此，通过旋转手轮，进而通过蜗轮蜗杆的驱动，即可进高分辨率的精密角度旋转，可360°旋转，分辨率为0.01°。

可切换或者移除的反射棱镜21和五角棱镜22放置于水平设置的第一二维倾斜调整架31上，其中，五角棱镜22安装在一底部为平面的笼式结构中，并通过笼式结构被放置于第一二维倾斜调整架31上。第一平面反射镜4固定在一水平设置的第二二维倾斜调整架32上，所述第一平面反射镜4通过第二二维倾斜调整架32来与连接板5固定连接。

从干涉仪1出射的准单色光所在的第一光轴I是z轴，垂直于z轴的竖直方向的是y轴，垂直于z轴的水平方向是x轴。第一二维倾斜架31的两个调整姿态分别是绕y轴旋转和绕x轴旋转，从而带动反射棱镜21或五角棱镜22绕y轴旋转和绕x轴旋转。第二二维倾斜架32的调整方向同样是绕y轴旋转和绕x轴旋转，从而带动第一平面反射镜4绕y轴旋转和绕x轴旋转，可以调整第一平面反射镜4的姿态。

第一平面反射镜4对应的第二二维倾斜架32固定在一个上下平移装置51(具有上下平移功能的一维微位移调整架)上，且上下平移装置51与所述连接板5固定连接，实现K镜单元内部光程的调整。在可切换或者移除的反射棱镜21和五角棱镜22被切换为五角棱镜22的情况下，当第一平面反射镜4的姿态调整好之后，沿竖直方向平移所述上下平移装置51时，可以使改变k镜单元100的内部光程，且使得经过反射棱镜21的第二个反射面的出射光束与机械旋转台6的中心孔重合；此外，沿竖直方向平移所述上下平移装置51时，经五角棱镜22出射后入射到第一平面反射镜4上，经第一平面反射镜4反射后返回到干涉仪1上的光斑位置将保持不变。该上下平移装置51的上下调节不会影响到光斑位置，这是因为在用五角棱镜22进行k镜单元100的内部光路调整的时候，在上下调节上下平移装置51的同时也可以调节第一平面反射镜4的姿态，以确保上下移动第一平面反射镜4时，经第一平面反射镜4反射回干涉仪1的光斑位置不变。因此在外部光路调整时，上下平移将不会改变第一平面反射镜4的姿态，仅会改变k镜单元100的内部光程。

为了保证K镜单元能正常工作，在旋转K镜单元之前，需要借助五角棱镜对K镜单元的内部光路进行装调。因此，基于上文所述的借助于五角棱镜的K镜检测装置，所实现的借助于五角棱镜的K镜装调方法的具体步骤如下：

步骤S1：搭建上文所述的借助于五角棱镜的K镜检测装置，其中的可切换或者移除的反射棱镜21和五角棱镜22被移除，以确保干涉仪1、分束镜8以及第二平面反射镜10位于第一光轴I上；也就是说，将如图1A所示的反射棱镜21取下，确保来自干涉仪1的准单色光不经过K镜单元100，直接穿过高精度的机械旋转台6的中心孔和分束镜8入射到第二平面反射镜10，在干涉仪1上查看由第二平面反射镜10自准直反射回的光斑图像，由此建立检测光路的光轴；

步骤S2：将所述借助于五角棱镜的K镜检测装置中的可切换或者移除的反射棱镜21和五角棱镜22切换为五角棱镜22(也就是说，将五角棱镜22放入光路中)，利用五角棱镜22的前表面的自准直反射，调节第一二维倾斜调整架31使五角棱镜22的前表面与第一光轴I垂直，接着调整第一平面反射镜4的姿态，使入射到反射棱镜21的反射面的光束自准直反射回干涉仪1中；

在本实施例中，调整第一平面反射镜4的姿态是指通过调节第二二维倾斜架32来调整第一平面反射镜4的姿态。

步骤S3：将所述借助于五角棱镜的K镜检测装置中的可切换或者移除的反射棱镜21和五角棱镜22切换为反射棱镜21(也就是说，将五角棱镜22取出，将反射棱镜21放回光路中)，调节第一平面反射镜4，使经过反射棱镜21的第二个反射面的出射光束与机械旋转台6的中心孔重合。

在本实施例中，调节第一平面反射镜4具体是指调节第一平面反射镜4的上下平移装置，来使经过反射棱镜21的第二个反射面的出射光束与机械旋转台6的中心孔重合。在此过程中，还可以同时调节第二二维倾斜架32，来确保返回到干涉仪1上的光斑位置将保持不变。

步骤S4：利用机械旋转台6对反射棱镜21和第一平面反射镜4所共同构成的K镜单元100进行旋转，在旋转的过程中，通过相机9记录光斑在相机靶面上的位置信息。

光斑在相机靶面上的位置信息反映了光轴与机械旋转轴是否一致，如果光斑在靶面上的运动轨迹接近圆形(经过步骤S3的调节，运动轨迹应该已经为圆形)，那么说明机械旋转台6的机械旋转轴与第一光轴I基本一致。如果光斑在靶面上的运动轨迹是一个螺旋线，并且螺旋线的起点和终点的距离越大，说明机械旋转台6的机械旋转轴与第一光轴I的偏差越大。因为KM单元是为了后期放入光学综合孔径望远镜光路的干涉臂中，放入之后的目的才是为了消除干涉臂中多个反射镜引入的光场旋转，从而提高干涉条纹的对比度。而这套装置的的主要目的是实现K镜单元的正确装调，装调到位后放入到干涉臂中。因此，这里对机械旋转台的速度没有要求。

因此，还可以包括步骤S5：确认光斑在相机靶面上的位置为圆形，并将装调好的K镜单元放入到干涉臂中。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种借助于五角棱镜的K镜装调装置，其特征在于，包括：

位于第一光轴上并沿光路的走向依次设置的干涉仪、可切换或者移除的反射棱镜和五角棱镜、分束镜以及第二平面反射镜；

相机，其位于与第一光轴垂直且经过所述分束镜的第二光轴上；

第一平面反射镜，位于所述可切换或者移除的反射棱镜和五角棱镜的正上方；

第一二维倾斜调整架，其用于放置所述可切换或者移除的反射棱镜和五角棱镜；

连接板，其与所述第一二维倾斜调整架和所述第一平面反射镜均固定连接；以及

机械旋转台，其与连接板连接，其具有位于第一光轴上的中心孔；

所述反射棱镜是截面为等腰三角形的柱体的外表面反射棱镜；在所述可切换或者移除的反射棱镜和五角棱镜被切换为反射棱镜时，反射棱镜和第一平面反射镜共同构成了K镜单元。

2.根据权利要求1所述的借助于五角棱镜的K镜装调装置，其特征在于，所述第一平面反射镜固定在一水平设置的第二二维倾斜调整架上，所述第一平面反射镜通过第二二维倾斜调整架来与所述连接板固定连接。

3.根据权利要求2所述的借助于五角棱镜的K镜装调装置，其特征在于，第一二维倾斜架和第二二维倾斜架的调整方向均是绕y轴旋转和绕x轴旋转，y轴为垂直于第一光轴的竖直方向，x轴是垂直于第一光轴的水平方向。

4.根据权利要求2所述的借助于五角棱镜的K镜装调装置，其特征在于，所述第二二维倾斜架固定在一个上下平移装置上，且上下平移装置与所述连接板固定连接。

5.根据权利要求1所述的借助于五角棱镜的K镜装调装置，其特征在于，反射棱镜的表面镀有金属膜或宽带介质膜，且反射棱镜的顶角大于90°小于180°。

6.根据权利要求5所述的借助于五角棱镜的K镜装调装置，其特征在于，所述金属膜是铝膜、银膜或金膜。

7.根据权利要求5所述的借助于五角棱镜的K镜装调装置，其特征在于，所述反射棱镜的顶角是110°，两个底角是35°。

8.根据权利要求1所述的借助于五角棱镜的K镜装调装置，其特征在于，所述机械旋转台安装于一机械升高架上。

9.根据权利要求1所述的借助于五角棱镜的K镜装调装置，其特征在于，所述干涉仪为FISBA干涉仪或ZYGO干涉仪，所述相机为科学级的相机，且所述分束镜是R：T为45:55的薄膜分束器。

10.一种借助于五角棱镜的K镜装调方法，其特征在于，包括：

步骤S1：搭建根据权利要求1-9之一所述的借助于五角棱镜的K镜检测装置，其中的可切换或者移除的反射棱镜和五角棱镜被移除，以确保干涉仪、分束镜以及第二平面反射镜位于第一光轴上；

步骤S2：将所述可切换或者移除的反射棱镜和五角棱镜切换为五角棱镜，利用五角棱镜的前表面的自准直反射，调节第一二维倾斜调整架使五角棱镜的前表面与第一光轴垂直，接着调整第一平面反射镜的姿态，使入射到反射棱镜的反射面的光束自准直反射回干涉仪中；

步骤S3：将所述可切换或者移除的反射棱镜和五角棱镜切换为反射棱镜，调节第一平面反射镜，使经过反射棱镜的第二个反射面的出射光束与机械旋转台的中心孔重合；

步骤S4：利用机械旋转台对反射棱镜和第一平面反射镜所共同构成的K镜单元进行旋转，在旋转的过程中，通过相机记录光斑在相机靶面上的位置信息。

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