卡塞格林系統(tǒng)光學(xué)裝調(diào)技術(shù)研究

張向明，姜 峰，孔龍陽，李玉喜，劉奕辰，張錦亮，趙紅軍，王智超，鐘麗萍

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安710065）

引言

隨著光學(xué)加工與檢測技術(shù)的發(fā)展，非球面光學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于國防軍工的各個領(lǐng)域。其中反射式卡塞格林系統(tǒng)有著大口徑、長焦距、多波段的特點，常應(yīng)用于多傳感器光電系統(tǒng)光軸的校正［1］?？ㄈ窳止鈱W(xué)系統(tǒng)中主鏡的裝調(diào)質(zhì)量會極大地影響整個系統(tǒng)的成像水平。本文具體研究了粘接主鏡的膠層中內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的影響，并提出新的粘接與光學(xué)定中心方案?？ㄈ窳窒到y(tǒng)具有接近衍射極限的成像質(zhì)量，裝調(diào)的工藝技術(shù)水平會極大地影響系統(tǒng)的成像質(zhì)量，傳統(tǒng)的裝調(diào)方法周期長，成像質(zhì)量無法保證，本文利用計算機輔助裝調(diào)技術(shù)來確保系統(tǒng)的成像質(zhì)量，產(chǎn)品的成像分辨率可達(dá)1″以內(nèi)。

1 卡塞格林系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)

卡塞格林光學(xué)系統(tǒng)是最廣泛的兩鏡系統(tǒng)之一，主鏡為凹的拋物面，次鏡為凸的雙曲面，該光學(xué)系統(tǒng)屬于反射式系統(tǒng)，沒有色差，口徑一般較大，但存在中心遮攔。分劃板位于卡塞格林系統(tǒng)的焦面處，一束平行光束經(jīng)過主鏡的第一次反射和次鏡的第二次反射后會聚到分劃板面上，如圖1所示。該光學(xué)系統(tǒng)的主要裝調(diào)步驟由主鏡定光學(xué)中心、主鏡粘接固定和光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)3部分組成，其中主鏡粘接和光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)決定了系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)圖Fig.1 Optical system diagram

2 主鏡的定中心方法

傳統(tǒng)主鏡定中心一般選用車削法：主鏡座加工時留有一定的車削余量，主鏡粘接到主鏡座后，使用專用工裝將其固定在車床上對主鏡進(jìn)行光學(xué)定中心，并按要求尺寸車削主鏡座外圓。缺點是主鏡座在裝夾和車削過程中會受到應(yīng)力影響，該應(yīng)力經(jīng)主鏡座傳遞到主鏡上，破壞鏡體的面形精度，同時碎屑有時也會損傷主鏡表面。本文使用三坐標(biāo)測量法對主鏡進(jìn)行快速定中心，主鏡裝入到主鏡座后水平放置于三坐標(biāo)檢測平臺上，并通過三坐標(biāo)測量儀建立x，y，z空間坐標(biāo)系，如圖2所示。z軸垂直于檢測臺面，即與主鏡中心軸平行，在x，y確定的水平面內(nèi)對主鏡和主鏡座外圓柱面進(jìn)行外形參數(shù)采樣，圖2中的實線圓為主鏡座外圓柱面多次采樣后形成的軌跡，實圓點為根據(jù)采樣點坐標(biāo)擬合出的主鏡座中心點，虛線圓為主鏡外圓多次采樣形成的軌跡（主鏡外圓柱面高于主鏡座的圓柱面），空心點是擬合出主鏡的中心點，在基礎(chǔ)坐標(biāo)系上對2個中心點位置做差，其差值a即為主鏡相對主鏡座的中心偏差量。在主鏡座圓柱面上加工有定位頂絲螺孔，如圖3所示。在螺孔處旋上尼龍頂絲螺柱（不要使用金屬螺釘，防止損傷玻璃），通過尼龍頂絲螺柱的推頂作用，使主鏡在主鏡座中微量移動，當(dāng)主鏡中心軸線與主鏡座中心軸線重合時，旋緊尼龍頂絲螺柱，固定主鏡位置，完成主鏡的定心。該方法定中心簡便直觀快捷，但是定中心精度受采樣頻率和零件外形誤差影響，一般要求將定中心偏差控制在0.1mm以內(nèi)，滿足次鏡調(diào)整范圍即可。

圖2 三坐標(biāo)測量儀定中心示意圖Fig.2 Schematic diagram of centering by three－coordinate measuring device

3 主鏡的膠結(jié)固定

主鏡在粘接過程中會受到膠層內(nèi)應(yīng)力影響引起面形變化，內(nèi)應(yīng)力是指膠層固化時體積收縮和膠層與被粘件熱膨脹系數(shù)差異所造成的存在于粘接體系內(nèi)部的應(yīng)力［2］。本文選用硅橡膠作為膠結(jié)劑，通過大量的實驗研究，找到了膠層內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因，并針對這4種情況提出了解決方案：

1）固化導(dǎo)致的膠層體積收縮。膠層固化是一種化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)過程會使膠體產(chǎn)生收縮，形成收縮應(yīng)力［3］，這種應(yīng)力會嚴(yán)重削弱界面黏合力，降低粘接強度?？紤]到硅橡膠在固化反應(yīng)時沒有水和其他揮發(fā)性物質(zhì)產(chǎn)生，收縮率很低，內(nèi)應(yīng)力較小，同時硅橡膠還具有部分吸收外部應(yīng)力的能力，通過實驗表明使用硅橡膠粘接可以有效降低鏡體所受應(yīng)力的影響。

2）主鏡與主鏡座熱膨脹系數(shù)的差異。兩者差異越大，溫度變化時在膠層界面上形成熱應(yīng)力就越大。銦鋼材料與主鏡材料的膨脹率相近，可以有效降低材料熱膨脹系數(shù)的差異對膠層的影響，同時粘接過程中環(huán)境溫度應(yīng)保持恒定不變，可使溫度引起的變形量降到最低。

3）主鏡與主鏡座粘接表面的面形差異。這里需要分別考慮主鏡與主鏡座粘接面面形以及主鏡座與鏡筒安裝基面的匹配程度，主鏡與鏡座粘接面面形匹配程度低會導(dǎo)致膠層厚度不均勻，影響膠層的粘接強度和內(nèi)應(yīng)力的均勻性［4］。主鏡座與鏡筒安裝基面面形差異大則會產(chǎn)生裝配應(yīng)力，因此在提高加工精度基礎(chǔ)上，應(yīng)減小安裝基面的配合面積。

4）膠層內(nèi)部的氣泡。涂膠時如果方式不當(dāng)就會在膠液內(nèi)部產(chǎn)生氣泡，這些氣泡不但會影響結(jié)構(gòu)膠的膠結(jié)強度，同時會導(dǎo)致膠層內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力［5］。灌膠時應(yīng)盡量避免膠液內(nèi)產(chǎn)生氣泡，如不慎引入氣泡，需要將氣泡刺破，重新填膠。

傳統(tǒng)的粘接方法是在灌膠槽中一次填滿硅橡膠，然后靜置24h～48h，待膠固化后將定位用頂絲螺柱從頂絲孔中旋出，完成主鏡的粘接。硅橡膠具有吸收水汽才能固化的特性［6］，膠液外表會形成一層致密的膜，阻止水汽進(jìn)入膠層內(nèi)部，導(dǎo)致內(nèi)部依然呈液態(tài)，無法完全固化，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。本文采用了一種多層次涂膠分段固化的新方法。在恒溫環(huán)境下，主鏡圓周每隔120°均布的3段位置均勻涂硅橡膠，每段長度不宜超過50mm，應(yīng)嚴(yán)格控制涂膠量，防止膠液出現(xiàn)表面固化而內(nèi)部半固化的情況，同時避免膠液內(nèi)部存有氣泡，涂膠速度要快，盡量保證3處涂膠點同時固化，待膠層完全固化后再次涂膠，直至完全填充灌膠槽，然后另外選取3段位置進(jìn)行涂膠，方法同上。待主鏡圓周均涂膠固化后，旋出定位頂絲螺柱，完成主鏡粘接。圖3為分段涂膠的示意圖，圖4顯示膠粘過后的主鏡面形干涉圖樣，可見干涉條紋均勻，面形較好。

圖3 分段涂膠示意圖Fig.3 Schematic diagram of piecewise gluing

圖4 主鏡粘接后的干涉面形Fig.4 Interferometric surface after main mirror bonded

4 使用ZYGO干涉儀對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行校正

本文所述卡塞格林光學(xué)系統(tǒng)焦距f＝3 000 mm，口徑D＝300mm，F(xiàn)／10，裝調(diào)過程中采用自準(zhǔn)直光路，在主次鏡前方放置平面反射鏡，在系統(tǒng)焦平面處放置ZYGO干涉儀進(jìn)行測量，干涉儀一般選用干涉光源為632.8nm的Fizeau型激光干涉系統(tǒng)，鏡頭選用4″，F(xiàn)／3.3的透射球面鏡頭?？ㄈ窳窒到y(tǒng)中心高度與ZYGO干涉鏡頭中心高度一致，平面反射鏡口徑應(yīng)大于被測光學(xué)系統(tǒng)最大通光孔徑，如圖5所示。

圖5 裝調(diào)檢測光路Fig.5 Optical path of alignment detection

4.1 計算機輔助裝調(diào)原理

光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)直接影響了整個系統(tǒng)的光學(xué)性能，普通的裝調(diào)方式容易導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)失調(diào)，引入像差，使波相差變大，導(dǎo)致系統(tǒng)成像質(zhì)量下降［7］。計算機輔助裝調(diào)是根據(jù)實測像質(zhì)，將得到的波前信息與光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計時的理論結(jié)果相對比，通過計算機分析計算，確定出失調(diào)量大小及方向，根據(jù)失調(diào)量與初級像差的關(guān)系，調(diào)整失調(diào)量，使像差得到快速收斂。像差是失調(diào)量結(jié)構(gòu)參數(shù)的函數(shù)，在近軸區(qū)域，像差與主次鏡的位置失調(diào)量近似成線性關(guān)系，其函數(shù)關(guān)系式表示為［8］

式中：A代表結(jié)構(gòu)參數(shù)失調(diào)量對引起像差變化的影響系數(shù)，ΔX代表主次鏡之間的相對位置失調(diào)量，ΔF為系統(tǒng)像差實際值與理論值之差。計算機輔助裝調(diào)技術(shù)使用Zernike多項式來描述系統(tǒng)的像差，并與光學(xué)元件的位置參數(shù)聯(lián)系起來，得到校正變量的變化量，使像差快速收斂。理論上Zernike多項式的系數(shù)數(shù)值絕對值應(yīng)越小越好，考慮到鏡子的加工誤差，應(yīng)力變形產(chǎn)生的殘余誤差等，上述誤差與失調(diào)誤差混合在一起，導(dǎo)致Zernike多項式的系數(shù)絕對值只有極小值［9］。光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)主要是調(diào)整系統(tǒng)的初級像差，對于全反射系統(tǒng)，無需考慮色差，在裝調(diào)過程中，場曲不會變化，而畸變在干涉圖中無法反映出來，需要校正的像差為球差、彗差和像散。Zernike多項式中的Z4～Z8系數(shù)分別代表球差、彗差和像散［10］，如表1所示。

表1 初級像差Table 1 Primary aberration

4.2 調(diào)試方法研究

球差是軸上同心光束經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后會聚于光軸上的不同點，相對理想像點有不同的偏離，因此球差與主次鏡之間的距離有直接關(guān)系，當(dāng)主次鏡間的距離滿足設(shè)計要求時，可以消除系統(tǒng)球差。彗差是軸外寬光束像差，是由于光學(xué)系統(tǒng)不對稱造成的，星點檢測時會形成彗星狀彌散斑，彗差主要由主次鏡的不同心造成的，當(dāng)主次鏡同心后，系統(tǒng)彗差就會基本消除。像散是光束波面通過光學(xué)系統(tǒng)出射后變成非對稱波面造成的，其表現(xiàn)形式為圖像在水平向和俯仰向不能同時清晰，主次鏡間光軸傾斜是引起像散的主要因素。實際裝調(diào)過程中，固定主鏡作為基準(zhǔn)，調(diào)整次鏡的相對位置，首先以系統(tǒng)光軸為z軸建立x，y，z坐標(biāo)系，垂直光軸的水平方向建立x軸，垂直方向建立y軸，如圖6所示。球差是軸上像差，次鏡的軸向平移影響系統(tǒng)的球差，且次鏡在一定范圍內(nèi)沿垂軸方向平移和傾斜對系統(tǒng)球差幾乎沒有影響，通過隔圈厚度來調(diào)整次鏡軸向平移量，球差消除后，系統(tǒng)的焦距也會達(dá)到設(shè)計要求。彗差、像散均是軸外像差，需要調(diào)整次鏡的偏心和傾斜來消除，且偏心和傾斜對系統(tǒng)彗差和像散均有影響，但其貢獻(xiàn)量不一致，彗差通過x、y向平移次鏡可有效地消除，像散通過x、y向傾斜次鏡可有效地消除，其符號由偏心和傾斜的方向決定，大小取決于偏心和傾斜幅值的大小。球差、彗差和像散的精確檢測，決定了次鏡位置和角度的調(diào)整精度。

圖6 次鏡調(diào)試的坐標(biāo)圖Fig.6 Coordinate diagram for debugging of secondary mirror

通過反復(fù)調(diào)整，最終測量RMS值達(dá)到0.10λ左右。從檢測結(jié)果可知，系統(tǒng)的球差得到了較好的校正，表明主次鏡的距離基本正確，剩余的初級像差主要是彗差和像散，也得到了較好的校正。圖7為調(diào)校后光學(xué)系統(tǒng)的干涉圖樣。

圖7 調(diào)校后系統(tǒng)的干涉圖樣Fig.7 System interference pattern after adjustment

5 像質(zhì)評價

卡塞格林系統(tǒng)裝調(diào)完成后，使用焦距為3m的平行光管對系統(tǒng)進(jìn)行星點檢測和分辨率檢測。將系統(tǒng)正對平行光管出射光方向，選用星點孔為?0.05mm的星點板，使用測量顯微鏡進(jìn)行觀察，觀察到的星點像均勻，前后推拉顯微鏡，可見系統(tǒng)無明顯像差。分辨率檢測，可實現(xiàn)1″以內(nèi)的分辨率，焦距測量為3.002m，像質(zhì)良好，符合設(shè)計要求。

圖8 星點和分辨率板檢測圖像Fig.8 Star and resolution detecting diagrams

6 結(jié)論

本文以某型卡塞格林系統(tǒng)為基礎(chǔ)，提出了主鏡快速定中心及微應(yīng)力粘接方案，光學(xué)系統(tǒng)采用計算機輔助裝調(diào)的新方法。本文對主鏡快速定中心的原理及方法進(jìn)行了闡述，同時對主鏡的粘接固定方法進(jìn)行研究，提出并分析了膠層內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的原因及消除方法，將主鏡面形變化量控制在極小的范圍內(nèi)。計算機輔助裝調(diào)法解決了傳統(tǒng)光學(xué)裝調(diào)周期長、不定量的缺點，適用于裝校精度要求高的反射式光學(xué)系統(tǒng)，通過像差與調(diào)整變量之間的關(guān)系對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行裝校，并計算失調(diào)量的大小及方向，可指導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)。實踐證明，采用本文調(diào)校方法系統(tǒng)成像質(zhì)量良好，系統(tǒng)分辨率達(dá)到1″以內(nèi)。

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