光學(xué)元件缺陷在線檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張文學(xué)，王繼紅，任 戈

(1.中國(guó)科學(xué)院 光束控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610209；2.中國(guó)科學(xué)院 光電技術(shù)研究所，四川 成都 610209；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

引言

望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中光路較長(zhǎng)，光學(xué)元件數(shù)目和種類(lèi)較多，光學(xué)元件在組裝進(jìn)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)以前，對(duì)表面質(zhì)量均進(jìn)行了嚴(yán)格的離線檢測(cè)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于光學(xué)元件的離線檢測(cè)有較多研究[1-3]，但是離線檢測(cè)方法具有限制條件較多、檢測(cè)耗時(shí)長(zhǎng)等缺點(diǎn)。望遠(yuǎn)鏡由于工作環(huán)境因素的影響，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間光學(xué)元件表面會(huì)產(chǎn)生缺陷，缺陷的存在使得望遠(yuǎn)鏡成像質(zhì)量下降。光學(xué)元件在線檢測(cè)系統(tǒng)在光學(xué)系統(tǒng)的工作間隙對(duì)光學(xué)元件進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)不用將光學(xué)元件從望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中移出，可以更好地輔助望遠(yuǎn)鏡正常運(yùn)行。

對(duì)于光學(xué)元件表面缺陷在線檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外常采用在光源照明下對(duì)缺陷區(qū)域直接成像的方法，結(jié)合成像系統(tǒng)的成像特性獲得光學(xué)元件表面的缺陷分布信息。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，2007年，美國(guó)利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室(LLNL)公布了針對(duì)國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)研制了終端光學(xué)元件在線檢測(cè)裝置(FODI),主要包括：照明系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、成像定位系統(tǒng)、分析統(tǒng)計(jì)軟件等[4]。圖像采集系統(tǒng)通過(guò)成像定位系統(tǒng)精確定位后采集光學(xué)元件的檢測(cè)圖像，并利用分析軟件對(duì)表面缺陷分布情況進(jìn)行檢測(cè)分析，之后對(duì)光學(xué)元件的工作狀況進(jìn)行評(píng)估。

2004年，中科院上海光機(jī)所任冰強(qiáng)研制了一套基于暗場(chǎng)成像原理的光學(xué)元件在線檢測(cè)系統(tǒng)，并應(yīng)用于大型激光裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但是最終得到的光學(xué)元件缺陷的位置和精度都比較低[6]。2010年，中國(guó)工程物理研究院等單位針對(duì)神光Ⅲ裝置的終端光學(xué)元件在線檢測(cè)裝置進(jìn)行了研究[5-8]，檢測(cè)原理與NIF的FODI系統(tǒng)類(lèi)似。系統(tǒng)主要由成像系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)等組成。通過(guò)查閱文獻(xiàn)可知，ICF 系統(tǒng)中終端光學(xué)元件的在線檢測(cè)成像系統(tǒng)包括2個(gè)鏡組，前鏡組固定，后鏡組軸向前后移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)變焦，但是此方法沒(méi)有對(duì)像面移動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，采用的是移動(dòng)CCD像面位置到新的像面。由于移動(dòng)CCD，改變了理論像面的位置，雖然減少了光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，但是對(duì)位移的調(diào)整范圍以及精度都提出了更高的要求。大變焦范圍、大視場(chǎng)角的高分辨率變焦距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于光學(xué)元件在線檢測(cè)裝置至關(guān)重要，如何提高變焦距系統(tǒng)的調(diào)焦精度，提高成像質(zhì)量的同時(shí)又盡可能簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，是光學(xué)元件在線檢測(cè)裝置中光學(xué)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

作為望遠(yuǎn)鏡的主要光學(xué)部件之一，反射鏡對(duì)表面光學(xué)質(zhì)量有著很高的要求，在反射鏡裝配之前需進(jìn)行嚴(yán)格的離線檢測(cè)流程，以保證其表面質(zhì)量。但是在望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)完成裝配之后，反射鏡表面出現(xiàn)缺陷時(shí)再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行拆卸檢測(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。本文在查找相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，根據(jù)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了一種用于多個(gè)光學(xué)元件缺陷檢測(cè)的機(jī)械變焦系統(tǒng),工作溫度范圍為-10℃～40℃，對(duì)工作距離1 100 mm～5 600 mm、直徑140 mm的反射鏡進(jìn)行檢測(cè)，表面缺陷的分辨率優(yōu)于0.1 mm。

1 變焦距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

光學(xué)元件在線檢測(cè)的方法是利用暗場(chǎng)成像的原理，在激光光源的擴(kuò)束照明下對(duì)不同光學(xué)元件分別調(diào)焦成像來(lái)完成元件表面缺陷的探測(cè)，如圖1所示。光學(xué)元件如果沒(méi)有產(chǎn)生缺陷則無(wú)散射光進(jìn)入接收系統(tǒng)，像面背景顯示為黑色。光學(xué)元件如果產(chǎn)生缺陷，缺陷區(qū)域?qū)?huì)產(chǎn)生后向散射光，缺陷區(qū)域就會(huì)成像在相機(jī)靶面，通過(guò)后續(xù)的圖像處理分析可以得到光學(xué)元件表面缺陷在望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中的尺寸和位置。

圖1 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中光學(xué)元件缺陷檢測(cè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical element defect detection in telescope system

由于不同光學(xué)元件到成像系統(tǒng)的物距不一樣，為了對(duì)各個(gè)光學(xué)元件表面缺陷進(jìn)行等精度高分辨率成像，故需要根據(jù)不同的物距來(lái)調(diào)整成像焦距來(lái)保持成像系統(tǒng)放大倍率的恒定。如圖2所示，根據(jù)技術(shù)要求，對(duì)工作物距1 100 mm～5 600 mm范圍內(nèi)，一系列平面反射鏡表面的缺陷進(jìn)行成像檢測(cè)，其中反射鏡的直徑為140 mm，物距L1=1 100 mm，L2=2 000 mm，L3=2 900 mm，L4=3 800 mm，L5=4 700 mm，L6=5 600mm，物高H=100 mm，靶面大小h=10 mm。檢測(cè)要求的視場(chǎng)范圍為100 mm，物方分辨率要優(yōu)于0.1 mm。由以下公式：

(1)

(2)

(3)

得到半視場(chǎng)角θi分別為2.603°、1.432°、0.988°、0.754°、0.609 5°、0.512°，鏡頭焦距 分別為100 mm、181.82 mm、263.64 mm、345.46 mm、427.27 mm、509.09 mm，垂軸放大倍率β=-0.1。

變焦距系統(tǒng)是通過(guò)改變其中某一組元或者多個(gè)組元之間的間距實(shí)現(xiàn)焦距的變化，每個(gè)組分的運(yùn)動(dòng)曲線設(shè)計(jì)之后，通過(guò)移動(dòng)每個(gè)組元按照運(yùn)動(dòng)曲線變化實(shí)現(xiàn)變焦。變焦距系統(tǒng)按照補(bǔ)償?shù)念?lèi)型不同，可分為光學(xué)補(bǔ)償變焦和機(jī)械補(bǔ)償變焦兩種方法。機(jī)械補(bǔ)償變焦系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成像質(zhì)量好，焦距可以持續(xù)改變等優(yōu)點(diǎn)，是目前變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最普遍采用的一種結(jié)構(gòu)。機(jī)械補(bǔ)償變焦系統(tǒng)[9-12]由前固定組Z1、變焦組Z2、補(bǔ)償組Z3、后固定組Z4構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 機(jī)械補(bǔ)償變焦系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of mechanical compensation zoom system

變焦鏡頭不僅能夠?qū)崿F(xiàn)每個(gè)焦距都能有良好成像質(zhì)量，還需要保證系統(tǒng)的前固定組Z1、后固定組Z4保持不變，使得在不同焦距下系統(tǒng)的總長(zhǎng)一致，變倍組Z2的線性運(yùn)動(dòng)和補(bǔ)償組Z3的非線性運(yùn)動(dòng)是通過(guò)位移裝置運(yùn)動(dòng)到相應(yīng)位置。實(shí)際上它是通過(guò)改變鏡頭組元之間的間距，達(dá)到焦距變化的目的，各組元之間的移動(dòng)位置分別對(duì)應(yīng)著不同光學(xué)元件的物距，由于望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中光學(xué)元件是多個(gè)平面反射鏡，因此可以通過(guò)記錄各組元的位置確定被測(cè)系統(tǒng)是哪一個(gè)反射鏡表面產(chǎn)生的缺陷，從而對(duì)產(chǎn)生缺陷的反射鏡進(jìn)行定位。該方法不僅提高了光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，還減少了光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性。

2 設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

為了使變焦系統(tǒng)的進(jìn)光量充足，保持不同光學(xué)元件成像面成像的明亮程度大致相等，隨著變焦系統(tǒng)從短焦到長(zhǎng)焦變化，應(yīng)該保持系統(tǒng)的相對(duì)孔徑不變，即F數(shù)不變。CCD尺寸選擇為11.264 mm，有效像元數(shù)2 048×2 048，像素尺寸5.5 μm×5.5 μm，目的是使檢測(cè)留有擴(kuò)展空間。由于此系統(tǒng)中的多個(gè)光學(xué)元件采用的是激光光源照明，因此變焦系統(tǒng)是針對(duì)某一特定波長(zhǎng)的光進(jìn)行設(shè)計(jì)的。變焦距鏡頭的短焦端視場(chǎng)角最大，產(chǎn)生的畸變也較大，所以短焦端設(shè)計(jì)難度相對(duì)較大。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

2.2 設(shè)計(jì)實(shí)例

Zemax軟件可以進(jìn)行多重結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，方便快捷，能夠較好地滿足需求。針對(duì)有限工作距離的單色變焦系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，變焦鏡頭的初始結(jié)構(gòu)對(duì)于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很關(guān)鍵，首先結(jié)合設(shè)計(jì)指標(biāo)確定系統(tǒng)的主要參數(shù)，然后通過(guò)查詢相關(guān)文獻(xiàn)[12-15]，結(jié)合上面的計(jì)算參數(shù)，選取出初始結(jié)構(gòu)，并通過(guò)軟件多次優(yōu)化得到如圖3所示結(jié)構(gòu)圖。從左到右焦距依次為90 mm、180 mm、270 mm、360 mm、450 mm和540 mm。

圖3 不同焦距時(shí)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Zoom lens layout with different focal lengths

優(yōu)化后的鏡頭結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)為553.1 mm，系統(tǒng)默認(rèn)溫度20℃，系統(tǒng)中鏡片最大口徑是123.9 mm。多重結(jié)構(gòu)設(shè)置了90 mm、180 mm、270 mm、360 mm、450 mm、540 mm 共6個(gè)組態(tài)，能夠清晰反應(yīng)變焦過(guò)程中短、中、長(zhǎng)焦距的成像情況。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程保持F數(shù)不變，隨著焦距發(fā)生變化，則系統(tǒng)的有效孔徑也會(huì)變化，因此設(shè)置所有鏡片保持其最大口徑值。鏡片均采用的是球面系統(tǒng)，降低了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和加工難度。

通過(guò)變倍組Z2和補(bǔ)償組Z3的運(yùn)動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)焦距的變化。為了對(duì)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中多個(gè)光學(xué)元件進(jìn)行成像，需要確定多個(gè)不同焦距時(shí)的變倍組和補(bǔ)償組的位置，變倍組和補(bǔ)償組位置如圖4所示，橫坐標(biāo)表示不同物距下光學(xué)元件成像系統(tǒng)的成像焦距，縱坐標(biāo)表示變倍組和補(bǔ)償組相對(duì)成像系統(tǒng)第一片透鏡的位置。變倍組作線性運(yùn)動(dòng)，補(bǔ)償組作非線性運(yùn)動(dòng)，在整個(gè)變焦過(guò)程中像面不發(fā)生移動(dòng)，變倍組和補(bǔ)償組的位移量程分別為79.25 mm和39.05 mm。

圖4 變倍組和補(bǔ)償組位置示意圖Fig.4 Trajectory diagram of variable multiplier group and compensation group

2.3 像質(zhì)評(píng)價(jià)

調(diào)制傳遞函數(shù)的值可以反映系統(tǒng)的成像質(zhì)量，是光學(xué)系統(tǒng)的主要評(píng)價(jià)方法。圖5是焦距分別在90 mm，180 mm，360 mm，540 mm處的MTF曲線。從圖5可以看出，在4個(gè)焦距處MTF曲線平直且光滑，成像質(zhì)量良好。系統(tǒng)在短焦距90 mm時(shí)成像性能略下降，但在100 lp/mm處大于0.3，系統(tǒng)在其他焦距時(shí)MTF值在100 lp/mm處均大于0.4，成像像質(zhì)滿足實(shí)際需求。

圖5 變焦系統(tǒng)分別在不同焦距處的MTF曲線Fig.5 MTF curve of zoom systemat each focal length

表2是焦距在90 mm～540 mm處的不同視場(chǎng)彌散斑半徑均方根。從表2可以看出，變焦系統(tǒng)在焦距90 mm處的邊緣視場(chǎng)的彌散斑半徑均方根達(dá)到最大值4.476 μm，系統(tǒng)艾里斑半徑為5.189 μm，彌散斑半徑均方根均控制在艾里斑半徑范圍內(nèi)，衍射能量接近衍射極限。

表2 各焦距處不同視場(chǎng)彌散斑半徑均方根 μm

2.4 環(huán)境適應(yīng)性分析

系統(tǒng)的工作溫度范圍為-10℃～40℃，環(huán)境溫度的變化會(huì)引起材料折射率、透鏡曲率等因素的變化，從而使檢測(cè)系統(tǒng)的成像質(zhì)量下降。本系統(tǒng)在焦距為540 mm長(zhǎng)焦段對(duì)溫度比短焦段更敏感，因此環(huán)境適應(yīng)性分析以焦距為540 mm為例，其他焦距段補(bǔ)償原理與此類(lèi)似。如圖6所示，焦距540 mm的變焦系統(tǒng)在-10℃和40℃時(shí)，變焦系統(tǒng)的MTF曲線下降很快，成像質(zhì)量下降。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性，溫度補(bǔ)償措施對(duì)于保障系統(tǒng)在不同環(huán)境中的成像質(zhì)量非常重要。在環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)控制后固定組的最后兩組鏡片作為溫度補(bǔ)償組平移，對(duì)系統(tǒng)溫度變化引起的成像質(zhì)量變化進(jìn)行補(bǔ)償。以20℃時(shí)為零點(diǎn)，溫度補(bǔ)償組在-10℃時(shí)移動(dòng)的距離是-0.7 mm，在40℃時(shí)移動(dòng)的距離是0.5 mm，由于溫度補(bǔ)償組的移動(dòng)，不同溫度下的系統(tǒng)總長(zhǎng)發(fā)生了微小的改變，但是系統(tǒng)總長(zhǎng)改變范圍不超過(guò)±1 mm，設(shè)計(jì)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。平移補(bǔ)償后，焦距為540 mm的變焦系統(tǒng)在-10℃和40℃下的MTF均在0.4以上(100 lp/mm)，成像質(zhì)量?jī)?yōu)良，如圖7所示。

圖6 焦距為540 mm的變焦系統(tǒng)在-10℃和40℃下的MTFFig.6 MTF curve of zoom system at -10℃ and 40℃ with 540 mm focal length

圖7 平移補(bǔ)償后，焦距為540 mm的變焦系統(tǒng)在-10℃和40℃下的MTFFig.7 After translation compensation, MTF curve of zoom system at -10℃ and 40℃ with 540 mm focal length

如表3所示，焦距540 mm的變焦系統(tǒng)在環(huán)境溫度-10℃到40℃，系統(tǒng)在各視場(chǎng)的彌散斑半徑均方根都在變化，溫差越大，彌散斑半徑均方根越大。溫度補(bǔ)償組平移后，系統(tǒng)艾里斑半徑為5.188 μm，彌散斑半徑均方根均控制在艾里斑半徑范圍內(nèi)，成像質(zhì)量良好，滿足使用要求。

表3平移補(bǔ)償前后，540 mm焦距系統(tǒng)不同溫度下各視場(chǎng)的彌散斑半徑均方根μm

Table 3 Before and after translation compensation,RMS of speckle radii of different FOVs at 540 mm focallength

3 結(jié)論

本文采用機(jī)械變焦的形式設(shè)計(jì)了一套可用于望遠(yuǎn)鏡中光學(xué)元件表面缺陷檢測(cè)的變焦距光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了90 mm～540 mm的6倍變焦，在變焦過(guò)程中F數(shù)和像面位置保持不變，變焦系統(tǒng)總長(zhǎng)為553.1 mm，系統(tǒng)鏡片最大口徑是123.9 mm。使用傳遞函數(shù)曲線、點(diǎn)列圖對(duì)設(shè)計(jì)的各焦距段成像質(zhì)量進(jìn)行了評(píng)估，系統(tǒng)在各個(gè)焦距段的MTF值在100 lp/mm處均大于0.3，物方分辨率優(yōu)于0.055 mm，在焦距90 mm處邊緣視場(chǎng)的彌散斑均方根半徑達(dá)到最大值4.476 μm，各焦距處彌散斑均方根半徑均控制在艾里斑半徑范圍內(nèi)。對(duì)系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行了分析，討論了溫度范圍為-10℃～ 40℃對(duì)系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)溫度變化對(duì)系統(tǒng)成像質(zhì)量影響很大，通過(guò)平移溫度補(bǔ)償組對(duì)溫度變化引起的系統(tǒng)成像質(zhì)量變化進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后的系統(tǒng)總長(zhǎng)改變范圍不超過(guò)±1 mm，設(shè)計(jì)結(jié)果滿足指標(biāo)需求。