卡塞格林式離軸反射系統(tǒng)準(zhǔn)直儀的設(shè)計(jì)與裝調(diào)方法

徐正奎，王春興，王世錦，王貴全，蔡順文，李曉斌，黃 聲

卡塞格林式離軸反射系統(tǒng)準(zhǔn)直儀的設(shè)計(jì)與裝調(diào)方法

徐正奎1，王春興1，王世錦2，王貴全1，蔡順文1，李曉斌1，黃 聲1

（1. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2. 重慶軍代局駐昆明地區(qū)第一軍代室，云南 昆明 650032）

根據(jù)生產(chǎn)需要，設(shè)計(jì)、生產(chǎn)了焦距為8m的卡塞格林式離軸反射系統(tǒng)準(zhǔn)直儀，并構(gòu)建先進(jìn)裝調(diào)方法精準(zhǔn)裝校，通過(guò)干涉圖像和干涉條紋的判讀，使卡式準(zhǔn)直儀系統(tǒng)的成像質(zhì)量接近設(shè)計(jì)水平，解決生產(chǎn)中準(zhǔn)直儀最長(zhǎng)焦距只有3m而無(wú)對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品所需空間頻率的紅外鑒別率測(cè)試靶板問(wèn)題。

離軸反射系統(tǒng)；四桿靶；裝調(diào)方法

0 引言

平行光管檢測(cè)設(shè)備準(zhǔn)直儀按光學(xué)透鏡形式分為透射式系統(tǒng)和反射式系統(tǒng)。用于紅外產(chǎn)品檢測(cè)所需的大口徑準(zhǔn)直儀，因透射式所需透鏡直徑大，紅外透鏡材料需特制成本高且加工困難，因此反射式系統(tǒng)是最佳選擇。反射式系統(tǒng)準(zhǔn)直儀按光學(xué)結(jié)構(gòu)形式分為牛頓式反射系統(tǒng)和卡塞格林式反射系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱卡式反射系統(tǒng)），牛頓式反射系統(tǒng)只由一片離軸拋物面反射鏡與平面反射鏡構(gòu)成，卡式反射系統(tǒng)是由一片離軸拋物面主反射鏡、一片雙曲面次反射鏡和平面反射鏡構(gòu)成[1]。

反射式系統(tǒng)與透射式系統(tǒng)相比，具有易于輕量化、對(duì)溫度變化不敏感、無(wú)色差等諸多優(yōu)勢(shì)，因此大口徑長(zhǎng)焦距的準(zhǔn)直儀中常采用反射式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

卡式反射系統(tǒng)與牛頓式反射系統(tǒng)相比，具有成像質(zhì)量好，像平面與光軸垂直，焦距長(zhǎng)體積小，可小型化的優(yōu)點(diǎn)。且保持了牛頓式反射系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，光闌設(shè)在離軸拋物面主反射鏡頂點(diǎn)時(shí)不產(chǎn)生畸變，同時(shí)校正其他像差。焦距長(zhǎng)而外形尺寸短（3m焦距牛頓式準(zhǔn)直儀的工作臺(tái)面長(zhǎng)度不少4m，而8m焦距卡式準(zhǔn)直儀的工作臺(tái)面長(zhǎng)度只需2m）。

現(xiàn)生產(chǎn)所用的牛頓式準(zhǔn)直儀最長(zhǎng)焦距為3m，隨著產(chǎn)品觀察遠(yuǎn)距離目標(biāo)的要求其焦距相應(yīng)的要長(zhǎng)，所需空間頻率就高，紅外用測(cè)試靶即四桿靶線寬對(duì)應(yīng)變窄，而制造二三十微米線寬的四桿靶制造費(fèi)用上萬(wàn)元，有些線寬細(xì)到十幾微米或幾微米級(jí)的四桿靶制造成本高昂。而對(duì)應(yīng)的空間頻率8m焦距卡式準(zhǔn)直儀比3m焦距準(zhǔn)直儀的線寬增加2.67倍，從而使制造四桿靶成本大幅降低，保證產(chǎn)品所需的空間頻率完成測(cè)試。

卡式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不僅用于大口徑長(zhǎng)焦距的準(zhǔn)直儀，還用于空間多光譜成像與遠(yuǎn)距離探測(cè)系統(tǒng)（焦距長(zhǎng)口徑大）的結(jié)構(gòu)中鏡頭的前部，在國(guó)內(nèi)也有多家公司用于準(zhǔn)直儀，其焦距有16m的，本文所述自主產(chǎn)權(quán)、焦距為8m的卡式準(zhǔn)直儀，旨在解決生產(chǎn)中長(zhǎng)焦距產(chǎn)品測(cè)試靶板加工難度大的問(wèn)題。

1 技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)使用要求設(shè)計(jì)的卡式反射系統(tǒng)準(zhǔn)直儀參數(shù)如表1所示。

表1 光學(xué)性能參數(shù)表

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 方案確定

離軸反射系統(tǒng)用的離軸拋物面反射鏡（如圖1所示）的主要參量有3個(gè)：通光孔徑、母體拋物面的焦距和離軸量。焦點(diǎn)的出射點(diǎn)是重要的，先要確定值，當(dāng)值很大，又要維持一定的主、次反射鏡焦距比值不太大，則勢(shì)必要增大次反射鏡的放大率，從而增大次反射鏡口徑。如果不想增大次反射鏡口徑，只能增大主反射鏡的相對(duì)口徑，相應(yīng)次反射鏡放大率增加。離軸量的增加會(huì)帶來(lái)拋物面主反射鏡出射光的發(fā)散程度從而導(dǎo)致像差增大，因此影響離軸拋物面反射鏡準(zhǔn)直特性的主要因素有離軸量、有效孔徑和焦面出射點(diǎn)的位置等[2]。

根據(jù)以上的分析選用卡式反射系統(tǒng)，而軸對(duì)稱拋物面反射鏡具有對(duì)無(wú)限遠(yuǎn)目標(biāo)成像無(wú)球差的重要優(yōu)點(diǎn)，它卻存在很大的彗差（與孔徑的平方成比例），且有中心遮攔（中心遮攔隨視場(chǎng)增加而加大）。離軸拋物面反射鏡保持了軸對(duì)稱拋物面反射鏡的優(yōu)點(diǎn)，克服了中心遮攔等缺點(diǎn)，但隨之而來(lái)的問(wèn)題是像差特性導(dǎo)致離軸拋物面反射鏡的成像面不再垂直于光軸，而是相對(duì)光軸有一定角度傾斜，這是光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需考慮的問(wèn)題，合理確定光闌位置和像面傾斜角度，可使成像質(zhì)量得到大幅提高[3]。

主反射鏡相對(duì)口徑的選擇和多方面因素有關(guān)，像差是隨相對(duì)口徑的一次或二次方增加，在經(jīng)典卡式反射系統(tǒng)中，主要和系統(tǒng)相對(duì)口徑有關(guān)。若系統(tǒng)焦距長(zhǎng)，主鏡相對(duì)口徑可取小一些，即焦距長(zhǎng)一些易加工。若系統(tǒng)焦距很短，主反射鏡焦距就須很短，從而相對(duì)口徑就大。從縮短鏡筒長(zhǎng)度來(lái)說(shuō)，當(dāng)然主反射鏡相對(duì)口徑愈大愈有利，但加工難度增加，降低主、次反射鏡的相對(duì)口徑對(duì)于設(shè)計(jì)及加工都是十分重要的。

圖1 拋物面的參數(shù)示意圖

2.2 設(shè)計(jì)及結(jié)果

根據(jù)使用需求主反射鏡的有效直徑取500mm，其外徑取520mm，相對(duì)孔徑取1:3.3，從布局考慮出射點(diǎn)取為0。根據(jù)卡式系統(tǒng)及像差特性，確定次反射鏡，并由光學(xué)設(shè)計(jì)軟件CODEV優(yōu)化，得出系統(tǒng)結(jié)果。

1）卡式反射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主反鏡焦距：1650mm，次反鏡焦距：312.5mm，有效直徑230mm，外圓直徑240mm。兩鏡間隔：1402mm，結(jié)構(gòu)圖如圖2。

圖2 卡式反射系統(tǒng)二維有效口徑結(jié)構(gòu)圖

為保證系統(tǒng)像質(zhì)要求，離軸卡式準(zhǔn)直系統(tǒng)的RMS設(shè)計(jì)值為/5，一般要求光學(xué)零件面形均方根值（root mean square，MRS）為/8，若要求波峰波谷差值（peak to valley，PV）為/8則難以達(dá)到。

兩反射鏡加工完后實(shí)測(cè)主反射鏡的焦距為1649.32mm，次反射鏡的焦距為312.59mm，為消除由于加工透鏡產(chǎn)生的半徑誤差帶來(lái)影響系統(tǒng)的像質(zhì)問(wèn)題，在CODEV軟件將兩反射鏡間的間隔進(jìn)行調(diào)整0.8，保證了與原設(shè)計(jì)的成像質(zhì)量和調(diào)制傳遞函數(shù)（modulation transfer function）MTF值不變，總焦距變?yōu)?996.91mm，與設(shè)計(jì)理論值8000mm相差0.0386%。

第四、煉銀老總是銀精轉(zhuǎn)世說(shuō)。相傳，上洋村和貢川村在煽煉銀子時(shí)，如張彭八和陳龍井親自在場(chǎng)督陣，則出銀便多些，若是離開爐廠，出銀子很少或煉不出來(lái)，即使煉出也會(huì)不翼而飛。如果張彭八和陳龍井因?yàn)楦鞣N事情不能親臨現(xiàn)場(chǎng)，也必須把平常煉銀時(shí)穿的衣服掛在煉銀現(xiàn)場(chǎng)，否則，煉不出銀子。傳言，某次彭八公因事回故里，匆忙之中忘記留下煉銀時(shí)穿的衣服，結(jié)果銀子便跟隨其后，行至茶閣底的溪旁，彭八公聽到背后有響動(dòng)之聲，回首一望，只見一堆銀子掉入溪中，后此溪被人命名為“八寶掉壩”。彭八公的奇行異舉，震驚東洋，成為聲威赫赫的財(cái)王爺。

2）卡式反射系統(tǒng)的二維模擬圖

由于卡式系統(tǒng)主、次反射鏡的組合，使其長(zhǎng)度小于系統(tǒng)的焦距。由以上參數(shù)的二維圖如圖3所示。

圖3 卡式反射系統(tǒng)實(shí)際二維模擬圖

3）卡式反射系統(tǒng)的MTF圖

卡式反射光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量?jī)?yōu)于牛頓式反射系統(tǒng)，用于白光波段時(shí)的MTF為0.5以上，只有全視場(chǎng)的弧矢方向差一些為0.3，是因離軸拋物面反射鏡在弧矢方向上結(jié)構(gòu)不對(duì)稱引起的，如圖4所示。該系統(tǒng)用于紅外波段時(shí)的MTF幾乎都接近射線，全視場(chǎng)的弧矢方向也是差0.1左右，如圖5所示。

2.3 雜散光分析及抑制措施

與同軸反射系統(tǒng)相比，離軸反射系統(tǒng)的主反射鏡中心不存在遮攔，因而無(wú)法像同軸反射系統(tǒng)那樣在主反射鏡中心開孔處加入遮光罩，且離軸反射系統(tǒng)光路折疊緊密，留給消雜光結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的空間小[4]。與同軸反射系統(tǒng)不同，離軸反射系統(tǒng)在弧矢方向結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，因此雜光的傳播路徑和擋光結(jié)構(gòu)也不對(duì)稱。由于主、次反射鏡的光線間距較小，內(nèi)部擋光結(jié)構(gòu)的裝調(diào)較難，因此在次反射鏡與平面反射鏡之間設(shè)計(jì)了擋板加工成光闌以抑制系統(tǒng)的雜散光，如圖6所示。次反射鏡為便于檢測(cè)和裝配，按240mm直徑加工，其有效口徑范圍只是一部份，為避免未用面積對(duì)光線入射和反射產(chǎn)生的散射（即對(duì)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是雜散光），因此在次反射鏡前做了一個(gè)保護(hù)罩，作遮光光闌的作用，如圖7所示。

圖4 卡式反射系統(tǒng)用于白光波段的MTF

圖5 卡式反射系統(tǒng)用于紅外波段的MTF

圖6 卡式反射系統(tǒng)的光闌圖

圖7 卡式反射系統(tǒng)的次鏡保護(hù)罩

3 卡式反射系統(tǒng)的裝調(diào)

牛頓式反射系統(tǒng)是由離軸拋物面反射鏡起作用，平面反射鏡只為轉(zhuǎn)折光路，其像差特性導(dǎo)致成像面不再垂直于光軸，裝調(diào)時(shí)需考慮好像面的傾斜方向和焦面位置（靶標(biāo)在焦點(diǎn)上）。

卡式反射系統(tǒng)由主、次反射鏡的組合使用并相互補(bǔ)償，使系統(tǒng)成像質(zhì)量非常好，裝調(diào)時(shí)在保證主、次反射鏡空間位置的同時(shí)也要保證二者間的軸向位置。

3.1 構(gòu)建的調(diào)校測(cè)試系統(tǒng)

利用ZYGO激光干涉儀原理構(gòu)建的調(diào)校測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行裝調(diào)，以達(dá)到理想值。

構(gòu)建的調(diào)校測(cè)試系統(tǒng)原理如圖8：調(diào)校測(cè)試系統(tǒng)的原理是激光干涉儀發(fā)出準(zhǔn)直平行光線，由激光干涉儀的物鏡匯聚到焦面出射，其焦面與卡式反射系統(tǒng)焦面5重合，光線經(jīng)序號(hào)4、3、2組成的卡式反射系統(tǒng)準(zhǔn)直儀射出平行光到序號(hào)1，經(jīng)序號(hào)1反射按原路返回并聚焦在焦面處，與激光物鏡匯聚的焦點(diǎn)重合疊加產(chǎn)生干涉而形成干涉條紋，根據(jù)干涉條紋判斷準(zhǔn)直儀的成像質(zhì)量好壞，從而確定卡式反射系統(tǒng)準(zhǔn)直儀的裝調(diào)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖9是構(gòu)建的調(diào)校測(cè)試系統(tǒng)原理實(shí)物圖。

3.2 卡式反射系統(tǒng)裝調(diào)

1）初步裝配

在卡式反射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮系統(tǒng)的裝配和調(diào)校，將主反射鏡裝配后固定不作調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，在次反射鏡的安裝部位設(shè)置多維調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。按照?qǐng)D紙布局要求在光學(xué)平臺(tái)上進(jìn)行初步裝配，使各反射鏡的空間位置基本在理論值，用光學(xué)調(diào)試方法，使主反射鏡和平面反射鏡相對(duì)光軸垂直。主反射鏡體積大且重量也大，裝調(diào)后固定其位置。次反射鏡小而輕，使其在空間能夠五維調(diào)節(jié)（上下前后的平移和水平俯仰的旋轉(zhuǎn)），這樣系統(tǒng)的調(diào)校輕便，消除兩反射鏡的空間狀態(tài)、軸向位置及裝配后將形成累積誤差，初裝不能調(diào)試很好，然后通過(guò)構(gòu)建的調(diào)校測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)試和校正，消除累積誤差。

圖8 調(diào)校測(cè)試系統(tǒng)原理圖

圖9 調(diào)校測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖

2）配件要求

高精度平面平晶的面型精度將影響卡式反射系統(tǒng)干涉條紋，面型精度越高影響越小，因此其面型精度（平面度）RMS要求在/20（=0.6328mm）以上，以免將其誤差疊加到調(diào)試系統(tǒng)中。

特別強(qiáng)調(diào)的是調(diào)校測(cè)試系統(tǒng)調(diào)試準(zhǔn)直儀是能使主、次反射鏡安裝在理論設(shè)計(jì)位置，兩反射鏡的匹配最好，成像質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)。但因主、次反射鏡的加工面型誤差過(guò)大，不能將卡式系統(tǒng)調(diào)得很好。

3）裝調(diào)過(guò)程需注意如下事項(xiàng)：

①主、次反射鏡間以間距偏差為主

圖10為主反射鏡和次反射鏡間的軸向位置1401.2mm及離軸量有誤差的成像圖，圖11是其干涉條紋圖。調(diào)節(jié)兩反射鏡間的軸向、左右位置使圖11沿圖像長(zhǎng)方向變得越來(lái)越短。

②主、次反射鏡間相對(duì)位置偏差

激光平行光束射入離軸拋物面反射鏡時(shí)，當(dāng)拋物面反射鏡繞激光平行光軸旋轉(zhuǎn)，通過(guò)調(diào)節(jié)激光干涉儀使得平行光（相當(dāng)于斜入射的光）的反射像點(diǎn)不動(dòng)，則表明拋物面反射鏡的光軸與激光干涉儀的出射光軸重合，否則像點(diǎn)在封閉曲線上周期轉(zhuǎn)動(dòng)[5]。

圖12是主反射鏡與次反射鏡相對(duì)光軸有偏差的成像圖，圖13是其干涉條紋圖。主反射鏡裝配時(shí)基本校正，調(diào)整次反射鏡上下位置或左右的旋轉(zhuǎn)，并微調(diào)次反射鏡的軸向位置，使圖上的圖像點(diǎn)近似成為圓點(diǎn)，微動(dòng)高精度平晶使兩個(gè)像重合產(chǎn)生干涉，形成干涉條紋圖。

圖10 間距偏差的成像圖

圖11 間距偏差的干涉條紋圖

圖12 反射鏡微小傾斜的成像圖

圖13 反射鏡微小傾斜的干涉條紋

③卡式反射系統(tǒng)調(diào)校好的情況

圖14、15說(shuō)明，消除了主反射鏡或次反射鏡相對(duì)光軸的微小傾斜，保證了離軸拋物面反射鏡的離軸量和主、次反射鏡間距在理論位置后，微轉(zhuǎn)高精度平面平晶使兩個(gè)像重合產(chǎn)生干涉出現(xiàn)的干涉圖，微調(diào)激光干涉儀的焦點(diǎn)位置，使干涉圖上的干涉條紋達(dá)到最少，調(diào)校測(cè)試系統(tǒng)調(diào)校的RMS與設(shè)計(jì)值相差在/4內(nèi)，這種情況下說(shuō)明卡式反射系統(tǒng)裝調(diào)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖14 調(diào)校好的成像圖

圖15 調(diào)校好的干涉條紋圖

4 結(jié)論

從實(shí)際生產(chǎn)需求出發(fā)，解決了因在制產(chǎn)品因焦距變長(zhǎng)引起的測(cè)試用四桿靶加工難度大、成本高等問(wèn)題。本文論述了卡式準(zhǔn)直系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要考慮的問(wèn)題、零件面形的精度制約、裝配時(shí)需注意的事項(xiàng)，構(gòu)建高精系統(tǒng)的要求，以及調(diào)試系統(tǒng)成像質(zhì)量最終達(dá)到瑞利判據(jù)之/4內(nèi)?？ㄊ綔?zhǔn)直系統(tǒng)不僅用于紅外系統(tǒng)的調(diào)校測(cè)試，還能用于白光系統(tǒng)的調(diào)校測(cè)試。

[1] 潘君驊. 光學(xué)非球面的設(shè)計(jì)、加工與檢驗(yàn)[M]. 蘇州: 蘇州大學(xué)出版社, 1994.

PAN Junhua.[M]. Suzhou: Suzhou University Press, 1994.

[2] 梁培. 離軸拋物鏡準(zhǔn)直特性的研究[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2006, 26(6): 899-912.

LIANG Pei. Study on Collimation property of off-axis parabolic mirror[J]., 2006, 26(6): 899-912.

[3] 胡玉禧, 周紹祥. 離軸拋物面反射鏡的成像特性[J]. 光子學(xué)報(bào), 1983, 12(1): 47-56

HU Yuxi, ZHOU Shaoxiang. Property of off-axis parabolic mirror[J]., 1983, 12(1): 47-56.

[4] 岑兆豐, 李曉彤, 朱啟華. 光學(xué)系統(tǒng)雜散光分析[J]. 紅外與激光工程, 2007, 36(3): 300-304.

CEN Zhaofeng, LI Xiaotong, ZHU Qihua. Stray light analysis for optical system[J]., 2007, 36(3): 300-304.

[5] 陳欽芳, 徐昌杰, 王青松. 拋物面反射鏡光軸的確定[J]. 應(yīng)用光學(xué), 2008, 29(2): 225-229

CHEN Qinfang, XU Changjie, WANG Qingsong. Alignment for optical axis of parabolic mirror[J]., 2008, 29(2): 225-229.

Design and Development of a Cassegrain Off-axis Reflection System Collimator

XU Zhengkui1，WANG Chunxing1，WANG Shijing2，WANG Guiquan1，CAI Shunwen1，LI Xiaobin1，HUANG Sheng1

(1. Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China; 2. The First Military Commissary Department Garrisoned in Kunming of Chongqing Military Commissary Bureau, Kunming 650032, China)

We design and develop a Cassegrain off-axis reflection system collimator with a focal length of 8m according to production requirements and construct an advanced installation and adjustment method to accurately calibrate it. Through the interpretation of images and interference fringes, the imaging quality of the collimator system is found to be close to the designed value. We solve the problem of the infrared discrimination test target board in production because the longest focal length of the existing collimator focal length is 3m, and there is no corresponding spatial frequency required by the product.

off-axis reflection system, four targets, alignment method

TP274

A

1001-8891(2020)12-1164-06

2020-04-03；

2020-09-07.

徐正奎（1963-），男，高級(jí)工程師，主要從事光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，E-mail：xzkkm@126.com。