離軸反射式平行光管設(shè)計及次鏡檢驗方案研究

孫永雪，夏振濤，王 珂，姜守望，陳剛義，范 嶸，李 濤

（上海衛(wèi)星裝備研究所，上海 200240）

引言

平行光管的主要作用是產(chǎn)生平行光模擬無限遠(yuǎn)目標(biāo)，是光學(xué)系統(tǒng)測試常用的高精密光學(xué)儀器。隨著被測光學(xué)系統(tǒng)的要求越來越高，平行光管也向著大口徑、長焦距的方向發(fā)展。因此，具有小體積、緊湊結(jié)構(gòu)、大口徑、長焦距、無中心遮攔等優(yōu)點的離軸反射式平行光管成為了研究熱點。為了得到更好的成像質(zhì)量，在離軸反射式平行光管中采用非球面是非常有效的方法，但是非球面的面形檢驗要比球面面形檢驗困難，尤其是凸非球面的檢驗，主要困難在于凸非球面需要有一束至少同等口徑的匯聚光束。本文設(shè)計了一個大視場、長焦距的離軸兩反射式平行光管，提出了一種新的凸非球面次鏡正面檢驗方案。

1 平行光管原理

根據(jù)光學(xué)成像原理，無窮遠(yuǎn)物體發(fā)出來的光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)，在系統(tǒng)焦面上形成物體像，由于光路可逆，若將物體放在光學(xué)系統(tǒng)焦面上，則在無窮遠(yuǎn)成像，平行光管就是利用該原理發(fā)出平行光在室內(nèi)模擬無窮遠(yuǎn)目標(biāo)。具體工作原理如圖1 所示，光源照射靶標(biāo)，光束經(jīng)過物鏡以平行光射出，對于被測光學(xué)系統(tǒng)來說，靶標(biāo)相當(dāng)于一個無窮遠(yuǎn)目標(biāo)，經(jīng)過被測系統(tǒng)會聚在其焦點的探測器上[1-3]。

圖1 平行光管原理圖Fig.1 Schematic diagram of collimator

靶標(biāo)就是帶有刻線或圖案的基片，根據(jù)測試項目不同，基片上刻線或圖案不同，常用的如圖2 所示幾種：圖2（a）是十字線，有帶刻度和不帶刻度兩種，可用來測試曲率半徑和校正光軸；圖2（b）是星孔板，可用來檢驗光學(xué)系統(tǒng)的球差、慧差、像散等；圖2（c）是鑒別率板，用來測試被測系統(tǒng)分辨率；圖2（d）是玻羅板，玻羅板就是在基片上刻劃已知間距的幾組平行分化線對，一般用來測試被測系統(tǒng)焦距。

圖2 靶標(biāo)分類Fig.2 Target classification

2 平行光管設(shè)計

平行光管光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)有：

1） 統(tǒng)焦距：5 000 mm；

2） 系統(tǒng)有效口徑：Φ200 mm；

3） 全視場：0.35°；

4） 波像差：裝調(diào)完成要求中心視場RMS 優(yōu)于1/18 λ；

5） 尺寸：小于0.8 m×0.5 m×0.3 m（長×寬×高）；

平行光管一般有透射式、同軸反射式和離軸反射式。透射式平行光管如圖3 所示，無中心遮攔，視場角可以做大，由于受大口徑透鏡研制技術(shù)和成本限制，透射式不適用于大口徑平行光管，由于外形尺寸限制一般不適用長焦距[4-6]。

圖3 透射式平行光管Fig.3 Transmission-type collimator

同軸反射式平行光管如圖4 所示，可以做大口徑、長焦距，但是視場無法做大，而且具有中心遮攔，要想覆蓋被測系統(tǒng)全口徑，平行光管口徑至少要兩倍以上[4]。

圖4 同軸反射式平行光管Fig.4 Coaxial reflective collimator

離軸反射式平行光管無中心遮攔，適用于大口徑、長焦距，但是視場無法做大，加工裝調(diào)相對困難[5]。

根據(jù)上述指標(biāo)要求，若采用透射式，可以全口徑測試口徑200 mm 以下的光學(xué)系統(tǒng)，但是需要至少200 mm 口徑透鏡，加工具有一定難度，且系統(tǒng)總長要3 m 以上，不滿足技術(shù)指標(biāo)要求；若采用同軸反射式，只能全口徑測試口徑100 mm 以下的光學(xué)系統(tǒng)；采用離軸反射式，外形尺寸可以滿足要求，可以全口徑測試口徑200 mm 以下的光學(xué)系統(tǒng)。

經(jīng)過上述對比分析，本文平行光管采用離軸反射式結(jié)構(gòu)，由圖5 系統(tǒng)光路圖可知，系統(tǒng)由主鏡和次鏡組成，主、次鏡都需要離軸；主、次鏡采用周邊支撐灌膠的方式放置在鏡框內(nèi)，鏡框與底板用螺釘三點支撐，如圖6 所示。

圖5 系統(tǒng)光路圖Fig.5 Diagram of system optical path

圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure diagram of system

由表1 可知，主鏡是拋物面，次鏡為凸雙曲面，主次鏡間距764.5 mm；系統(tǒng)波像差如圖7 所示，中心視場波像差RMS 值0.0161 λ，邊緣視場波像差RMS 值0.0471 λ。

表1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)Table 1 Optical system structure parameters

圖7 系統(tǒng)波像差Fig.7 Wave aberration of optical system

系統(tǒng)裝調(diào)完成后的波像差由設(shè)計殘留誤差、加工波前誤差和裝調(diào)誤差組成，設(shè)計殘留波像差RMS 值0.0161 λ，根據(jù)現(xiàn)在非球面加工能力，主、次鏡加工面形誤差RMS 值可以達(dá)到1/60 λ，即加工波前誤差均為1/30 λ。目前國內(nèi)離軸兩反裝調(diào)水平非常高，裝調(diào)系數(shù)按照0.98 計算，系統(tǒng)中心視場波像差為接近1/20 λ，滿足指標(biāo)要求。

3 凸非球面次鏡檢驗方案

在實際工程中，光學(xué)元件加工和裝調(diào)是非常重要的，光學(xué)系統(tǒng)的好壞除了要看設(shè)計結(jié)果，也要看加工和裝調(diào)，非球面的檢驗對加工和裝調(diào)都是十分重要的。非球面的檢驗一般分為無像差點檢驗和補償檢驗兩類，凸非球面鏡的檢驗相對麻煩，主要因為其需要有一束至少同等口徑的匯聚光束[7-9]。

本設(shè)計中次鏡為凸雙曲面，根據(jù)雙曲面特性一個幾何焦點發(fā)出來的光束，經(jīng)過鏡面反射后的光束延長線匯聚到另一個幾何焦點，若采用無像差點檢驗方法，需要一個輔助球面鏡[10-11]。如圖8 所示，圖中SM 為平行光管凸雙曲面次鏡，C和C′為雙曲面兩個幾何焦點，M1 為補償用球面反射鏡。M1 的球心與C′重合，SM 中一個幾何焦點C點發(fā)出的光經(jīng)過SM 反射后到達(dá)反射鏡M1，由于M1 球心與SM 另一個幾何焦點C′重合，入射到M1 上的光線會沿著原光路返回，與參考光產(chǎn)生干涉條紋。本文平行光管次鏡母鏡口徑100 mm，根據(jù)計算和軟件優(yōu)化，采用圖中的無像差點檢驗方法，輔助球面鏡口徑要400 mm 左右，且存在中心遮攔，次鏡中心有部分區(qū)域無法檢驗到，大口徑球面加工和固定都比較麻煩，且有中心遮攔，故本設(shè)計不適合采用這種方案檢驗。

圖8 無像差點檢驗光路圖Fig.8 Optical path diagram of aberrationless point inspection

凸非球面正面檢驗需要一個至少同等口徑的匯聚光束，不能用輔助球面，就只能用正透鏡產(chǎn)生會聚光束，但是正透鏡產(chǎn)生負(fù)球差，本設(shè)計中次鏡為e2＞0 的凸非球面也產(chǎn)生負(fù)的法線球差，所以用正透鏡正面檢驗方法也不能采用[12-13]。若采用補償檢驗方法，可以采用背向會聚光零位補償檢驗方法，如圖9 所示，由于次鏡相對口徑比較大，需要2 個小透鏡補償，材料均為石英，這種方案會多引入2 個透鏡的加工和裝調(diào)誤差。

圖9 背面補償檢驗光路圖Fig.9 Optical path diagram of backside compensation inspection

由于上述兩種方案都不可行，故提出了一個新的方案，根據(jù)凸非球面折射補償檢驗方法，正面檢驗，用次鏡背面和輔助球面反射鏡進(jìn)行補償[14-15]。如圖10 所示，次鏡材料為石英，SM 為次鏡，圖中次鏡前表面是非球面，后表面是球面，M1 是輔助球面反射鏡，平行光入射到非球面表面，在次鏡焦點F1 處匯聚，輔助球面反射鏡球心C′與次鏡焦點重合，由于光線通過球心到達(dá)M1 表面，反射后光線沿著原光路返回，與參考光產(chǎn)生干涉條紋。

圖10 非球面折射補償檢驗Fig.10 Aspheric refraction compensation inspection

具體系統(tǒng)數(shù)據(jù)如表2 所示，次鏡背面為半徑743 mm 球面，輔助球面半徑為?66.5 mm，由于光線是透射經(jīng)過非球面，即波前誤差就是非球面面形誤差，但是光線兩次經(jīng)過非球面，故最終波前誤差是非球面面形誤差的2 倍。

表2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)Table 2 System structure parameters

次鏡加工要求面形誤差優(yōu)于1/60 λ，即最終波前誤差優(yōu)于1/30λ，系統(tǒng)波像差如圖11 所示，PV 值優(yōu)于1/20 λ，RMS 值優(yōu)于1/100 λ，若檢驗結(jié)果達(dá)到0.0335 λ，即可說明次鏡面形誤差滿足要求。

圖11 系統(tǒng)波像差Fig.11 Wave aberration of optical system

4 結(jié)論

設(shè)計了一個離軸兩反射式平行光管，口徑200 mm，焦距5000 mm，視場角0.35°，系統(tǒng)中心視場殘余誤差0.0161 λ，經(jīng)過分析，主、次鏡加工面形誤差達(dá)到1/60 λ，裝調(diào)后平行光管中心視場波像差可以達(dá)到1/20 λ，滿足指標(biāo)要求；由于常用的無像差點檢驗方案和背向透鏡補償零位檢驗方案都不適合，故提出了凸非球面透射加輔助球面反射鏡補償檢驗方案，只需要次鏡背面和小口徑輔助球面反射鏡進(jìn)行補償即可，與無像差點檢驗方案和背向透鏡補償零位檢驗方案比較，該方案沒有中心遮攔，只需要用全口徑12 mm 的輔助球面反射鏡，加工、裝調(diào)簡單，不引入過多誤差因素，成本也相對較低，實驗結(jié)果表明，該方法簡單可靠。該方案缺點是需要非球面透射光線，但在實際使用中非球面是反射面，所以該方法只能在鍍膜前檢驗，目前的國內(nèi)鍍膜水平很高，一般不會對面形產(chǎn)生大的影響，且鍍膜后可以用主鏡對次鏡進(jìn)行檢驗。目前，該項目已經(jīng)裝調(diào)完成，投入使用，本文為大視場、長焦距平行光管研制和凸非球面檢驗提供了一種新思路。