一種雙曲面光學(xué)系統(tǒng)中次鏡裝調(diào)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊海金，張 平，郝 芳，高雪軍，卞臻臻，詹 江，王新星，張?chǎng)谓?/p>

（江蘇北方湖光光電有限公司，江蘇 無(wú)錫 214035）

引言

隨著航空、航天、航海中超遠(yuǎn)程、長(zhǎng)航時(shí)飛行導(dǎo)航的需求，高精度天文導(dǎo)航系統(tǒng)的需求日趨旺盛。天文導(dǎo)航系統(tǒng)（celestial navigation system，CNS)是將自然天體（如恒星、太陽(yáng)等）作為參照物來(lái)得到載體(飛機(jī)、航天器、艦船等)位置或姿態(tài)的一種導(dǎo)航系統(tǒng)[1]，是慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)的重要組成部分。星敏感器、太陽(yáng)敏感器等是天文導(dǎo)航系統(tǒng)中較為常用的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，其中，星敏感器是將恒星作為姿態(tài)測(cè)量的觀測(cè)目標(biāo)，通過(guò)拍攝當(dāng)前觀察范圍內(nèi)的恒星，取得觀測(cè)星圖，測(cè)量并確定出當(dāng)前星敏感器的航向，從而獲得航行姿態(tài)數(shù)據(jù)，為飛機(jī)等載體的姿態(tài)控制或?qū)Ш较到y(tǒng)提供高精度的姿態(tài)信息[2-3]。

星敏感器的測(cè)姿精度能達(dá)到角秒量級(jí)，為保證較好的成像質(zhì)量和導(dǎo)航精度，其成像系統(tǒng)多采用像質(zhì)幾乎達(dá)到衍射極限的反射式兩鏡光學(xué)系統(tǒng)。在反射式光學(xué)系統(tǒng)中，有卡塞格林(Cassegrain)系統(tǒng)和格里高里(Gregory)系統(tǒng)?？ㄈ窳窒到y(tǒng)和格里高里系統(tǒng)只消除了球差，而軸外像差沒(méi)有校正，使用上受到某些限制。為此，Chretien 提出主鏡和次鏡都為雙曲面，使球差和彗差同時(shí)得到校正的改進(jìn)型卡塞格林系統(tǒng)，由Ritchey 實(shí)現(xiàn)，故稱(chēng)為RC 系統(tǒng)。R-C 系統(tǒng)的主次鏡均為雙曲面鏡，主鏡為凹雙曲面鏡，次鏡為凸雙曲面鏡[4-6]。該類(lèi)系統(tǒng)像質(zhì)幾乎達(dá)到衍射極限，對(duì)光機(jī)系統(tǒng)的裝調(diào)要求極為苛刻，其中，光學(xué)元件的角偏校準(zhǔn)精度高于30″，甚至高于10″，偏心校準(zhǔn)精度優(yōu)于0.1 mm，甚至優(yōu)于0.01 mm，波像差要求也優(yōu)于（1/2）λ，甚至優(yōu)于（1/10）λ[7-8]。為此，通過(guò)設(shè)計(jì)好的安裝和調(diào)試機(jī)構(gòu)使光學(xué)元件達(dá)到并保持在最佳設(shè)計(jì)位置，是獲取高像質(zhì)的重要途徑。

文中針對(duì)小口徑次鏡設(shè)計(jì)了一種6 自由度裝調(diào)機(jī)構(gòu)，可應(yīng)用于某機(jī)載星敏感器使用的R-C 光學(xué)系統(tǒng)高精度裝調(diào)，通過(guò)對(duì)裝調(diào)前后系統(tǒng)像質(zhì)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。表明該次鏡機(jī)構(gòu)能夠滿(mǎn)足此類(lèi)系統(tǒng)像質(zhì)要求，其中波像差PV 值優(yōu)于（1/2）λ、RMS 值優(yōu)于（1/15）λ，裝調(diào)方法可指導(dǎo)高精度系統(tǒng)批量生產(chǎn)，為R-C 光學(xué)系統(tǒng)工程化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

1 R-C 系統(tǒng)與次鏡自由度

星敏感器這類(lèi)高精度R-C 光學(xué)系統(tǒng)中，主、次鏡的安裝偏離在設(shè)計(jì)位置時(shí)對(duì)像質(zhì)、測(cè)量精度等影響極為敏感，因此，二者之間的光學(xué)間隔、同心度（中心偏），相對(duì)傾斜等需在裝調(diào)過(guò)程中精確控制。文中使用非對(duì)稱(chēng)R-C 光學(xué)系統(tǒng)，主鏡外徑110 mm，次鏡外徑22 mm，次鏡的質(zhì)量遠(yuǎn)小于主鏡，考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性，確定以主鏡為裝調(diào)基準(zhǔn)，通過(guò)調(diào)校次鏡實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高像質(zhì)。從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度來(lái)講，次鏡存在6 個(gè)自由度[9]，如圖1所示，即X、Y、Z3 個(gè)方向的位移和繞X、Y、Z3 個(gè)方向的旋轉(zhuǎn)。因此，設(shè)計(jì)次鏡裝調(diào)機(jī)構(gòu)時(shí)需滿(mǎn)足這6 個(gè)自由度的調(diào)節(jié)，消除球差、彗差等一系列像差，使得成像質(zhì)量達(dá)到最佳狀態(tài)。

圖1 非對(duì)稱(chēng)R-C 光學(xué)系統(tǒng)及次鏡自由度Fig.1 Asymmetric R-C optical system and degrees of freedom of secondary-mirror

國(guó)外星敏感器發(fā)展較早，技術(shù)較為先進(jìn)，對(duì)次鏡安裝多采用波像差檢測(cè)與在線(xiàn)裝調(diào)法。安裝和調(diào)校方式主要有兩種：一是撓性安裝方式，這種方式主要針對(duì)口徑和質(zhì)量較大的光學(xué)系統(tǒng)，在次鏡中設(shè)計(jì)有撓性裝置，利用計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)方式實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)裝調(diào)，有效消除和減小重力及加速度對(duì)系統(tǒng)像質(zhì)的影響，如圖2所示；二是膠結(jié)方式，采用專(zhuān)用6 爪機(jī)器人在線(xiàn)安裝，機(jī)器人將次鏡置于一體化設(shè)計(jì)的主、次鏡支架中，光路經(jīng)過(guò)粗調(diào)，依據(jù)干涉儀反饋的參數(shù)和Zernike 多項(xiàng)式迭代的數(shù)據(jù)不斷調(diào)整，直至到達(dá)理想位置后，機(jī)器人完成點(diǎn)膠、照射固化、去應(yīng)力等，實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)裝調(diào)。

圖2 撓性安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of flexible installation

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)次鏡自由度調(diào)節(jié)方法多采用“三推三拉”式結(jié)構(gòu)。即在次鏡框背面設(shè)計(jì)3 個(gè)頂絲和3 個(gè)拉桿，調(diào)校時(shí)利用轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋對(duì)次鏡框反復(fù)“推”、“拉”，實(shí)現(xiàn)理想位置的調(diào)整。該種結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)5 個(gè)自由度的調(diào)整，相對(duì)簡(jiǎn)單，成本低。但其存在明顯的缺點(diǎn)，如無(wú)固定轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)（或軸），調(diào)整中心偏時(shí)不僅會(huì)造成傾斜失調(diào)，還會(huì)造成已調(diào)整好的兩鏡間隔發(fā)生改變，特別是長(zhǎng)焦距系統(tǒng)，這是影響像面位置偏離設(shè)計(jì)值的主要因素。同時(shí)，在調(diào)整兩鏡間隔時(shí)又會(huì)破壞中心偏和傾斜調(diào)整結(jié)果?！叭迫苯Y(jié)構(gòu)形式下的各個(gè)自由度的調(diào)校不為獨(dú)立，關(guān)聯(lián)性太強(qiáng)，造成調(diào)校過(guò)程非常繁瑣、耗時(shí)，且規(guī)律性、重復(fù)性很差。更為重要的是，調(diào)節(jié)結(jié)束后的推、拉力將造成系統(tǒng)存在較為明顯的應(yīng)力集中問(wèn)題，應(yīng)力釋放后系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)像質(zhì)惡化等，造成系統(tǒng)穩(wěn)定性差，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)需要重新調(diào)校和試驗(yàn)。因此，改進(jìn)次鏡裝調(diào)的結(jié)構(gòu)形式是改善裝調(diào)應(yīng)力的有效手段，作者設(shè)計(jì)一種用于小口徑次鏡的安裝和調(diào)校機(jī)構(gòu)，能有效避免該類(lèi)問(wèn)題，提高高精度光電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 次鏡機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與裝調(diào)

2.1 機(jī)構(gòu)組成與選材

文中設(shè)計(jì)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖如圖3所示，A 為局部放大圖。圖3 中次鏡安裝在次鏡框內(nèi)，調(diào)節(jié)筒與次鏡框螺紋連接，次鏡框的兩邊設(shè)計(jì)了第一球形隔圈和第二球形隔圈。次鏡框組、第一球形隔圈和第二球形隔圈的外徑均小于支架筒的內(nèi)徑，兩者存在一定的間隙，用于實(shí)現(xiàn)次鏡中心偏的調(diào)校。在第一球形隔圈和第二球形隔圈外側(cè)用次鏡壓圈旋緊，使得次鏡框組、第一球形隔圈以及第二球形隔圈被壓緊。圖3 中序號(hào)1～11 依次為支架、主鏡、第一調(diào)節(jié)孔、第一次鏡壓圈、第一球形隔圈、第二調(diào)節(jié)孔、第二球形隔圈、墊圈、次鏡、次鏡框、調(diào)節(jié)筒。機(jī)構(gòu)在X、Y方向移動(dòng)量范圍為0.5 mm，Y、Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為3°。其中，X方向移動(dòng)調(diào)節(jié)螺矩為0.5 mm，Y方向移動(dòng)調(diào)節(jié)螺矩和Y、Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)螺距為0.35 mm。一般直徑4 mm 的手柄，手感調(diào)節(jié)可小于10°。計(jì)算可得機(jī)構(gòu)在X方向移動(dòng)調(diào)整精度為0.0013 mm，Y方向移動(dòng)調(diào)整精度為0.000 97 mm，Y、Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整精度為9″。調(diào)節(jié)精度滿(mǎn)足主次鏡間隔誤差為±0.01 mm，中心偏誤差為±0.01 mm，相對(duì)傾斜誤差為30″的校正要求。

圖3 次鏡裝調(diào)機(jī)構(gòu)Fig.3 Schematic diagram of secondary-mirror adjustment mechanism

星敏感器主要應(yīng)用于空間航天、飛行器等設(shè)備的高精度位置坐標(biāo)測(cè)量，應(yīng)用環(huán)境變化多樣，結(jié)構(gòu)件環(huán)境穩(wěn)定性直接影響了系統(tǒng)精度，系統(tǒng)整體質(zhì)量的減小是目前輕量化設(shè)計(jì)的普遍要求。因此，在調(diào)校機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中除了需要結(jié)構(gòu)合理外，還應(yīng)考慮各結(jié)構(gòu)材料的選取[10]。文中選取鈦合金TC4作為主要的結(jié)構(gòu)件材料，主、次鏡玻璃選用微晶玻璃，經(jīng)Zemax 軟件仿真分析，結(jié)果如圖4所示。從圖4可看出，在20 ℃、?50 ℃、70 ℃條件下系統(tǒng)能量集中度均大于75%，滿(mǎn)足系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性和輕量化要求。

圖4 系統(tǒng)在20 ℃、?50 ℃、70 ℃下能量集中度曲線(xiàn)Fig.4 Energy concentration curve of system at 20 ℃,-50 ℃and 70 ℃

2.2 裝調(diào)與固化

將主次鏡系統(tǒng)置于校正好的干涉光路中，如圖5所示。圖5 中1 為R-C 系統(tǒng)，2 為標(biāo)準(zhǔn)平晶，3 為基準(zhǔn)平臺(tái)，4 為干涉儀，干涉儀為ZYGO 干涉儀，波長(zhǎng)λ=0.632 8 μm。

圖5 裝調(diào)裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of adjustment device

文獻(xiàn)[11]給出了失調(diào)量（X、Y方向移動(dòng)量和Y、Z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)量）與像差之間為線(xiàn)性和近似線(xiàn)性關(guān)系。利用次鏡在各個(gè)自由度上的調(diào)節(jié)，參照干涉儀顯示的PV 值和RMS 數(shù)據(jù)以及干涉圖，調(diào)節(jié)次鏡失調(diào)量至理想位置，可以使得光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量提升，最終固化系統(tǒng)可得到穩(wěn)定像質(zhì)[12-13]。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：

1）次鏡與主鏡間隔直接影響系統(tǒng)的像散、彗差和球差，而傾斜和中心偏不會(huì)帶來(lái)球差，因此通過(guò)調(diào)整圖3 中序號(hào)8 隔圈厚度可實(shí)現(xiàn)X方向上的移動(dòng)量調(diào)節(jié)，調(diào)整兩鏡間隔處于系統(tǒng)要求的±0.01 mm范圍內(nèi)，中心視場(chǎng)球差小于（1/20）λ；

2）對(duì)于非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)圖3 中序號(hào)11調(diào)節(jié)筒可實(shí)現(xiàn)X方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)量調(diào)節(jié)；

3）次鏡的中心偏對(duì)系統(tǒng)彗差影響較為明顯，利用調(diào)節(jié)釘通過(guò)圖3 中序號(hào)6 第二調(diào)節(jié)孔對(duì)序號(hào)5第一球形隔圈施加Y、Z方向的力，實(shí)現(xiàn)Y、Z方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)量調(diào)節(jié)，傾斜失調(diào)量小于±30″后，系統(tǒng)彗差優(yōu)于（1/20）λ；

4）次鏡傾斜對(duì)像散和彗差均有影響，利用調(diào)節(jié)釘通過(guò)圖3 中序號(hào)3 第一調(diào)節(jié)孔對(duì)序號(hào)11 調(diào)節(jié)筒施加Y、Z方向的力，實(shí)現(xiàn)Y、Z方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)量調(diào)節(jié)，同步于中心偏調(diào)整，處于系統(tǒng)要求的±0.01 mm范圍內(nèi)，像散將優(yōu)于（1/20）λ。

5）裝調(diào)是不斷迭代的過(guò)程，中心偏和傾斜的調(diào)節(jié)可配合開(kāi)展，便于彗差和像散的快速收斂，提高效率。調(diào)校過(guò)程中，圖3 中序號(hào)4 處于預(yù)壓緊狀態(tài)，使得次鏡框在Y、Z方向具有自由度，又不會(huì)出現(xiàn)軸向間隔變化，調(diào)校完畢后鎖緊壓圈。

裝調(diào)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性往往對(duì)系統(tǒng)功能、性能都起著關(guān)鍵性作用，對(duì)于高精度系統(tǒng)來(lái)講，將系統(tǒng)調(diào)校至理想狀態(tài)是非常不易的，然而更不易的是如何消除調(diào)校后各種應(yīng)力對(duì)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，使其長(zhǎng)期處于理想狀態(tài)。文中次鏡采用彈性安裝技術(shù)，即次鏡安裝在鏡框中，不采用直接用壓圈壓緊的傳統(tǒng)安裝方式，采用彈性粘結(jié)的方式，使其在環(huán)境應(yīng)力劇烈變化時(shí)不發(fā)生脫膠、損壞和像質(zhì)明顯惡化等問(wèn)題。為保證彈性和強(qiáng)度，粘結(jié)劑使用室溫硫化硅橡膠，膠層厚度設(shè)置為0.2 mm～0.3 mm[14-16]。光學(xué)元件和結(jié)構(gòu)件之間不完全注滿(mǎn)粘結(jié)劑，留有溫度應(yīng)力帶來(lái)的膨脹空間，這一點(diǎn)很重要。另外，由于固化和溫度變化期間，粘結(jié)層的尺寸變化正比于被粘結(jié)的面積，所以粘結(jié)面積不要太大。如果反射鏡質(zhì)量很大且必須使用比較大的總面積時(shí)，可以將它分為多個(gè)小的粘結(jié)區(qū)域。最小粘結(jié)面積可用以下公式確定：

式中：W為光學(xué)零件的質(zhì)量；aG為惡劣條件下的加速度；fs為安全系數(shù)（安全系數(shù)最小是2，考慮到一些沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)理想條件的情況，如清潔度不夠等，安全系數(shù)可能取4）；J為粘結(jié)區(qū)（膠斑）的抗剪強(qiáng)度或者抗拉強(qiáng)度（通常情況下相等）。

為了保證一致性，將膠斑設(shè)計(jì)為多個(gè)圓膠斑。圓膠斑的直徑按以下公式確定：

式中n為膠斑個(gè)數(shù)。

圖6(a)為次鏡彈性安裝示意,圖6（b)為系統(tǒng)檢測(cè)實(shí)物場(chǎng)景。系統(tǒng)完成調(diào)校后，仍置于光路中釋放調(diào)校應(yīng)力，待系統(tǒng)PV、RMS 測(cè)試值持續(xù)穩(wěn)定，通過(guò)圖3 中序號(hào)6 第二調(diào)節(jié)孔，用皮下注射器注入室溫硫化硅橡膠，完成固化。

圖6 彈性安裝示意圖和系統(tǒng)檢測(cè)場(chǎng)景Fig.6 Schematic diagram of flexible installation and system detection scenarios

3 驗(yàn)證

首先，在裝調(diào)過(guò)程中對(duì)固化前后系統(tǒng)的波像差進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證；其次，依據(jù)使用環(huán)境對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)環(huán)境試驗(yàn)。

系統(tǒng)干涉圖如圖7所示。圖7（a）和圖7（b）分別是固化前后的系統(tǒng)干涉圖，圖7（c）～7（f）分別是高溫、低溫、沖擊、震動(dòng)試驗(yàn)后檢測(cè)的系統(tǒng)干涉圖。系統(tǒng)PV 值和RMS 值如表1所示。

圖7 系統(tǒng)干涉圖Fig.7 Schematic diagram of system interference

從表1 中可以看出：1）固化前后波像差變化很小，說(shuō)明固化過(guò)程中應(yīng)力消除得很好，未對(duì)系統(tǒng)像質(zhì)造成不良影響。2）系統(tǒng)經(jīng)過(guò)環(huán)境試驗(yàn)后，PV 值與RMS 值的變化在同一數(shù)量級(jí)內(nèi)，系統(tǒng)像質(zhì)未出現(xiàn)惡化，說(shuō)明裝調(diào)機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性較好。

表1 系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 System test data

測(cè)試結(jié)果顯示，采用文中設(shè)計(jì)的次鏡裝調(diào)機(jī)構(gòu)R-C 光學(xué)系統(tǒng)，在經(jīng)過(guò)環(huán)境試驗(yàn)后依然保持了良好的性能，驗(yàn)證了調(diào)校機(jī)構(gòu)具有非常好的裝調(diào)性和穩(wěn)定性，滿(mǎn)足星敏感器等高精度測(cè)試系統(tǒng)的環(huán)境使用要求。

4 結(jié)論

針對(duì)R-C 光學(xué)系統(tǒng)在星敏感器應(yīng)用中存在光學(xué)調(diào)校效率低、調(diào)節(jié)復(fù)雜、穩(wěn)定性差等問(wèn)題，分析了裝調(diào)的多重性、復(fù)雜性，以及解決現(xiàn)有問(wèn)題的必要性。設(shè)計(jì)了一種用于方便調(diào)節(jié)次鏡6 自由度的機(jī)械結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)R-C 光學(xué)系統(tǒng)中以主鏡為基準(zhǔn)的次鏡失調(diào)量裝調(diào)，次鏡的彈性裝調(diào)安裝，也可用于卡塞格林等兩鏡式反射系統(tǒng)中。解決了星敏感器實(shí)際過(guò)程中調(diào)校復(fù)雜度高和效率低等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)的RMS 值優(yōu)于（1/15）λ，縮短了裝調(diào)周期，取得了較好效果。同時(shí)，結(jié)合理論分析和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了該調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在固化后具有良好的穩(wěn)定性。