基于OptiCentric中心偏測量儀的紅外光學(xué)鏡組裝調(diào)方法

韓 穎，項建勝

（中國空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽 471000）

引言

在光學(xué)理論中，光學(xué)元件的共軸性是大多數(shù)光學(xué)理論的前提和依據(jù)。但是由于透鏡實際生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)條件的限制，在透鏡加工、膠裝或磨邊過程中會產(chǎn)生一定的質(zhì)量缺陷，從而達不到共軸條件，產(chǎn)生了中心偏。

中心偏對有效焦距（EFL）、后截距（BFL）、曲率半徑（R）和調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）有一定的影響[1-2]，也是影響光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量最主要因素之一[3-4]。與使用光學(xué)傳遞函數(shù)測量儀對光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量進行評價相比，使用透鏡中心偏測量儀可以精確測量光學(xué)系統(tǒng)中各鏡面相對于系統(tǒng)光軸中心偏移數(shù)值的大小和方向[5-8]。另外，在紅外光學(xué)鏡組裝調(diào)過程中，由于紅外透鏡多為對可見光不透明的硅、鍺等材料，不能使用傳統(tǒng)的可見光裝調(diào)模式[9]，因此，紅外鏡組裝調(diào)過程中存在許多難點。

雙光路中心偏測量儀適用于解決以上紅外光學(xué)系統(tǒng)檢測、裝校中存在的難點。隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)字化處理進程日益迅速，為提高光學(xué)儀器的精度，減少工作人員的工作量，減少不必要的人為引入的誤差，儀器自動化裝調(diào)已成為必然的發(fā)展趨勢。

1 OptiCentric中心偏測量儀

德國TRIOPTIC 公司的OptiCentric 透鏡中心偏測量儀[10]，是基于自準(zhǔn)直法的中心偏測量設(shè)備[11-12]，分為單光路與雙光路測試系統(tǒng)。雙光路測試系統(tǒng)如圖1 所示。圖1 中系統(tǒng)具有2 套電子自準(zhǔn)直儀，可同時測量，也可作為單光路設(shè)備獨立使用。

圖 1 雙光路測試系統(tǒng)Fig.1 Dual-optical path test system

對可見光波段樣品，可通過透射法或反射法對單鏡片中單個表面中心偏差進行測量和單鏡片整體中心偏差進行測量，以及多鏡片鏡頭組中每一表面的中心偏差進行測量[13-14]。

對紅外波段樣品，可通過反射法分別測量透鏡上下2 個鏡面的反射球心像，然后通過調(diào)整透鏡的平移和傾斜，使透鏡光軸與幾何中心線重合[15]。

2 中心偏的定義

中心偏是相對于參考軸而言的，因此對于一個待裝調(diào)光學(xué)系統(tǒng)，需要定義一個參考軸。如圖2 所示，將鏡筒的旋轉(zhuǎn)軸作為參考軸，則鏡筒內(nèi)的透鏡都以這個參考軸進行定位。圖2 中①～⑤分別表示在多鏡片裝調(diào)時，出現(xiàn)的鏡片橫向平移、鏡片傾斜、球面面傾斜、混合偏差以及非球面軸傾斜。

圖 2 典型的鏡組中心偏差Fig.2 Typical center-deviation of optical lens group

2.1 球面面傾斜

球面樣品表面存在中心偏，如圖3 所示。圖3中，R為球面曲率半徑，a為球面曲率中心到參考軸的距離。將球面與參考軸的交點和球面的曲率中心相連接，得到一條直線，此直線與參考軸存在一個夾角，稱為面傾角（surface tilt error）。面傾角大小可用公式表示為

Est=arctan(a/R)

2.2 球面透鏡中心偏

球面透鏡存在中心偏，如圖4 所示。圖4 中，C1 和C2 分別是透鏡2 個面的曲率中心，將C1 和C2 相連得到透鏡的光軸，透鏡光軸與參考軸的夾角就是透鏡中心偏。透鏡中心偏可以用面傾角χ表示，或者用曲率中心到參考軸之間的距離a來表示。

圖 3 球面面傾斜Fig.3 Spherical inclination

圖 4 球面透鏡中心偏Fig.4 Center-deviation of spherical lens

2.3 非球面透鏡中心偏

非球面透鏡存在中心偏，如圖5 所示。和球面不同，非球面有唯一的并且是確定的對稱軸，當(dāng)此非球面軸與參考軸有夾角時，即存在中心偏。其中圖5（a）透鏡是單非球面型，其光軸可定義為非球面近軸曲率中心和球面曲率中心的連線，以此光軸為參考軸時，非球面軸與參考軸存在夾角。圖5（b）透鏡為雙非球面型，每一個非球面有相對于某參考軸的中心偏，當(dāng)2 個面本身也存在夾角偏差時，中心偏是無法消除的。

圖 5 非球面透鏡中心偏Fig.5 Center-deviation of aspherical lens

3 紅外光學(xué)鏡組裝調(diào)方法

在紅外鏡組裝調(diào)過程中，為了減小中心偏差，保證各光學(xué)表面的共軸性，需要應(yīng)用高精度中心偏測量儀。根據(jù)中心偏測量原理以及OptiCentric雙光路透鏡中心偏測量儀的使用方法，設(shè)計以下2 種方案對紅外光學(xué)鏡組進行裝調(diào)。

3.1 無鏡座單面定中法

無鏡座單面定中法原理如圖6 所示。用杠桿千分表使鏡筒機械軸與OptiCentric 的唯一參考軸即轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)軸重合，將最底部的鏡片裝配到鏡筒內(nèi)，接著用OptiCentric 的上光路對鏡片進行定中，當(dāng)CCD 采集到十字反射像不打轉(zhuǎn)時，此鏡片定中完成。依照此法由下而上逐片安裝定中，直至全部裝配完成。

圖 6 無鏡座單面定中法Fig.6 Single-sided centering method of no-mirror seat

無鏡座單面定中法使用單光路中心偏檢測設(shè)備即可實現(xiàn)，相對簡單，比直接裝配法有更高的裝調(diào)精度。但由于這種方法只能去上表面的中心偏，因此是不完善的。如圖6 中的中間鏡片上表面經(jīng)單光路裝調(diào)后可以去球面的面傾斜中心偏，但鏡片的傾斜中心偏卻并沒消除。無鏡座單面定中法適用于有一定裝調(diào)精度要求，同時鏡片加工精度又較高的場合，也適合于要求體積緊湊、有一定批量要求的場合。如果對裝調(diào)精度要求很高，則宜采用鏡座法。

3.2 鏡座法

鏡座法的目的是去除整個鏡片的傾斜中心偏，不只是鏡片的單個面傾斜中心偏。為了達到這個目的，引入鏡座法，如圖7 所示。

圖 7 鏡座法Fig.7 Mirror seat method

首先，在鏡座中消除傾斜中心偏。利用雙光路中心偏測試系統(tǒng)即可實現(xiàn)，裝調(diào)完成后，保證鏡片的光軸與參考鏡座底面垂直。此時，鏡座底面起著傳遞參考的作用。

第2 步，消除平移中心偏。將已完成去傾斜中心偏的鏡片含鏡座放置到鏡筒，利用上光路測試系統(tǒng)消除平移中心偏。此時，第1 步中以鏡座底面為參考已過渡到第2 步中以轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸為參考。參考傳遞環(huán)節(jié)流程是：鏡座底面→鏡筒內(nèi)側(cè)臺階→鏡筒外側(cè)面→轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)軸為最終參考。

鏡座法由于能同時校正鏡片姿態(tài)及解決共軸問題，因此其裝配是較完善的，也能獲得較高的裝配精度。但是，引入鏡座會增加系統(tǒng)裝調(diào)復(fù)雜度，同時增大光學(xué)系統(tǒng)體積，這是其缺點。

4 非球面裝調(diào)方法

在實際工作中有非球面裝調(diào)的需求[16]，也可以通過OptiCentric 透鏡中心偏測量儀來實現(xiàn)，如圖8所示。其基本原理是基于光學(xué)法，將非球面的局部當(dāng)作球面看待。以非球面反射鏡為例，上光路測試系統(tǒng)照亮非球面鏡的中心區(qū)域，根據(jù)反射像是否打轉(zhuǎn)來判斷偏心程度。從理論上講，非球面有唯一中心軸，當(dāng)它與參考軸有夾角時就會產(chǎn)生中心偏。

圖 8 非球面裝調(diào)方案Fig.8 Adjustment scheme of aspherical surface

實際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)，在使用OptiCentric 透鏡中心偏測量儀對非球面進行裝調(diào)時，即使產(chǎn)生了中心偏，但非球面在照明小區(qū)域的等效球面曲率中心無中心偏的話，反射像將不打轉(zhuǎn)，即不帶來檢測誤差，因此用該設(shè)備對非球面裝調(diào)存在一定的局限性。

5 成像質(zhì)量測試

使用光學(xué)傳遞函數(shù)測試儀，分別對基于OptiCentric透鏡中心偏測量儀采用無鏡座法和鏡座法裝調(diào)完成的成像鏡頭進行光學(xué)傳遞函數(shù)的測量。

5.1 無鏡座法測試結(jié)果

使用無鏡座法裝調(diào)的鏡頭技術(shù)指標(biāo)要求：焦距120 mm，半視場7.8°，在空間頻率33 lp/mm 位置MTF≥0.24。采用光學(xué)傳遞函數(shù)測試儀對裝調(diào)的鏡頭在3 μm～5 μm 波段進行MTF 測試，測試結(jié)果如圖9～圖11 所示，在空間頻率33 lp/mm 處測試結(jié)果如表1 所示。

圖 9 0°視場MTF 測試結(jié)果Fig.9 MTF test results of 0° field of view

圖 10 -7.8°視場MTF 測試結(jié)果Fig.10 MTF test results of -7.8° field of view

圖 11 7.8°視場MTF 測試結(jié)果Fig.11 MTF test results of +7.8° field of view

5.2 鏡座法測試結(jié)果

使用鏡座法裝調(diào)的鏡頭技術(shù)指標(biāo)要求：焦距120 mm，半視場7.85°，在空間頻率33 lp/mm 位置MTF≥0.20。采用光學(xué)傳遞函數(shù)測試儀對裝調(diào)的鏡頭在3 μm～5 μm 波段進行MTF 測試，結(jié)果如圖12～圖14 所示，在空間頻率33 lp/mm 處測試結(jié)果如表2 所示。

表 1 無鏡座法裝調(diào)的鏡頭測試結(jié)果Table 1 Test results of lens with no-mirror seat method

圖 12 0°視場MTF 測試結(jié)果Fig.12 MTF test results of 0° field of view

圖 13 -7.85°視場MTF 測試結(jié)果Fig.13 MTF test results of -7.85° field of view

圖 14 7.85°視場MTF 測試結(jié)果Fig.14 MTF test results of 7.85° field of view

6 結(jié)論

文中介紹了如何使用OptiCentric 透鏡中心偏測量儀對無鏡座和有鏡座的光學(xué)成像系統(tǒng)進行裝調(diào)，并使用光學(xué)傳遞函數(shù)測試儀，對裝調(diào)完成的成像鏡頭分別進行光學(xué)傳遞函數(shù)測量。測試結(jié)果表明，使用無鏡座法和鏡座法裝調(diào)的鏡頭均具有良好的測試精度，都能夠滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

表 2 鏡座法裝調(diào)的鏡頭測試結(jié)果Table 2 Test results of lens with mirror seat method