栗孟娟，廖志波，王春雨

（北京空間機(jī)電研究所，北京100076）

引言

采用高精度折射式光學(xué)系統(tǒng)的對(duì)地觀測(cè)遙感器，尤其是譜段為可見(jiàn)光，光學(xué)系統(tǒng)要達(dá)到接近衍射極限的成像質(zhì)量，因而裝調(diào)公差要求嚴(yán)格。國(guó)外采用在同一臺(tái)高精度中心偏測(cè)量?jī)x上進(jìn)行機(jī)械加工和系統(tǒng)調(diào)心，實(shí)現(xiàn)機(jī)械軸和光軸的高度一致性，達(dá)到裝調(diào)公差。國(guó)內(nèi)由于機(jī)械和光學(xué)加工能力所限，首先將光學(xué)元件與金屬框聯(lián)結(jié)形成組件，經(jīng)過(guò)機(jī)械加工將組件的光學(xué)基準(zhǔn)引至結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)，然后在中心偏測(cè)量?jī)x上調(diào)整各組件的光軸一致性。由于折射式鏡頭不具備在裝調(diào)過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)像質(zhì)的條件，為降低裝調(diào)風(fēng)險(xiǎn)，傳統(tǒng)的公差控制是嚴(yán)格以光學(xué)設(shè)計(jì)給定公差為標(biāo)準(zhǔn)。但隨著空間光學(xué)遙感器的快速發(fā)展，裝調(diào)公差越來(lái)越嚴(yán)苛。尤其是小口徑高精度折射式光學(xué)系統(tǒng)，其偏心誤差和鏡間距更加敏感，遵循以往的裝調(diào)公差分配及控制方法，會(huì)經(jīng)常發(fā)生對(duì)鏡頭組件反復(fù)裝調(diào)的情況，嚴(yán)重降低裝調(diào)效率。因此將光學(xué)設(shè)計(jì)和裝調(diào)實(shí)踐相結(jié)合對(duì)公差進(jìn)行再分配和補(bǔ)償，對(duì)保證裝調(diào)質(zhì)量具有重要的工程意義。

由于折射式系統(tǒng)鏡片多，各種分離誤差在裝調(diào)過(guò)程中可以相互補(bǔ)償，這也使得實(shí)際裝調(diào)中存在實(shí)時(shí)調(diào)整公差的可能。影響光學(xué)性能的裝調(diào)公差主要包括光學(xué)元件面形誤差、偏心誤差、鏡間距誤差等。經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算發(fā)現(xiàn)，某些透鏡組件的超差對(duì)成像質(zhì)量影響有限，或者其超差影響可由后續(xù)透鏡組件進(jìn)行補(bǔ)償。另一方面，公差控制方法在小口徑高精度折射式光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)方面遇到瓶頸，包括偏心誤差和鏡間距。本文首先針對(duì)小口徑高精度折射式光學(xué)系統(tǒng)提出對(duì)裝調(diào)公差的再分配和補(bǔ)償方法，并以一個(gè)f＝270mm的光學(xué)系統(tǒng)為例，對(duì)裝調(diào)公差的分析和控制進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

1 裝調(diào)公差分配原則

光學(xué)設(shè)計(jì)最初分配的裝調(diào)公差，是基于各項(xiàng)公差對(duì)系統(tǒng)像質(zhì)的影響權(quán)重，并參考當(dāng)前的裝調(diào)工藝水平進(jìn)行分配，目標(biāo)是保證裝調(diào)后遙感器成像性能達(dá)標(biāo)。但由于光學(xué)遙感器發(fā)展迅速，公差趨于苛刻，而折射式光學(xué)系統(tǒng)鏡片多，在當(dāng)前裝調(diào)設(shè)備和工藝水平不斷發(fā)展情況下，保證所有公差滿(mǎn)足要求仍然是相當(dāng)困難的。為提高裝調(diào)效率，本文提出的裝調(diào)公差分配原則如下：以光學(xué)設(shè)計(jì)給定公差為基礎(chǔ)，根據(jù)單片透鏡組件的裝調(diào)難度及實(shí)際誤差，用仿真計(jì)算進(jìn)行成像質(zhì)量預(yù)估，并利用光學(xué)系統(tǒng)各分離誤差相互間的補(bǔ)償，對(duì)公差進(jìn)行再分配和補(bǔ)償，實(shí)時(shí)調(diào)整公差。

2 裝調(diào)公差分析及控制

以一種小口徑高精度折射式光學(xué)系統(tǒng)遙感器裝調(diào)過(guò)程為例，說(shuō)明裝調(diào)公差的分析和控制方法。如圖1所示，光學(xué)系統(tǒng)為像方遠(yuǎn)心光路，譜段為450nm～800nm，f＝250mm，相對(duì)孔徑1／3.5，視場(chǎng)角2ω＝20°，奈奎斯特頻率77lp／mm處各視場(chǎng)平均 MTF＝0.65，要求裝調(diào)后 MTF≥0.60。光學(xué)系統(tǒng)公差分配如表1所示，各光學(xué)元件裝配為組件后面形誤差要求均為RMS＝0.02λ，鏡間距公差和偏心公差在折射式光學(xué)系統(tǒng)公差中屬于相當(dāng)苛刻。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Diagram of optical system

表1 光學(xué)系統(tǒng)公差分配Table 1 Tolerance distribution

2.1 光學(xué)元件面形誤差分析與控制

光學(xué)元件加工完成后已有一定的面形誤差，在組件裝配過(guò)程中可能受裝配應(yīng)力的作用而變化。小口徑透鏡組件的裝配方式一般是裸鏡進(jìn)金屬框，通過(guò)彈性壓圈、膠圈進(jìn)行透鏡軸向固定，側(cè)面注膠，通過(guò)干涉儀監(jiān)測(cè)透鏡面形。光學(xué)設(shè)計(jì)要求的面形誤差均為RMS＝0.02λ，但實(shí)際上各片透鏡對(duì)成像質(zhì)量影響差異很大，主要與透鏡在系統(tǒng)中的位置相關(guān)。在裝配過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，透鏡1、9和12均為彎月形鏡片，彈性壓圈很容易對(duì)凸面產(chǎn)生裝配應(yīng)力，造成面形誤差明顯增大，透鏡4由于鏡片薄，也容易受到裝配應(yīng)力，這幾片透鏡反復(fù)裝配的結(jié)果都不理想。

為了提高裝調(diào)效率，利用36項(xiàng)ZERNIKE系數(shù)來(lái)表征光學(xué)元件面形誤差，進(jìn)行精確仿真計(jì)算，組件裝配后的透鏡1、4、9、12面形誤差對(duì)MTF的影響如圖2所示。

圖2 透鏡面形誤差對(duì)MTF影響Fig.2 Effect of surface figure error on MTF

由上圖得出：透鏡4的面形誤差對(duì)MTF影響最明顯，因此在組件裝配時(shí)著重控制了透鏡4的面形誤差，使其對(duì)MTF影響很小。將最后控制的各光學(xué)元件面形誤差代入模型計(jì)算，全譜段各視場(chǎng)MTF均值為0.631。

2.2 光學(xué)元件偏心誤差分析與控制

光學(xué)元件偏心誤差控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)所有光學(xué)元件的光軸一致性，調(diào)整過(guò)程產(chǎn)生的平移、傾斜誤差即偏心誤差，所帶來(lái)的非對(duì)稱(chēng)像差是造成光學(xué)系統(tǒng)性能下降的最主要原因，所以調(diào)整偏心是整個(gè)鏡頭裝調(diào)過(guò)程中最重要的環(huán)節(jié)。偏心誤差測(cè)量原理如圖3所示，偏心角秒計(jì)算式如下：

式中：d為CCD觀測(cè)到的偏心線(xiàn)量；fHEAD為中心偏測(cè)量?jī)x目鏡焦距；fACM為測(cè)量?jī)x物鏡焦距；rSAMPLE為被測(cè)光學(xué)元件曲率半徑。傳統(tǒng)的裝調(diào)工藝控制偏心是用單個(gè)光學(xué)表面偏心角秒為評(píng)價(jià)指標(biāo)，不區(qū)分平移和傾斜誤差。但是從上式可以看出，偏心角秒與光學(xué)表面曲率半徑成反比，所以這樣的控制方法對(duì)于小曲率半徑的光學(xué)元件會(huì)遇到困難。問(wèn)題本質(zhì)是以偏心角秒評(píng)價(jià)不能區(qū)分平移和傾斜誤差。對(duì)此在圖1光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)中引入方位誤差在線(xiàn)分離評(píng)價(jià)方法，即測(cè)量單個(gè)光學(xué)表面偏心角秒后計(jì)算光學(xué)元件的光軸偏差，區(qū)分平移和傾斜誤差，使測(cè)試過(guò)程與光學(xué)設(shè)計(jì)形成精確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于透鏡偏心誤差的高精度測(cè)量。

在改進(jìn)評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)上，保證各光學(xué)元件的偏心公差仍然相當(dāng)困難。小口徑透鏡對(duì)傾斜誤差特別敏感，而且裝配時(shí)鏡框受力變形就能造成傾斜角度的迅速改變。針對(duì)偏心誤差進(jìn)行仿真計(jì)算，如口徑很小的透鏡3、4、膠合鏡（5、6），以及2個(gè)光學(xué)表面近似同心的透鏡9，計(jì)算結(jié)果如圖5、6。

圖3 中心偏測(cè)量?jī)x測(cè)量光路Fig.3 Light path of ecentric error measurement

圖4 平移誤差對(duì)MTF影響Fig.4 Effect of translation error on MTF

圖5 傾斜誤差對(duì)MTF影響Fig.5 Effect of tilt on MTF

圖4、5表明透鏡3、4、膠合鏡的偏心對(duì) MTF影響明顯，因此在實(shí)際裝調(diào)中嚴(yán)格控制了這幾項(xiàng)，并采用偏心誤差相互補(bǔ)償?shù)目刂品椒?，例如精確調(diào)整透鏡4的偏心方位，來(lái)補(bǔ)償透鏡3的偏心造成的像差。裝調(diào)后將各透鏡的偏心誤差代入光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算，全譜段各視場(chǎng)MTF均值為0.621。

2.3 光學(xué)元件鏡間距誤差分析與控制

鏡間距超差過(guò)多將造成光學(xué)系統(tǒng)球差過(guò)大。本文涉及的光學(xué)系統(tǒng)鏡間距公差只有±0.005±0.01mm。由于鏡間距的測(cè)量必須以偏心誤差合格為前提，要實(shí)現(xiàn)±0.005mm的公差也許要反復(fù)多日。針對(duì)系統(tǒng)中鏡間距在2mm以?xún)?nèi)的透鏡進(jìn)行仿真計(jì)算，如圖6所示。

圖6數(shù)據(jù)說(shuō)明透鏡4、5、7、8之間的鏡間距至關(guān)重要，所以在裝調(diào)時(shí)重點(diǎn)保證，裝調(diào)后鏡間距誤差分別為＋0.004mm和－0.003mm。對(duì)其余鏡間距也采取了互相補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行控制，正負(fù)互補(bǔ)。將系統(tǒng)所有實(shí)測(cè)鏡間距結(jié)合已有的面形誤差、偏心誤差進(jìn)行仿真計(jì)算，得到全譜段各視場(chǎng)MTF均值為0.61，對(duì)應(yīng)632.8nm波長(zhǎng)的各視場(chǎng)波前仿真干涉圖如圖7與圖8所示。

裝調(diào)完成后用干涉儀實(shí)測(cè)各視場(chǎng)干涉圖如下，全譜段各視場(chǎng)實(shí)測(cè)MTF均值為0.603，與仿真結(jié)果基本一致。

圖6 鏡間距誤差對(duì)MTF影響Fig.6 Effect of mirror spacing on image MTF

圖7 仿真干涉圖Fig.7 Simulation of wavefront interferogram

圖8 實(shí)測(cè)干涉圖Fig.8 Tested wavefront interferogram

3 總結(jié)

本文針對(duì)傳統(tǒng)裝調(diào)公差分配及控制方法不能滿(mǎn)足小口徑高精度折射式光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)精度和周期的問(wèn)題，提出將光學(xué)設(shè)計(jì)和裝調(diào)實(shí)踐相結(jié)合，對(duì)裝調(diào)公差進(jìn)行再分配和補(bǔ)償，然后結(jié)合實(shí)例說(shuō)明該方法在實(shí)際裝調(diào)中的應(yīng)用，對(duì)裝調(diào)公差的分析，以及測(cè)量控制方法的改進(jìn)。裝調(diào)結(jié)果表明了所應(yīng)用的裝調(diào)分配原則和測(cè)量控制方法能夠滿(mǎn)足精度和周期的要求，并適用于其他小口徑高精度折射式光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)。

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