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        五棱鏡面形誤差對(duì)中心入射光線的轉(zhuǎn)向角影響

        2021-10-27 01:10:00溫中凱徐明明張慶君李爽
        關(guān)鍵詞:面形計(jì)算精度棱鏡

        溫中凱,徐明明,張慶君,*,李爽

        1. 南京航空航天大學(xué) 航天學(xué)院,南京 211106 2. 中國(guó)空間技術(shù)研究院 遙感衛(wèi)星總體部,北京 100094

        1 引言

        五棱鏡具有使光軸恒轉(zhuǎn)90°且不產(chǎn)生鏡像的光學(xué)特性,在理論設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用中的使用十分廣泛。國(guó)內(nèi)方面,文獻(xiàn)[1-2]利用五棱鏡進(jìn)行多光譜光學(xué)系統(tǒng)的光軸平行性標(biāo)校;文獻(xiàn)[3-4]利用五棱鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)大口徑平面鏡的面形檢測(cè);文獻(xiàn)[5-6]利用五棱鏡進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的波前檢測(cè)等。國(guó)外方面,文獻(xiàn)[7]利用五棱鏡實(shí)現(xiàn)線性光學(xué)量子CNOT門的設(shè)計(jì);文獻(xiàn)[8]利用五棱鏡實(shí)現(xiàn)對(duì)大型光學(xué)表面的原位測(cè)量;文獻(xiàn)[9]利用五棱鏡實(shí)現(xiàn)快速、高精度的表面坡度測(cè)量等。在空間光電跟瞄系統(tǒng)的多光軸平行性標(biāo)校中,常利用五棱鏡將目標(biāo)靶和CCD分別定位在平行光管的焦面和共軛焦面處,以檢測(cè)主動(dòng)式發(fā)射系統(tǒng)與被動(dòng)式接收系統(tǒng)的光軸平行性。而五棱鏡制造誤差的存在將破壞其垂直折轉(zhuǎn)特性,引起出射光線的轉(zhuǎn)向角偏差,從而影響多光軸平行性的檢測(cè)精度。因此,有必要對(duì)五棱鏡進(jìn)行誤差分析以便對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正。

        目前,對(duì)五棱鏡誤差分析的研究多集中在角度制造誤差、垂直度誤差和姿態(tài)誤差的影響上,對(duì)面形誤差影響的研究較少。如文獻(xiàn)[10-13]對(duì)五棱鏡角度制造誤差的研究,文獻(xiàn)[14-15]對(duì)五棱鏡垂直度誤差的研究,文獻(xiàn)[16-20]對(duì)五棱鏡姿態(tài)誤差的研究等,均未涉及對(duì)五棱鏡面形誤差影響的研究。此外,面形誤差的綜合影響十分復(fù)雜,需要提出一種降低其研究復(fù)雜度的方法。

        本文在五棱鏡不規(guī)則度較小的前提下,利用最佳擬合球面的矢量高度Power適當(dāng)簡(jiǎn)化其工作面模型,提出了一種研究五棱鏡面形誤差對(duì)出射光線轉(zhuǎn)向角影響的新方法。在保證計(jì)算精度的前提下,降低了出射光線轉(zhuǎn)向角誤差數(shù)據(jù)的維度,推導(dǎo)出了轉(zhuǎn)向角誤差的降維計(jì)算公式。利用該公式計(jì)算主截面方向上轉(zhuǎn)向角誤差的最大相對(duì)誤差為2.14%,最大相對(duì)誤差低于1.23%的數(shù)據(jù)占全部計(jì)算數(shù)據(jù)的99%以上,且計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試平均值的偏差在±0.25″以內(nèi);計(jì)算垂直于主截面方向上轉(zhuǎn)向角誤差的最大相對(duì)誤差僅有0.31%,且計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試平均值的偏差在±0.15″以內(nèi)。

        2 出射光線轉(zhuǎn)向角求解

        2.1 建立空間分析坐標(biāo)系

        圖1 五棱鏡光路Fig.1 Light path map of pentaprism

        2.2 面形誤差的判定方法

        傳統(tǒng)檢測(cè)光學(xué)平面面形的方法是光學(xué)樣板法,使用光圈數(shù)N與局部光圈數(shù)ΔN來(lái)衡量面形質(zhì)量的高低。由于光圈形狀的多樣性、光圈檢查的復(fù)雜性,檢驗(yàn)員只能憑借經(jīng)驗(yàn)對(duì)干涉圖形進(jìn)行判斷。隨著光學(xué)表面檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展,特別是數(shù)字型激光干涉儀的出現(xiàn),使得光學(xué)零件表面面形誤差的精密測(cè)量得以實(shí)現(xiàn)。利用這種干涉測(cè)量設(shè)備測(cè)出的干涉圖形,使用峰谷值PV、均方根值RMS和Power作為衡量面形誤差的數(shù)字化指標(biāo),能精確評(píng)估面形誤差。

        當(dāng)前航天應(yīng)用中使用的五棱鏡各工作面不規(guī)則度很小,即有ΔN≈2|PV-Power|≈0,而Power≠0。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),該情況下可用最佳擬合球面的矢高Power表示工作面面形和理想平面波前的光焦度偏差,代替PV與RMS作為衡量面形誤差的數(shù)字化指標(biāo),從而將工作面適當(dāng)簡(jiǎn)化成球面以分析其對(duì)出射光線轉(zhuǎn)向角的影響。

        2.3 求解出射光線轉(zhuǎn)向角

        如圖2所示,在圖1基礎(chǔ)上給五棱鏡各工作面添加用Power定義的面形誤差,設(shè)添加面形誤差后的五棱鏡各工作面為PS(S=1,2,3,4),PS與光線的交點(diǎn)為AS(ASX,ASY,ASZ,),PS在點(diǎn)AS處的單位法向量為NS,此時(shí)各光線的單位方向向量分別為R1(x1,y1,z1) ~R5(x5,y5,z5)。

        圖2中L為干涉儀檢測(cè)區(qū)域口徑,|r|為該檢測(cè)區(qū)域曲率半徑。Power的符號(hào)與干涉儀的檢測(cè)方式有關(guān),本文設(shè)定Power>0時(shí),工作面凹向介質(zhì),Power<0時(shí),工作面凸向空氣,且令r與Power同號(hào),則由幾何關(guān)系可得

        圖2 面形誤差分析模型Fig.2 Surface error analysis model

        (1)

        (2)

        (3)

        式中:φ2=φ3=φ4=-φ1=1。

        在實(shí)際應(yīng)用中,入射點(diǎn)A1(A1X,A1Y,A1Z)較易測(cè)量的參數(shù)是A1Y和A1Z,則A1X的計(jì)算公式為:

        A1X=O1X+sgn(r1)·

        (4)

        根據(jù)空間解析幾何[21]、折射定律與反射定律[22-23]以及式(1)~(4)推導(dǎo)可得出射光線求解公式如下:

        (5)

        光線在五棱鏡主截面即XOY方向的轉(zhuǎn)向角為

        (6)

        角度符號(hào)定義為:逆著Z軸的方向在五棱鏡主截面方向上觀察,入射光線在180°以內(nèi)轉(zhuǎn)向出射光線,順指針轉(zhuǎn)動(dòng)為正,逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為負(fù)。

        光線在垂直于五棱鏡主截面方向上的轉(zhuǎn)向角為

        θZ=arcsinz5-arcsinz1

        (7)

        角度符號(hào)定義為:以XOY面為底,并設(shè)Z軸正方向?yàn)樯希诖怪庇谖謇忡R主截面方向上觀察,入射光線在180°以內(nèi)轉(zhuǎn)向出射光線,向上轉(zhuǎn)動(dòng)為正,向下轉(zhuǎn)動(dòng)為負(fù)。

        設(shè)五棱鏡面形誤差所造成出射光線在主截面方向上的轉(zhuǎn)向角誤差為ΔθXOY,在垂直于主截面方向上的轉(zhuǎn)向角誤差為ΔθZ,則有

        (8)

        3 轉(zhuǎn)向角誤差的降維分析

        3.1 五棱鏡初始參數(shù)設(shè)置

        3.2 五棱鏡典型應(yīng)用場(chǎng)景分析

        五棱鏡常用來(lái)對(duì)光線進(jìn)行垂直折轉(zhuǎn),其典型應(yīng)用場(chǎng)景之一便是光線以一定入射角從入射面中心區(qū)域入射。本文用入射角I和入射方向ω兩個(gè)變量來(lái)定義入射光線的單位方向向量。如圖3所示,紅色矢量是入射光線的單位方向向量,藍(lán)色矢量是其在YOZ面上的投影,兩矢量所構(gòu)成的平面與XOY面間的二面角便是ω,其符號(hào)定義為:右手握住X軸,大拇指指向X軸正向,那么四指的指向就是ω的旋轉(zhuǎn)方向。

        圖3 入射向量示意Fig.3 Schematic diagram of incident vector

        由式(5)~(8)可知,五棱鏡出射光線轉(zhuǎn)向角誤差受入射角I、入射方向ω和4個(gè)工作面Power的共同作用。本文以0.01°為間隔將I從0°取到5°,以1°為間隔將ω從0°取到360°,以0.001λ為間隔分別將Power1~Power4從-0.5λ取到0.5λ,共約1.8×1017個(gè)組合,每個(gè)組合分別計(jì)算ΔθXOY和ΔθZ,共約3.6×1017項(xiàng)7維數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)形式如下:

        (9)

        式中:Power1~Power4分別用Pr1~Pr4表示。顯然6個(gè)變量對(duì)轉(zhuǎn)向角誤差的影響不是獨(dú)立的,而是存在相互影響關(guān)系,分析該類7維數(shù)據(jù)將占用巨大的計(jì)算資源。為解決該問題,需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維從而去除各變量間的相互關(guān)聯(lián)。對(duì)計(jì)算數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn),若適當(dāng)舍棄部分計(jì)算精度,便可拆解4個(gè)面Power的關(guān)聯(lián)性,從而得到以下近似:

        (10)

        式中:ΔθSXOY和ΔθSZ分別為只有PS存在面形誤差而其他面為理想平面時(shí)主截面方向和垂直于主截面方向的轉(zhuǎn)向角誤差,S=1,2,3,4。式(10)的計(jì)算精度如表1所示。

        表1 式(10)計(jì)算精度統(tǒng)計(jì)表

        式(10)和表1表明,將五棱鏡面形誤差對(duì)出射光線轉(zhuǎn)向角誤差的綜合影響轉(zhuǎn)換為各工作面單獨(dú)對(duì)轉(zhuǎn)向角誤差的影響是完全可行的,即可將每一個(gè)7維數(shù)據(jù)的計(jì)算轉(zhuǎn)換成4個(gè)4維數(shù)據(jù)的計(jì)算。

        通過對(duì)不同入射角I下ΔθSXOY和ΔθSZ的圖像進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn),無(wú)論入射角I為何值,對(duì)應(yīng)的ΔθSXOY和ΔθSZ均擁有相同的形狀和相同的變化趨勢(shì),且不同入射角I對(duì)應(yīng)的ΔθSXOY和ΔθSZ存在明顯的倍數(shù)關(guān)系,故本文合理假設(shè):當(dāng)入射角I變?yōu)镵I,而其他參數(shù)保持不變時(shí),ΔθSXOY和ΔθSZ近似變?yōu)镵ΔθSXOY和KΔθSZ。如I=1°和I=3°時(shí),各工作面Power和光線入射方向ω影響下的轉(zhuǎn)向角誤差的數(shù)值變化分別如圖4和圖5所示。根據(jù)計(jì)算,當(dāng)光線從入射面中心入射時(shí),P1的面形誤差幾乎不產(chǎn)生任何轉(zhuǎn)向角誤差,故圖4和圖5中省略了有關(guān)P1的數(shù)據(jù)。

        圖4 I = 1°時(shí)轉(zhuǎn)向角誤差數(shù)值變化趨勢(shì)Fig.4 Numerical variation trend of steering angle error when I=1°

        圖5 I = 3°時(shí)轉(zhuǎn)向角誤差數(shù)值變化趨勢(shì)Fig.5 Numerical variation trend of steering angle error when I=3°

        通過計(jì)算可得該假設(shè)方法在I= 3°作為對(duì)比基準(zhǔn)時(shí)的計(jì)算精度如表2所示。

        表2 近似方法計(jì)算精度統(tǒng)計(jì)

        由表2可知該方法完全可行,即可通過舍棄部分計(jì)算精度將7維數(shù)據(jù)中入射角I的影響除去,結(jié)合式(10)便可將6個(gè)非獨(dú)立隨機(jī)變量影響下的7維數(shù)據(jù)的計(jì)算分析問題轉(zhuǎn)換為各工作面Power和光線入射方向ω影響下的3維數(shù)據(jù)的計(jì)算分析問題。

        由圖4和圖5知,當(dāng)PowerS(S=1,2,3,4)分別為定值時(shí),轉(zhuǎn)向角誤差與ω近似成正弦或余弦關(guān)系,近似計(jì)算如下:

        (11)

        式中:幅值A(chǔ)SXOY和ASZ分別由該P(yáng)owerS下ΔθSXOY和ΔθSZ波峰或波谷處的取值確定,且式(11)的計(jì)算精度如表3所示。

        表3 式(11)計(jì)算精度統(tǒng)計(jì)

        當(dāng)ω為定值時(shí),轉(zhuǎn)向角誤差與PowerS(S=1,2,3,4)近似成線性關(guān)系,且近似計(jì)算如下:

        (12)

        式中:斜率KSXOY和KSZ分別由該ω下ΔθSXOY和ΔθSZ在PowerS= ±0.5λ處的取值確定,式(12)的計(jì)算精度如表4所示。

        由表3和表4可知,3維數(shù)據(jù)可進(jìn)一步去除Power和ω的相互影響,從而完全去除影響出射光線轉(zhuǎn)向角誤差的6個(gè)非獨(dú)立隨機(jī)變量間的相互關(guān)聯(lián)。由式(10)~(12)以及表2中的近似方法可得ΔθXOY和ΔθZ的降維計(jì)算公式為:

        表4 式(12)計(jì)算精度統(tǒng)計(jì)

        (13)

        式中:Power以λ為單位,I和ω均以度為單位,且降維公式的計(jì)算精度如表5所示。

        表5 降維公式計(jì)算精度統(tǒng)計(jì)表

        由表5可知,降維公式的計(jì)算誤差和最大相對(duì)誤差均較小,且進(jìn)一步分析可知,應(yīng)用降維公式計(jì)算ΔθXOY的最大相對(duì)誤差低于1.23%的數(shù)據(jù)占全部計(jì)算數(shù)據(jù)的99%以上。此外,由式(13)可知,只需五棱鏡各工作面的Power值配置合理,便可減小甚至消除五棱鏡面形誤差對(duì)出射光線轉(zhuǎn)向角的影響。

        4 試驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果

        如圖6所示,將五棱鏡固定在高精度調(diào)整平臺(tái)上并放置在干涉儀前,干涉儀發(fā)出的632.8 nm波段的平行光束一部分經(jīng)五棱鏡入射面反射,另一部分經(jīng)五棱鏡到達(dá)經(jīng)緯儀。保持五棱鏡固定,將入射面反射像的干涉條紋調(diào)整至一個(gè)條紋以內(nèi),用經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)干涉儀光軸,將此時(shí)經(jīng)緯儀的讀數(shù)清零,保持經(jīng)緯儀不動(dòng),用其瞄準(zhǔn)經(jīng)五棱鏡折轉(zhuǎn)后的光束光軸,并記錄讀數(shù),該讀數(shù)為干涉儀正入射時(shí)的轉(zhuǎn)角,可通過該值計(jì)算五棱鏡角度制造誤差的影響。轉(zhuǎn)動(dòng)高精度調(diào)整平臺(tái),即可測(cè)試平行光束的光軸變化。此外,在五棱鏡入射面前放置一個(gè)可移動(dòng)并且可以調(diào)節(jié)口徑大小的小孔光闌,從而確保平行光束從入射面中心入射。對(duì)入射光線的每一種入射角I和光線入射方向ω下的五棱鏡均重復(fù)進(jìn)行100次測(cè)試,對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)修正以去除五棱鏡角度制造誤差的影響,并取平均值作為最終測(cè)試結(jié)果。

        圖6 試驗(yàn)裝置Fig.6 Experimental devices

        將降維公式的計(jì)算結(jié)果與最終測(cè)試結(jié)果的偏差絕對(duì)值整理成表6和表7,由于0~180°與180°~360°之間的數(shù)據(jù)存在對(duì)稱相似現(xiàn)象,故表中省略了180°~360°的數(shù)據(jù),且表中第一列為入射方向ω的數(shù)據(jù),表中第一行為入射角I的數(shù)據(jù),表中其余部分為相應(yīng)轉(zhuǎn)向角誤差ΔθXOY和ΔθZ的偏差絕對(duì)值數(shù)據(jù)。

        將表6和表7的試驗(yàn)結(jié)果與降維計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果對(duì)比后發(fā)現(xiàn):主截面方向和垂直于主截面方向上轉(zhuǎn)向角誤差的試驗(yàn)測(cè)試平均值與降維公式計(jì)算值的偏差分別在±0.25″和±0.15″以內(nèi),這是完全可以接受的。

        表6 降維公式計(jì)算結(jié)果與主截面方向測(cè)試結(jié)果偏差

        表7 降維公式計(jì)算結(jié)果與垂直于主截面方向測(cè)試結(jié)果偏差

        5 結(jié)論

        針對(duì)五棱鏡面形誤差造成出射光線轉(zhuǎn)向角誤差的問題,本文通過適當(dāng)簡(jiǎn)化模型,將影響出射光線轉(zhuǎn)向角誤差的因素限定在了6個(gè)非獨(dú)立隨機(jī)變量的共同作用上,并通過降維分析去除了6個(gè)變量間的相互關(guān)聯(lián),推導(dǎo)出了降維后的出射光線轉(zhuǎn)向角誤差計(jì)算公式,并得出以下結(jié)論:

        1)保證光線從入射面中心區(qū)域入射可消除五棱鏡入射面面形誤差對(duì)出射光線轉(zhuǎn)向角的影響。

        2)光線入射角越大,面形誤差造成的出射光線轉(zhuǎn)向角誤差越大,故光線垂直于入射面入射可降低五棱鏡面形誤差對(duì)出射光線轉(zhuǎn)向角的影響。

        3)五棱鏡精度越高,面形誤差造成的轉(zhuǎn)向角誤差越小,但成本也越高。由降維公式分析可知,對(duì)主截面方向轉(zhuǎn)向角精度要求較高的情況,只需選用0.881 8·Pr2+1.611 5·Pr3+0.423 2·Pr4最小的五棱鏡便可減小面形誤差的影響,從而用低精度五棱鏡實(shí)現(xiàn)高精度五棱鏡的效果;對(duì)垂直于主截面方向轉(zhuǎn)向角精度要求較高的情況,只需選用0.748 8·Pr2+1.369 2·Pr3+0.423 2·Pr4最小的五棱鏡便可減小面形誤差的影響,從而用低精度五棱鏡實(shí)現(xiàn)高精度五棱鏡的效果。

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