用于折反式紅外光學(xué)系統(tǒng)的輔助裝調(diào)鏡設(shè)計(jì)

胡 博，楊子建，陳 姣，高 婧，騰國(guó)奇，張 博，于 躍

(西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

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用于折反式紅外光學(xué)系統(tǒng)的輔助裝調(diào)鏡設(shè)計(jì)

胡 博，楊子建，陳 姣，高 婧，騰國(guó)奇，張 博，于 躍

(西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

針對(duì)大口徑折反射紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中正主、次鏡的像差為單獨(dú)校正，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度調(diào)試的問(wèn)題，提出設(shè)計(jì)一套可見(jiàn)光波段輔助裝調(diào)鏡的方法，輔助鏡用于補(bǔ)償主次鏡之間的像差，完成高精度裝調(diào)。輔助透鏡研制過(guò)程中，嚴(yán)格控制加工精度，減少對(duì)系統(tǒng)精度的影響。采用ZYGO干涉儀對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試，波像差實(shí)際值為0.3λ，設(shè)計(jì)值0.14λ。最后，更換中繼透鏡組，光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量達(dá)到紅外搜索跟蹤系統(tǒng)的要求。

紅外光學(xué)系統(tǒng)；輔助透鏡；光學(xué)設(shè)計(jì)；裝調(diào)

引言

紅外搜索跟蹤系統(tǒng)是一種采用被動(dòng)方式工作的成像探測(cè)設(shè)備，具有隱蔽性好，不怕電子干擾，精度高，而且具有一定的穿透煙、霧、霾、雪以及識(shí)別偽裝的能力，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離-全天候觀察，尤其適用于夜間及不良?xì)庀髼l件下的目標(biāo)探測(cè)[1-3]。為提高光學(xué)系統(tǒng)的探測(cè)距離，大口徑長(zhǎng)焦距紅外光學(xué)系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。受限于紅外光學(xué)材料的影響，大口徑光學(xué)系統(tǒng)往往采用折反射光學(xué)結(jié)構(gòu)。折反式紅外系統(tǒng)采取反射物鏡加折射中繼透鏡組形式，反射式物鏡在裝調(diào)時(shí)精確要求高，公差嚴(yán)格。在設(shè)計(jì)階段往往考慮整個(gè)系統(tǒng)的像差校正，反射物鏡沒(méi)有單獨(dú)校正像差，特別是針對(duì)紅外系統(tǒng)，當(dāng)不具備紅外測(cè)試設(shè)備時(shí), 無(wú)法對(duì)整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)展相應(yīng)的高精度調(diào)試[4]。

基于以上問(wèn)題，本文提出設(shè)計(jì)輔助裝調(diào)組的思路，根據(jù)待調(diào)系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)配套使用的輔助鏡，該輔助鏡設(shè)計(jì)為可見(jiàn)光波段，利用干涉儀實(shí)現(xiàn)紅外主、次鏡的高精度裝調(diào)，最終保證整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的性能。

1 光學(xué)系統(tǒng)及調(diào)試方案

1.1 光學(xué)搜索系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采用折反射光學(xué)系統(tǒng)，具體指標(biāo)見(jiàn)表1所示，具體的光路仿真如圖1所示。設(shè)計(jì)中采用卡塞格林反射式物鏡加中繼透鏡組的光學(xué)結(jié)構(gòu)，保證光闌100%匹配，抑制系統(tǒng)雜散光。主次鏡均為二次曲面，中繼透鏡組均為球面透鏡，有利于光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)。在-40°～50°溫度范圍內(nèi)，利用中繼透鏡組中的單透鏡軸向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)焦功能。

表1 光學(xué)數(shù)據(jù)

圖1 紅外光學(xué)系統(tǒng)圖Fig.1 Infrared optical system

1.2 輔助裝調(diào)思路

紅外搜索光學(xué)系統(tǒng)由主、次鏡及中繼透鏡組成，針對(duì)此類(lèi)型的系統(tǒng)裝調(diào)，一般分為2個(gè)部分：1) 主、次反射鏡裝調(diào)；2) 中繼鏡組裝調(diào)。完成相應(yīng)部分的裝調(diào)后，將整個(gè)系統(tǒng)連接起來(lái)，進(jìn)行整體的調(diào)試。

中繼鏡組裝調(diào)時(shí)，采用中心偏測(cè)量?jī)x、深度尺、電子測(cè)厚儀等設(shè)備，保證透鏡之間的間隔、光軸共軸性滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)[5-6]。

主次鏡裝調(diào)時(shí)，由于設(shè)計(jì)過(guò)程中主、次鏡像差未單獨(dú)校正，像差過(guò)大導(dǎo)致無(wú)法使用干涉儀進(jìn)行調(diào)試。干涉儀工作波段為可見(jiàn)光范圍，也無(wú)法將中繼透鏡連接起來(lái)組合調(diào)試。針對(duì)這種情況，文章提出設(shè)計(jì)一組可見(jiàn)光輔助裝調(diào)鏡，利用可見(jiàn)光鏡組補(bǔ)償主、次鏡像差，使組合系統(tǒng)的成像質(zhì)量良好，達(dá)到使用ZYGO干涉儀進(jìn)行調(diào)試的狀態(tài)。完成主、次鏡調(diào)試后，用中繼透鏡替換輔助鏡，最終完成整個(gè)系統(tǒng)的裝調(diào)。

由于長(zhǎng)波紅外是可見(jiàn)光波長(zhǎng)的(10～15)倍，波像差評(píng)價(jià)時(shí)基于可見(jiàn)光工作波段，當(dāng)轉(zhuǎn)換到長(zhǎng)波紅外工作波段時(shí)，其數(shù)據(jù)精度將提升(10～15)倍，理論分析完全滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

2 輔助鏡組設(shè)計(jì)

2.1 調(diào)試原理

利用干涉儀進(jìn)行主、次鏡裝調(diào)如圖2所示。首先將主、次鏡同輔助透鏡聯(lián)合成組合系統(tǒng)，然后將待測(cè)系統(tǒng)、干涉儀、平面反射鏡組成圖2調(diào)試光路，調(diào)節(jié)次鏡軸向位置、傾斜，以輔助鏡組作為中間傳遞環(huán)節(jié)，以波像差數(shù)據(jù)作為評(píng)價(jià)依據(jù)開(kāi)展主、次鏡高精度調(diào)試[7]。

圖2 系統(tǒng)測(cè)試圖Fig.2 Alignment diagram of system

2.2 輔助鏡組設(shè)計(jì)

根據(jù)上述調(diào)試方法，要求組合系統(tǒng)的光路應(yīng)該涵蓋主鏡全口徑，并且光機(jī)結(jié)構(gòu)不能同測(cè)試儀器發(fā)生干涉。除此外，輔助鏡組在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮以下6點(diǎn)：

1) 輔助鏡組的光學(xué)元件數(shù)量盡可能少；

2) 設(shè)計(jì)時(shí)考慮軸上視場(chǎng)；

3) 光路覆蓋組合系統(tǒng)全口徑；

4) 同干涉儀工作波段保持一致(單波長(zhǎng))；

5) 嚴(yán)格控制輔助鏡的光學(xué)性能；

6) 嚴(yán)格控制輔助鏡的安裝位置精度。

基于上述要求，本文完成了可見(jiàn)光輔助鏡組的設(shè)計(jì)，具體的設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表2所示，組合系統(tǒng)光路見(jiàn)圖3所示。輔助鏡組由3片透鏡組成，材料采用普通的ZF6。設(shè)計(jì)圖紙對(duì)光學(xué)零件參數(shù)提出高要求，也對(duì)透鏡之間的間隔公差提出嚴(yán)格要求，保證輔助鏡的精度。

表2 輔助系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)

圖3 光路系統(tǒng)圖Fig.3 Optical path of system

3 調(diào)試數(shù)據(jù)

基于實(shí)際加工的輔助透鏡，光機(jī)裝調(diào)模型如圖4所示。輔助鏡組的機(jī)械接口同中繼透鏡組的機(jī)械接口相同，以便調(diào)試結(jié)束后更換中繼透鏡組。

圖4 光機(jī)模型Fig.4 Opto-mechanical model

在實(shí)際的調(diào)試中，由于主鏡與鏡框存在安裝應(yīng)力，測(cè)試主鏡面型PV值達(dá)到1λ，對(duì)調(diào)試數(shù)據(jù)的PV值有較大影響[8]，組合系統(tǒng)波像差的設(shè)計(jì)和調(diào)試值見(jiàn)表3所示。完成調(diào)試后，更換了中繼透鏡組，對(duì)外界目標(biāo)進(jìn)行成像測(cè)試，圖像清晰，滿足使用要求。

表3 波像差數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

針對(duì)紅外光學(xué)系統(tǒng)，文章提出設(shè)計(jì)可見(jiàn)光輔助裝調(diào)鏡的思路，利用可見(jiàn)光鏡組補(bǔ)償主、次鏡像差，使組合系統(tǒng)的成像質(zhì)量良好，使用ZYGO干涉儀對(duì)組合系統(tǒng)調(diào)試，然后更換中繼透鏡組，解決了反射物鏡沒(méi)有單獨(dú)校正像差，調(diào)試時(shí)無(wú)法精確定位的問(wèn)題。該思路作為參考，可拓展到多光譜共光路光學(xué)系統(tǒng)中，對(duì)共用部分或者光路分光后的獨(dú)立光路，可采用輔助鏡的設(shè)計(jì)思路協(xié)助光機(jī)裝調(diào)，完成相關(guān)的調(diào)試工作。

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Assistant alignment lens design for catadioptric infrared optical system

Hu Bo, Yang Zijian, Chen Jiao, Gao Jing, Teng Guoqi, Zhang Bo, Yu Yue

(Xi’an Institute of Applied Optics,Xi’an 710065,China)

During the designing process for large diameter catadioptric infrared, the aberrations of primary and secondary mirrors are calibrated separately, which makes the precise alignment difficult. For this problem,an assistant alignment lens used for infrared optical system was designed, which could compensate the aberrations to accomplish system alignment with high-precision. The manufacture precision of assistant alignment lens was exactly controlled to reduce error caused by itself in manufacturing process.The designed wave aberration data of system is 0.14λ and the practical data is 0.3λ after operated using ZYGO interferometer. At last, the secondary imaging lens was used in stead of assistant alignment lens.The result shows that the image quality of the optical system can satisfy the demand of infrared search and tracking system.

infrared optical system；assistant lens；optical design； alignment

1002-2082(2015)06-0864-04

2015-08-13；

2015-10-09

胡博(1980-),男,陜西長(zhǎng)安人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

E-mail:hubo205@163.com

TN216

A

10.5768/JAO201536.0601008