折反式長波線陣紅外傳感器裝調(diào)技術(shù)

左曉舟，沈良吉，楊海成，惠剛陽，劉偉光，姜 峰，趙 瑋

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折反式長波線陣紅外傳感器裝調(diào)技術(shù)

左曉舟，沈良吉，楊海成，惠剛陽，劉偉光，姜 峰，趙 瑋

( 西安應(yīng)用光學(xué)研究所，西安 710065 )

針對折反式長波線陣紅外傳感器的探測距離遠(yuǎn)、大口徑小焦比、無法凝視成像等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與使用要求，提出了一種高精度、流程化、參量化的裝調(diào)技術(shù)，首先保證主反射鏡裝調(diào)后的面型精度，利用準(zhǔn)直光管與三坐標(biāo)測量機(jī)嚴(yán)格量化控制主、次鏡之間的光學(xué)間隔，然后通過波像差測試手段對主、次鏡的相對傾斜與徑向偏移進(jìn)行調(diào)校；再利用基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的方法，保證主、次鏡系統(tǒng)與中繼鏡組光軸一致；最后裝配線陣探測器，利用周掃工裝反射鏡，進(jìn)行像面與光軸的調(diào)校。文中介紹了裝調(diào)過程中采用的非球面激光定心、微應(yīng)力粘接裝配、中空主次鏡光學(xué)間隔調(diào)校、中繼鏡“逐片”定心、線陣探測器周視裝調(diào)等關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)果表明：運(yùn)用該技術(shù)裝調(diào)后，探測器MDTD可達(dá)到4 K，外場探測距離可達(dá)60 km以上，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

裝調(diào)；紅外傳感器；波像差；光學(xué)間隔；中心偏差

0 引 言

基于無源被動探測的紅外遠(yuǎn)程預(yù)警探測系統(tǒng)，是在光電成像、光機(jī)掃描、弱小目標(biāo)檢測等技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型防空探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備更高的搜索效率和更遠(yuǎn)的探測距離，可在全天時情況下提供大視場、高分辨的全景周視搜索圖像，對遠(yuǎn)程全空域范圍進(jìn)行搜索并對目標(biāo)實(shí)施探測、跟蹤和目標(biāo)威脅告警。

為了保證較高的紅外輻射接收能力和角分辨力，該型系統(tǒng)前端均需配備大口徑、長波段、小F數(shù)的紅外光學(xué)系統(tǒng)。而折反式長波紅外光學(xué)系統(tǒng)綜合了透射式系統(tǒng)F數(shù)小與同軸反射式系統(tǒng)透過率高、重量輕的優(yōu)勢，很適合運(yùn)用于遠(yuǎn)程紅外預(yù)警探測系統(tǒng)中。相較于普通熱像儀，折反式長波線陣紅外傳感器對裝調(diào)精度提出了更高的要求，需要對卡賽格林反射式物鏡系統(tǒng)、中繼成像系統(tǒng)、線陣探測器等分別進(jìn)行嚴(yán)格的過程控制，同時考慮各環(huán)節(jié)之間的集成與聯(lián)調(diào)。本文介紹了一種高精度、流程化、參量化的折反式長波線陣紅外傳感器裝調(diào)技術(shù)，并對其涉及的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述，最終保證紅外傳感器系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

1 裝調(diào)技術(shù)原理

圖1所示為折反式長波紅外傳感器的光機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖，拋物面主反射鏡與雙曲面次反射鏡構(gòu)成卡賽格林反射式物鏡系統(tǒng)，一次像面通過中繼透鏡后成像于線陣探測器上。

圖1 長波紅外傳感器示意圖

通過Zemax分析，卡賽格林物鏡組對傳感器系統(tǒng)的像差貢獻(xiàn)權(quán)重最大，其中主反射鏡的焦比達(dá)到0.73，且具有較高的非球面度，對中心偏差與光學(xué)間隔誤差都極其敏感，需要在裝調(diào)時進(jìn)行嚴(yán)格的控制[1]，同時中繼鏡組組合光軸與主、次鏡系統(tǒng)光軸的偏心誤差也會對像質(zhì)帶來影響。表1、表2分別給出了主反射鏡的偏心誤差以及中繼鏡組相對主、次鏡的偏心誤差對系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響分析。

表1 主反射鏡偏心誤差對系統(tǒng)波前誤差與MTF 的影響

Table 1 Effect of primary-mirror's centering errors on wavefront and MTF

表2 中繼鏡組偏心誤差對系統(tǒng)波前誤差與MTF 的影響

Table 2 Effect of relay lens's centering errors on wavefront and MTF

從表中可看出，主鏡的傾斜誤差達(dá)到20″、平移誤差達(dá)到0.02 mm時，系統(tǒng)的波前誤差PV值由0.077 8上升至/4以上，MTF也由衍射極限下降了9.5%；而相對于主鏡，中繼鏡組對偏心誤差的允差較寬松，可適當(dāng)依靠金工基準(zhǔn)件的加工精度保證。

根據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與上述分析，制定了卡賽格林式長波紅外線陣傳感器的裝調(diào)工藝流程，見圖2。首先以主鏡光軸為基準(zhǔn)，保證主鏡組件中的外圓基準(zhǔn)與光軸重合、端面基準(zhǔn)與光軸垂直；其次進(jìn)行主次鏡的集成裝配，利用三坐標(biāo)測量儀精確保證主次鏡之間的光學(xué)間隔；然后在zygo干涉儀測試主、次鏡系統(tǒng)的波像差[2]，對主、次鏡之間的中心偏差進(jìn)行嚴(yán)格校正，由于產(chǎn)品工作在長波紅外波段，因此設(shè)計(jì)了專用可見光波段工裝鏡頭，實(shí)現(xiàn)波像差的準(zhǔn)確測試。中繼鏡組分別采用“逐片定心”的工藝方法，保證其光軸與中繼鏡筒機(jī)械基準(zhǔn)之間的形位公差，通過基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，保證主次鏡系統(tǒng)與中繼鏡組光軸一致。最后裝配線陣探測器，利用周掃工裝反射鏡，進(jìn)行像面與光軸的調(diào)校。

圖2 裝調(diào)工藝流程圖

2 裝調(diào)工藝過程

2.1 主鏡的微應(yīng)力定心裝調(diào)

主反射鏡為φ279 mm拋物面鏡，焦比達(dá)到0.73，且具有較高的非球面度，裝調(diào)后的面型精度及中心偏差均會對系統(tǒng)成像質(zhì)量帶來較大的影響[3]。主鏡組件的光機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 主反射鏡組件示意圖

對于非球面鏡而言，傳統(tǒng)的球心反射像定心法無法找到非球面元件真正的光軸——回轉(zhuǎn)對稱軸[4]，為了提高主鏡的裝配定心精度，采用了激光定心的方法，保證主鏡光軸與主鏡框基準(zhǔn)的形位公差，為后續(xù)的裝調(diào)提供基準(zhǔn)。

為了避免主鏡鏡面與金工件直接接觸帶來的局部應(yīng)力集中，結(jié)構(gòu)上采用了膠粘固定的安裝方式。粘接裝配時需要優(yōu)化考慮粘接厚度、具體粘接位置以及粘接范圍，確保產(chǎn)品在滿足沖擊試驗(yàn)下強(qiáng)度要求的同時，在粘接劑固化以及溫度變化過程中對主鏡帶來較小的應(yīng)力，盡可能的減小裝配對主鏡面型精度的影響。

兩零件粘接面所能承受的沖擊加速度[5]為

其中：為粘接面的面積；為粘接劑的抗剪強(qiáng)度；為被粘接件的質(zhì)量；為安全系數(shù)，金工件與光學(xué)件粘接時該值取4。根據(jù)產(chǎn)品制造與驗(yàn)收規(guī)范中規(guī)定的沖擊加速度要求，可以得出主反射鏡粘接所需的最小粘接面積。

當(dāng)溫度變化時，為使光學(xué)件內(nèi)產(chǎn)生零應(yīng)力狀態(tài)，光學(xué)件與金工件之間的最佳粘合劑厚度為[6]

圖4 主反射鏡粘接固化后的面型檢測結(jié)果

2.2 光學(xué)間隔的精確測量與調(diào)整

主、次鏡的光學(xué)間隔直接影響著系統(tǒng)的焦距，也決定著成像面與探測器的軸向裝配位置，必須精確控制。由于傳感器鏡筒具有一定的深度，且主反射鏡為中空結(jié)構(gòu)，當(dāng)主、次鏡集成組裝后，無法運(yùn)用傳統(tǒng)的工藝方法對主、次鏡之間的光學(xué)間隔進(jìn)行測量，為此，我們巧妙借用了中心偏測量儀的準(zhǔn)直光管[7]與三坐標(biāo)測量機(jī)對該光學(xué)間隔進(jìn)行測量控制。

如圖5所示，首先利用中心偏測量儀的表面像自準(zhǔn)原理測量出圖示的尺寸1，然后利用三坐標(biāo)測量機(jī)測量鏡面某一基準(zhǔn)點(diǎn)至主鏡中心軸的橫向距離，將該值代入主鏡的非球面方程中：

得到測量點(diǎn)的失高，進(jìn)而得到主鏡中空頂點(diǎn)至鏡框基準(zhǔn)面的距離，由：

圖5 光學(xué)間隔測量示意圖

2.3 主、次鏡系統(tǒng)的波像差裝調(diào)

主、次鏡系統(tǒng)本身存在殘余像差，因此設(shè)計(jì)了專用的可見光波段工裝鏡組，對主、次鏡與工裝鏡組構(gòu)成的系統(tǒng)用Zygo干涉儀進(jìn)行波像差的測試與裝調(diào)。為了使光學(xué)系統(tǒng)的波像差最小，原則上Zernike多項(xiàng)式的系數(shù)數(shù)值的絕對值越小越好，考慮到鏡子的加工誤差，Zernike多項(xiàng)式的系數(shù)絕對值有極小值，由于Zernike多項(xiàng)式本身的正交特性很容易和光學(xué)元件的裝調(diào)位置誤差聯(lián)系起來，因此觀察分析Zernike多項(xiàng)式的系數(shù)的相對變化，就可以找到調(diào)校方向，同時結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)的公差分析可以確定調(diào)校量值的大小。Zernike多項(xiàng)式前九項(xiàng)所代表的像差意義如表3所示。

表3 Zernike 系數(shù)與初級像差

Table 3 Zernike coefficient and primary aberration

主、次鏡之間的光學(xué)間隔經(jīng)過裝調(diào)已經(jīng)滿足設(shè)計(jì)要求，因此系統(tǒng)的球差很小，需要通過三維調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整次鏡相對于主鏡的徑向平移與傾斜，對彗差與像散進(jìn)行控制。圖6所示為主、次鏡系統(tǒng)裝調(diào)后的波像差檢測結(jié)果，PV與RMS值在中心波長為632.8 nm時分別為0.97與0.17，該傳感器工作在8 μm～10 μm的紅外波段，經(jīng)過換算，系統(tǒng)波像差遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足瑞利判據(jù)的要求[8]。

圖6 主、次鏡系統(tǒng)波像差檢測結(jié)果

2.4 中繼鏡組的逐片定心裝調(diào)

通過前述的分析可知，中繼鏡組與主、次鏡的組合光軸偏心誤差也會對傳感器的成像質(zhì)量帶來影響，需要對中繼鏡組中各光學(xué)鏡片的中心偏差進(jìn)行控制。由于中繼透鏡是紅外材料，無法使用反射式定心的方法，因此通過光學(xué)加工工藝在定心磨邊時保證中繼透鏡凹面一側(cè)平臺與透鏡光軸垂直[9]，裝調(diào)定心時逐片將透鏡以平臺為基準(zhǔn)裝入鏡框，鏡框與主鏡鏡框建立統(tǒng)一的機(jī)械基準(zhǔn)，通過調(diào)?？刂仆哥R的平移誤差，依次保證各中繼透鏡裝入后光軸的一致性[10]。圖7所示為中繼鏡組“逐片定心”的示意圖。

圖7 中繼鏡組“逐片定心”

2.5 線陣探測器的裝調(diào)

由于該傳感器采用長波576×4線陣列探測器作為成像器件，無法凝視成像，因此，在調(diào)校像面及光軸時，可借助周掃工裝反射鏡。首先利用標(biāo)準(zhǔn)直角棱鏡、自準(zhǔn)直前置鏡、紅外平行光管與可調(diào)轉(zhuǎn)臺對產(chǎn)品的零位進(jìn)行裝調(diào)，然后分別用工裝反射鏡與產(chǎn)品替換棱鏡與前置鏡，并保證位置基準(zhǔn)一致，啟動周視轉(zhuǎn)臺，使其作周掃運(yùn)動，通過調(diào)整轉(zhuǎn)臺的掃描轉(zhuǎn)速，保證轉(zhuǎn)速與線陣列探測器的積分時間相匹配。裝配并調(diào)整探測器的位置，使成像最清晰，同時保證紅外平行光管的光軸中心與圖像的十字中心重合。

3 裝調(diào)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下以10 cy/mrad的點(diǎn)源靶標(biāo)檢測紅外傳感器的MDTD(最小可探測溫差)指標(biāo)，MDTD約為4K。外場跟飛試驗(yàn)中，在能見度≥20 km，相對濕度≤60%的良好天氣情況下，該紅外傳感器對飛行高度大于2 000 m的殲8飛機(jī)探測距離可達(dá)60 km，對飛行高度大于100 m的Ⅱ-150型靶機(jī)探測距離可達(dá)15 km，基本滿足指標(biāo)要求。圖8為系統(tǒng)輸出的外場周視成像圖。

圖8 外場成像圖景

4 總 結(jié)

折反式長波線陣紅外傳感器裝調(diào)技術(shù)是一種流程化、參量控制的裝調(diào)工藝方法，對傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)工藝進(jìn)行了優(yōu)化，采用非球面激光定心、微應(yīng)力粘接裝配、中空主次鏡光學(xué)間隔調(diào)校、中繼鏡“逐片”定心、線陣探測器周視裝調(diào)等關(guān)鍵技術(shù)，保證了紅外傳感器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，使其在遠(yuǎn)距離環(huán)掃預(yù)警探測系統(tǒng)中有效地發(fā)揮了作用。該裝調(diào)技術(shù)以及其中的一些關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)也可應(yīng)用于可見光波段反射式、折反式光學(xué)成像系統(tǒng)的裝調(diào)過程中。

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Alignment Technology of Catadioptric Linear Array LWIR Sensor

ZUO Xiaozhou，SHEN Liangji，YANG Haicheng，HUI Gangyang，LIU Weiguang，JIANG Feng，ZHAO Wei

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

A high-accuracy, standardize alignment technology is brought up, to adapt to the features and requirements of catadioptric linear array LWIR sensor, which are far-reaching, small F-number, and unable to staring imaged. The technique guarantees the accuracy of surface after alignment in the first place by using collimator and CMM which strictly controls the optical interval between the primary and secondary mirror, and then introduces wave front aberration measurement to adjust the tilt-errors and shift-errors of the primary and secondary mirror. After that, the method of reference conversion is adopted to line up the optical axis of the primary and secondary mirror and relay lens. At last, a linear detector is adopted to make adjustments to image and optical axis by using mirror. The paper introduces the key techniques in the alignment process such as centering by laser, microstress bond, alignment of the optical interval between the primary and secondary mirror, alignment for each lens, linear detector alignment etc. The results indicate that by introducing these technologies, the MDTD of the sensors can reach as high as 4 K, and the outdoor detection distance is more than 60 km. All the parameters meet design requirements.

alignment; infrared sensor; wave front aberration; optical interval; centering errors

TN206

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.05.014

2015-07-28；

2015-10-13

左曉舟(1985-)，男(漢族)，陜西延安人。工程師，碩士，主要從事光電儀器光機(jī)裝調(diào)工藝研究工作。E-mail：27149993@qq.com。