基于像差特征分析的變焦光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)

趙 岳，李 華，康世發(fā)，秦 星，郭惠楠

（中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，陜西 西安 710119）

引言

為保證在連續(xù)變焦過(guò)程中獲得目標(biāo)區(qū)域的圖像清晰一致，使變焦系統(tǒng)在長(zhǎng)短焦極限位置均具有較高的調(diào)制傳遞函數(shù)[1-4]，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)提出較高要求。目前，常用的裝調(diào)方法有兩種：一種是以光學(xué)定心加工為基準(zhǔn)，根據(jù)平行光管星點(diǎn)像的狀態(tài)，通過(guò)調(diào)整光學(xué)元件的不同空間姿態(tài)完成裝調(diào)；另一種是以調(diào)焦組的入射光線光軸為基準(zhǔn)，依次對(duì)變倍組、補(bǔ)償組及后固定組完成共軸調(diào)整[5]。由于上述過(guò)程中光學(xué)元件數(shù)量較多，無(wú)法對(duì)光學(xué)系統(tǒng)中各光學(xué)元件的空間姿態(tài)進(jìn)行量化，且裝調(diào)周期長(zhǎng)，裝調(diào)精度低，已不再滿足現(xiàn)階段的裝調(diào)需求。如何在變焦系統(tǒng)裝調(diào)過(guò)程中定位影響像差的光學(xué)元件空間姿態(tài)，以及確保光學(xué)元件具有較高的共軸精度，是一項(xiàng)非常有價(jià)值的研究課題。

1 變焦光學(xué)系統(tǒng)初裝調(diào)

1.1 光學(xué)系統(tǒng)描述

本文所研究的變焦光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)機(jī)械補(bǔ)償法來(lái)降低像差的影響[6-8]。該系統(tǒng)由4 個(gè)不同組元相互作用完成成像，包括前固定鏡組、變倍鏡組、補(bǔ)償鏡組和后固定鏡組。在成像過(guò)程中前固定鏡組完成對(duì)光線的匯聚，為后面的變倍鏡組提供參考目標(biāo)；變倍鏡組做線性運(yùn)動(dòng)，完成系統(tǒng)焦距的變化；補(bǔ)償鏡組通過(guò)光桿直線導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)與變倍組的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，用以補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的像面位移。后固定鏡組則是將補(bǔ)償鏡組所成物像匯聚在探測(cè)器靶面上，如圖1所示。

光學(xué)性能指標(biāo)要求該系統(tǒng)焦距為13.8 mm～280 mm，像元大小為3.45 μm×3.45 μm，相對(duì)孔徑為1/2.4～1/6.23。裝調(diào)完成后要求空間頻率140 lp/mm 時(shí)，長(zhǎng)短焦中心視場(chǎng)傳遞函數(shù)值分別大于0.45 和0.55，長(zhǎng)短焦軸外0.7 視場(chǎng)傳遞函數(shù)值分別大于0.25 和0.35，變焦全程光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)畸變優(yōu)于3.2%。為達(dá)到上述要求，需要嚴(yán)格保證系統(tǒng)的光軸一致性。

圖1 變焦光學(xué)系統(tǒng)Fig.1 Zoom optical system

1.2 變焦光學(xué)系統(tǒng)初裝調(diào)

首先需要對(duì)光學(xué)元件完成微應(yīng)力裝調(diào)，通常使用Zygo 干涉儀將其面形控制在RMS≤ 0.025λ，減小面型對(duì)像散等像差的影響。

光學(xué)系統(tǒng)中各光學(xué)元件的空間姿態(tài)是影響該系統(tǒng)成像質(zhì)量的主要因素，采用光學(xué)定心加工技術(shù)[9]，對(duì)微應(yīng)力光學(xué)元件共軸精度進(jìn)行有效控制，保證各光學(xué)元件間同軸精度在0.01 mm 以內(nèi)，上下配合端面平行差 ≤0.005 mm。為了降低變焦光學(xué)系統(tǒng)的球差，要求調(diào)焦組和后固定組中各光學(xué)元件空氣間隔公差 ≤±0.01 mm，變倍組與補(bǔ)償組中各光學(xué)元件空氣間隔公差 ≤±0.02 mm，變倍組中銷釘中心與膠合鏡2 的間隔公差 ≤±0.015 mm，補(bǔ)償組中銷釘中心與透鏡7 的間隔公差 ≤±0.015 mm。

使用1 m 焦距平行光管對(duì)變焦系統(tǒng)在長(zhǎng)短焦位置時(shí)的3#鑒別率板及 φ0.10 mm 星點(diǎn)像進(jìn)行目視檢測(cè)，所得鑒別率板圖像銳利度較高，星點(diǎn)像較圓整。為量化光學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)，使用傳遞函數(shù)儀進(jìn)一步檢測(cè)，結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，系統(tǒng)長(zhǎng)短焦焦距滿足設(shè)計(jì)要求，但長(zhǎng)短焦傳遞函數(shù)MTF低于技術(shù)要求，表明初裝完成的光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部存在一定的像差，需要做進(jìn)一步分析與調(diào)整。

表1 光學(xué)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果Table1 Detection results of optical system

2 CAA 技術(shù)在變焦光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)中的應(yīng)用

由圖1可知，該變焦系統(tǒng)由多個(gè)組元構(gòu)成，裝調(diào)過(guò)程不可避免會(huì)引入人為誤差，使光學(xué)系統(tǒng)不再具有對(duì)稱性，從而產(chǎn)生各類像差。每一光學(xué)元件對(duì)于像差的影響各不相同，在裝調(diào)過(guò)程中需要控制的變量也相對(duì)較多，增加了判斷像差敏感元件的難度，降低了裝調(diào)效率。本節(jié)在像差檢測(cè)的基礎(chǔ)上，使用CAA 技術(shù)，根據(jù)敏感元件的分布，完成對(duì)影響像差敏感元件的定位工作。

CAA（computer aided alignment）技術(shù)是指光學(xué)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)[10]，是一種針對(duì)傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)過(guò)程中出現(xiàn)的光學(xué)元件空間姿態(tài)不可控、無(wú)量化、隨機(jī)因子影響大等缺點(diǎn)提出的一種新方法，通常應(yīng)用在離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)中。CAA 技術(shù)的核心是對(duì)光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)元件空間姿態(tài)進(jìn)行量化及控制，其主要方法首先是使用干涉儀對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行波像差檢測(cè)，然后根據(jù)檢測(cè)結(jié)果及光學(xué)系統(tǒng)中心偏測(cè)量結(jié)果，進(jìn)行Zemax 或CodeV 軟件仿真，從而得出各光學(xué)元件的空間姿態(tài)位置及其調(diào)整量。最后通過(guò)使用各種調(diào)整工裝，使各光學(xué)元件的空間姿態(tài)趨近于理論分析結(jié)果，從而完成光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)。

2.1 變焦光學(xué)系統(tǒng)像差檢測(cè)

由定義可知，波像差是實(shí)際波面與理想波面之間的光程差。當(dāng)光學(xué)元件面形或空間姿態(tài)發(fā)生微量變化時(shí)，便會(huì)引入波像差，導(dǎo)致成像質(zhì)量發(fā)生相應(yīng)變化，進(jìn)一步表現(xiàn)為MTF 指標(biāo)不達(dá)標(biāo)。對(duì)于精度要求較高的光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)定心加工校正各元件同軸度后，在系統(tǒng)裝調(diào)中由于人為因素的存在，仍會(huì)引入裝調(diào)誤差，即光學(xué)元件偏心與傾斜，均會(huì)對(duì)該光學(xué)系統(tǒng)彗差、像散、場(chǎng)曲和畸變產(chǎn)生相應(yīng)的變化[11-12]，但是不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的球差產(chǎn)生影響。因此在精密光學(xué)鏡頭裝調(diào)過(guò)程中必須保證光學(xué)系統(tǒng)的共軸精度，消除由光學(xué)元件偏心或傾斜所造成的像差。針對(duì)上文初裝后檢測(cè)結(jié)果，采用Zygo 干涉儀對(duì)其光學(xué)系統(tǒng)波像差進(jìn)行檢測(cè)，原理如圖2所示。

對(duì)初裝完成的變焦光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行波像差檢測(cè)可知，在短焦極限位置的像散為0.013 λ，彗差為1.282 λ，球差為0.005 λ；在長(zhǎng)焦極限位置的像散為0.014 λ，彗差為1.882 λ，球差為0.005 λ。由此可見(jiàn)，彗差是該系統(tǒng)主要的像差，是造成變焦光學(xué)系統(tǒng)長(zhǎng)短焦MTF 不達(dá)標(biāo)的主要因素。

圖2 干涉儀檢測(cè)鏡頭波像差示意圖Fig.2 Schematic diagram of wave aberration testing by interferometer

2.2 變焦光學(xué)系統(tǒng)彗差敏感光學(xué)元件分析

為了進(jìn)一步有效定位產(chǎn)生彗差的光學(xué)元件，對(duì)變焦光學(xué)系統(tǒng)在長(zhǎng)焦極限位置進(jìn)行中心偏檢測(cè)，結(jié)果如表2所示。

表2 偏心檢測(cè)結(jié)果Table2 Results of eccentricity detection

圖3為變焦光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)元件在不同情況下偏心及傾斜對(duì)彗差的影響變化。結(jié)合現(xiàn)有裝配精度，使用CodeV 軟件仿真建模，得到光學(xué)元件敏感等級(jí)由高至低分布（1～10）及相應(yīng)MTF 變化量，結(jié)果如表3所示。由此可知，膠合鏡1、透鏡2、透鏡5、透鏡7 以及透鏡10 的不同空間姿態(tài)是變焦光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生彗差的主要因素，即為該系統(tǒng)產(chǎn)生像差的敏感光學(xué)元件，需要做針對(duì)性調(diào)整。

根據(jù)逆靈敏度公差分析方法[13-14]，將上述變焦光學(xué)系統(tǒng)中心偏檢測(cè)結(jié)果帶入CodeV 軟件中構(gòu)建正態(tài)分布模型并進(jìn)行蒙特卡洛模擬仿真[15]，確定誤差理想分布區(qū)間，從而精確求出補(bǔ)償量，即當(dāng)膠合鏡1、透鏡5 和透鏡7 的單邊偏心小于0.01 mm 以及透鏡10 單邊偏心小于0.008 mm，膠合鏡1 傾斜小于45′′，透鏡2 傾斜小于 60′′、透鏡5 傾斜小于 50′′，透鏡7 傾斜小于 60′′時(shí)，可滿足理論設(shè)計(jì)對(duì)彗差的要求，使光學(xué)系統(tǒng)MTF 達(dá)到指標(biāo)要求。

圖3 偏心與傾斜彗差仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of eccentricity and tilt coma

表3 光學(xué)元件敏感等級(jí)Table3 Optical element sensitivity grades

3 光學(xué)系統(tǒng)共軸調(diào)試

根據(jù)中心偏測(cè)量?jī)x原理及應(yīng)用方法[16]，設(shè)計(jì)了一種共軸調(diào)試裝置，通過(guò)芯軸與主鏡筒內(nèi)孔緊配合，完成對(duì)變焦相機(jī)主鏡筒機(jī)械內(nèi)孔軸與直線光桿導(dǎo)軌的平行性進(jìn)行精確測(cè)量，保證動(dòng)組組元光軸的共軸精度，從而降低彗差對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響，測(cè)量原理如圖4所示。

圖4 測(cè)量原理Fig.4 Principle of measurement

表4為調(diào)整后的變焦光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)元件偏心及傾斜調(diào)試后的測(cè)量結(jié)果。各光學(xué)元件偏心及傾斜均滿足上文中對(duì)變焦系統(tǒng)敏感光學(xué)元件的分析結(jié)果。表5為變焦光學(xué)系統(tǒng)在長(zhǎng)短焦極限位置時(shí)的MTF 測(cè)量值。通過(guò)對(duì)變焦光學(xué)系統(tǒng)中敏感光學(xué)元件空間姿態(tài)的調(diào)整，測(cè)得長(zhǎng)焦極限位置時(shí)軸上MTF 值為0.453，短焦軸上MTF 達(dá)到0.552；長(zhǎng)焦軸外0.7 視場(chǎng)MTF 為0.256，短焦軸外0.7 視場(chǎng)MTF為0.358，結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。調(diào)整后的變焦光學(xué)系統(tǒng)長(zhǎng)短焦極限位置的彗差分別減小到0.011 λ和0.008 λ。

表4 偏心調(diào)試結(jié)果Table4 Eccentric adjustment results

表5 長(zhǎng)短焦MTF 實(shí)測(cè)值Table5 Measured value of long and short focal length MTF

4 結(jié)論

本文采用CodeV 軟件分析了光學(xué)元件不同空間姿態(tài)變化時(shí)的像差特點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上確定了影響光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的敏感光學(xué)元件，并針對(duì)性地完成了調(diào)整。除此之外，采用了一種同軸調(diào)試裝置，對(duì)變焦相機(jī)主鏡筒機(jī)械內(nèi)孔軸與直線光桿導(dǎo)軌的平行性進(jìn)行了精確測(cè)量，保證了動(dòng)組組元光軸的同軸精度，實(shí)現(xiàn)了變焦光學(xué)系統(tǒng)各組元偏心的快速調(diào)試。最終檢測(cè)結(jié)果表明，在變焦光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)過(guò)程中采用該方法，可降低裝調(diào)過(guò)程中彗差的影響，使傳遞函數(shù)MTF 滿足設(shè)計(jì)要求。