共軸三反光學(xué)系統(tǒng)臥式裝調(diào)技術(shù)

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

引言

光學(xué)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)測(cè)試技術(shù)通過相應(yīng)手段調(diào)整系統(tǒng)中各個(gè)光學(xué)元件位置姿態(tài)，使光學(xué)系統(tǒng)滿足焦距、視場(chǎng)等相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求，最終獲得清晰圖像的過程。

目前，共軸三反式光學(xué)系統(tǒng)一般的裝調(diào)思路是，先建立主鏡-次鏡系統(tǒng)測(cè)試一次像[1-2]，調(diào)整主鏡-次鏡系統(tǒng)并使其達(dá)到一定的指標(biāo)要求，然后調(diào)整三鏡位姿使系統(tǒng)滿足指標(biāo)要求。這種裝調(diào)方式較為明顯的弊端有，一是主鏡-次鏡系統(tǒng)殘留較大像差，從而導(dǎo)致測(cè)試精度降低，以該系統(tǒng)為例，一次像球差約為0.2λ(@632.8 nm)，一般情況下，球差可通過補(bǔ)償器或者相位平板[3]補(bǔ)償，但對(duì)于同軸系統(tǒng)而言，一次像一般在主鏡通光孔內(nèi)，架設(shè)補(bǔ)償器難度較大，可行性較差；二是由于三鏡滯后調(diào)整，在其調(diào)整階段一般以補(bǔ)償像差為主，不能有效控制光學(xué)系統(tǒng)的視軸和后截距，造成系統(tǒng)焦平面傾斜，從而導(dǎo)致成像系統(tǒng)集成結(jié)構(gòu)干涉；三是此方法分兩步調(diào)整，裝調(diào)效率較低。

本文以“高分一號(hào)”光學(xué)遙感衛(wèi)星空間光學(xué)遙感器裝調(diào)為例，介紹了一種新裝調(diào)思路，即以主鏡為基準(zhǔn)，調(diào)整三鏡位姿控制視軸，調(diào)整次鏡位姿補(bǔ)償像差，使系統(tǒng)失調(diào)量快速收斂，從而達(dá)到更好的成像效果。

1 光學(xué)系統(tǒng)公差分析及系統(tǒng)裝調(diào)

1.1 光學(xué)系統(tǒng)介紹

“高分一號(hào)”衛(wèi)星在軌圖像如圖1所示（迪拜棕櫚島拍攝）。“高分一號(hào)”衛(wèi)星光學(xué)遙感器對(duì)地分辨率2 m，光學(xué)系統(tǒng)通光口徑330 mm，焦距3300 mm，相對(duì)孔徑1/10。其主鏡、次鏡、三鏡均為二次非球面反射鏡[4]，與焦面折轉(zhuǎn)平面鏡組成共軸三反系統(tǒng)，如圖2所示。主鏡-次鏡間距為344.784 mm；主鏡-三鏡間距為366.857 mm。為滿足光學(xué)系統(tǒng)在軌成像要求，系統(tǒng)各個(gè)視場(chǎng)波前誤差RMS 應(yīng)優(yōu)于1/15 λ，視軸偏差優(yōu)于3′，次鏡傾斜公差為3″，三鏡傾斜公差為10″。

圖1 高分一號(hào)衛(wèi)星在軌圖像Fig.1 Satellite on-orbit image

圖2 反射鏡調(diào)整坐標(biāo)系Fig.2 Speculum adjustment coordinate system

系統(tǒng)裝調(diào)以主鏡光軸為基準(zhǔn)。焦面折轉(zhuǎn)鏡直接影響焦面位置，所以首先調(diào)整焦面折轉(zhuǎn)鏡至理論位置，然后調(diào)整三鏡的5個(gè)自由度，即三鏡頂點(diǎn)與主鏡頂點(diǎn)間距Ht、三鏡沿X方向偏心量Dtx、三鏡沿Z方向偏心量DtZ、三鏡繞X軸旋轉(zhuǎn)Rtx、三鏡繞Z軸旋轉(zhuǎn)RtZ；調(diào)整次鏡的5個(gè)自由度，即次鏡頂點(diǎn)與主鏡頂點(diǎn)間距Hs、次鏡沿X方向偏心量Dsx、次鏡沿Z方向偏心量Dsz、次鏡繞X軸旋轉(zhuǎn)Rsx、次鏡繞Z軸旋轉(zhuǎn)Rsz，直至光學(xué)系統(tǒng)滿足要求，結(jié)束系統(tǒng)調(diào)整。

1.2 公差分析

定義平行于主鏡光軸的光束為軸上光線，即系統(tǒng)的中心視場(chǎng)，以線陣方向2個(gè)邊緣視場(chǎng)分別為+1視場(chǎng)和?1視場(chǎng)。利用CODE V 軟件計(jì)算次鏡與三鏡失調(diào)量對(duì)光學(xué)系統(tǒng)Zernike 系數(shù)變化關(guān)系，求得靈敏度矩陣如表1和表2所示。

表1 次鏡靈敏度矩陣Table1 Secondary mirror sensitivity matrix

1.3 建立基準(zhǔn)

傳統(tǒng)方法是以主鏡機(jī)械機(jī)構(gòu)作為光學(xué)裝調(diào)的基準(zhǔn)，不能滿足成像系統(tǒng)的視軸偏差要求，以主鏡光軸作為裝調(diào)基準(zhǔn)可有效避免光學(xué)加工引入的光軸偏差[5]。主鏡是橢球面反射鏡[6]，非球面系數(shù)K=?0.961 8，接近于拋物鏡[7]。將其置于大口徑平面波光路中，此時(shí)平面波經(jīng)過主鏡反射后的匯聚點(diǎn)處有較大的球差，在匯聚光路中插入一定厚度的平板玻璃，用于補(bǔ)償光路產(chǎn)生的球差，調(diào)整系統(tǒng)彗差至0，此時(shí)平行光方向即為主鏡光軸，并將主鏡光軸數(shù)據(jù)引至基準(zhǔn)鏡上，此方法測(cè)試精度優(yōu)于1″。

1.4 焦面折轉(zhuǎn)鏡裝調(diào)

以主鏡光軸為基準(zhǔn)[8-9]，使用光電經(jīng)緯儀測(cè)試折轉(zhuǎn)鏡角度。設(shè)置經(jīng)緯儀相對(duì)水平角度為0，記錄經(jīng)緯儀測(cè)試干涉儀平行光的讀數(shù)V0、H0，其空間向量為a(ax,ay,az)，測(cè)試經(jīng)緯儀自準(zhǔn)直[10]于折轉(zhuǎn)鏡的讀數(shù)V1、H1，則折轉(zhuǎn)鏡的鏡面法線空間向量為b(bx,by,bz)，以經(jīng)緯儀（0?90?）和（270?90?）分別為+X和+Y方向建立坐標(biāo)系（同圖2所示坐標(biāo)系）。在經(jīng)緯儀坐標(biāo)系中a向量和b向量的分量可分別表示為

表2 三鏡靈敏度矩陣Table2 Three-mirror sensitivity matrix

根據(jù)空間向量積公式：

可求得2個(gè)向量夾角θ，調(diào)整折轉(zhuǎn)鏡調(diào)節(jié)墊片厚度，使得夾角θ滿足要求。

1.5 失調(diào)量調(diào)整

以干涉檢驗(yàn)法測(cè)試以波像差作為評(píng)價(jià)判據(jù)，即測(cè)量系統(tǒng)像質(zhì)時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)出射的含有光學(xué)系統(tǒng)光程差信息的光波面與參考波面發(fā)生干涉，可獲得光學(xué)系統(tǒng)的波像差[11]。對(duì)于干涉測(cè)試法所得到的系統(tǒng)波前像差[12]，可以由Zernike 多項(xiàng)式[13]來表示，如表3所示。光學(xué)系統(tǒng)采用臥式裝調(diào)方式，搭建測(cè)試光路，如圖3所示。使用大口徑平面波干涉儀測(cè)試時(shí)，平行光波依次通過主鏡、次鏡、三鏡、焦面折轉(zhuǎn)鏡后反射，匯聚到標(biāo)準(zhǔn)球面反射鏡，使光波沿原路返回至干涉儀，形成干涉條紋。

表3 Zernike 多項(xiàng)式Table3 Zernike polynomials

圖3 光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)測(cè)試光路Fig.3 Optical system alignment testing optical path

由三鏡靈敏度矩陣和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，三鏡的位置姿態(tài)對(duì)系統(tǒng)的視軸指向及視場(chǎng)影響較大，對(duì)系統(tǒng)像差影響較小，所以首先調(diào)整三鏡位姿確認(rèn)光學(xué)系統(tǒng)中心視場(chǎng)。具體方法是，保持主鏡光軸與干涉儀平行光方向一致，調(diào)整三鏡沿Z方向偏心量DtZ及 三鏡繞Z軸旋轉(zhuǎn)RtZ，使平行光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)的像落在模擬CCD 器件中心像元[14]上，即系統(tǒng)的中心視場(chǎng)，如圖4所示。

圖4 模擬CCD 器件Fig.4 Simulation of CCD devices

根據(jù)測(cè)試中心視場(chǎng)成像質(zhì)量結(jié)果，通過測(cè)試軟件解析可得Z5、Z6、Z7、Z8、Z9。由次鏡靈敏度矩陣可知主鏡與次鏡間距直接影響系統(tǒng)的像散、彗差和球差，且次鏡的其他幾個(gè)自由度[15]的調(diào)整不會(huì)影響系統(tǒng)的球差。因此，首先調(diào)整次鏡與主鏡距離Hs，直至中心視場(chǎng)球差小于1/30λ。次鏡傾斜影響系統(tǒng)像散和彗差，調(diào)整次鏡傾斜Rsx、Rsz，使系統(tǒng)

像散優(yōu)于1/30λ。次鏡偏心對(duì)系統(tǒng)彗差影響比較明顯，調(diào)整次鏡偏心Dsx、Dsz，直至系統(tǒng)彗差優(yōu)于1/30λ。

再次調(diào)整三鏡位置姿態(tài)以糾正次鏡調(diào)整導(dǎo)致中心視場(chǎng)像點(diǎn)的位置偏差，隨后調(diào)整次鏡位置姿態(tài)補(bǔ)償像差，測(cè)試軸外視場(chǎng)Zernike 系數(shù)，調(diào)整次鏡使軸外視場(chǎng)像散和彗差收斂，直至各視場(chǎng)像質(zhì)滿足要求，這是一個(gè)多次迭代的過程。

2 裝調(diào)結(jié)果

經(jīng)過幾輪迭代調(diào)整，光學(xué)系統(tǒng)各視場(chǎng)Zernike系數(shù)都調(diào)整到1/20λ 以內(nèi)，如表4所示。由表4可知，中心視場(chǎng)RMS值為0.055λ，+1視場(chǎng)RMS值為0.056λ，?1視場(chǎng)RMS值為0.056λ，均滿足設(shè)計(jì)要求。裝調(diào)后光學(xué)系統(tǒng)各視場(chǎng)干涉圖如圖5所示。

表4 裝調(diào)結(jié)果Table4 Alignment results

圖5 光學(xué)系統(tǒng)各視場(chǎng)干涉圖Fig.5 Interferogram of each field of view in optical system

3 ?結(jié)論

以“高分一號(hào)”遙感衛(wèi)星高分辨率遙感相機(jī)裝調(diào)過程為例，提出了一種共軸三反光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)思路，以主鏡光軸為裝調(diào)基準(zhǔn)，以三鏡位姿控制系統(tǒng)視場(chǎng)和視軸，以次鏡位姿控制系統(tǒng)像質(zhì)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)技術(shù)建立了次鏡、三鏡位置姿態(tài)與Zernike 系數(shù)的關(guān)系，縮短了裝調(diào)周期，取得了較好的效果，相機(jī)在軌成像清晰，層次豐富，驗(yàn)證了裝調(diào)工作的正確性。