大口徑近紅外波前檢測裝置光機設(shè)計

周家淳，高天元

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長春 130022）

引言

自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)是一種優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)的方法，這種技術(shù)的原理是使用波前傳感器來測量光學(xué)畸變，并使用控制器對變形鏡進(jìn)行調(diào)整以消除畸變，從而提高圖像質(zhì)量并提高系統(tǒng)的性能，通常用于天文目標(biāo)觀測[1-3]和空間激光通信[4-6]等領(lǐng)域。由于其產(chǎn)生的波前畸變是動態(tài)變化的，這就需要設(shè)計一種波前檢測裝置能夠精確測量波前誤差并及時反饋。然而，變形鏡尺寸的增加致使波前檢測裝置的通光口徑增大，這大大增加了設(shè)計難度。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中波前檢測單元的設(shè)計難點在于，如何在滿足共軛成像和小體積的約束下，完成對矩形大口徑近紅外光束波前像差的檢測與評估。

為了滿足大口徑波前檢測的要求，研究人員已開展了相關(guān)工作。WANG D 等人基于開普勒望遠(yuǎn)系統(tǒng)，使用雙透鏡對260 mm×260 mm 矩形口徑光束進(jìn)行壓縮，盡管如此，這個開普勒系統(tǒng)的總焦距還是達(dá)到了2.05 m[7]。雖然使用了反射器件來折疊光路，但檢測單元仍然很大，并且只能測量單個參數(shù)。LI S S 在高質(zhì)量近場光束高功率激光系統(tǒng)的研究中，采用10×壓縮比的縮束系統(tǒng)，將光束直徑壓縮至6 mm[8]，然而，望遠(yuǎn)系統(tǒng)的筒長達(dá)到了1.3 m。相里微等人則采用放大倍率為11×的無焦開普勒系統(tǒng)，采用150 mm×150 mm 的方形通光口徑進(jìn)行波前檢測，但其筒長達(dá)到2.42 m[9]。FOURMAUX S等人在200 TW 激光系統(tǒng)的波前校正研究中，使用開普勒望遠(yuǎn)系統(tǒng)壓縮了一束直徑約75 mm 的光束，以滿足波前傳感器的靶面要求，但其光學(xué)筒長仍很大，接近1.04 m[10]。張禹、楊忠明等設(shè)計的450 mm 大口徑多光譜通道波前測量系統(tǒng)，可以實現(xiàn)可見光、近紅外和中紅外多波段的單一參數(shù)波前的測量[11-12]，但是由于口徑過大，裝置的體積無法實現(xiàn)小型化。

在尺寸限定的條件下，目前的技術(shù)方案未能滿足自適應(yīng)光學(xué)校正系統(tǒng)共扼探測的需求，本文為解決該問題開展了相關(guān)工作。首先，根據(jù)探測口徑大、共軛成像以及近紅外光束波前探測的技術(shù)要求，基于開普勒望遠(yuǎn)系統(tǒng)的成像原理，確定采用大倍率光束壓縮后分光探測的方案。其次，為了解決高壓縮比、筒長限制和長出瞳距的問題，主縮束系統(tǒng)使用了雙高斯初始結(jié)構(gòu)來消除像差，并利用非球面技術(shù)來保證成像質(zhì)量，同時利用攝遠(yuǎn)成像原理壓縮筒長，優(yōu)化出瞳距。再次，根據(jù)主縮束系統(tǒng)、光瞳探測系統(tǒng)和光軸探測系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求，分別對相關(guān)部件進(jìn)行了機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，并建立了波前檢測裝置的三維結(jié)構(gòu)模型，為實驗平臺的搭建提供依據(jù)。最后，搭建相關(guān)實驗，對裝置進(jìn)行測量和測試，驗證設(shè)計結(jié)果。

1 設(shè)計指標(biāo)與主縮束系統(tǒng)

波前檢測裝置的總體光路示意圖如圖1 所示，包括主縮束系統(tǒng)、光瞳探測系統(tǒng)、光軸探測系統(tǒng)和哈特曼波前傳感器。主縮束系統(tǒng)將大口徑近紅外光束壓縮到傳感器能夠接收的范圍，并在相應(yīng)的出瞳位置處安裝哈特曼波前傳感器，使其與變形鏡滿足共軛條件。在經(jīng)過變形鏡校正后，光束在哈特曼傳感器像面上形成陣列光斑，用來檢測波前誤差。光瞳探測系統(tǒng)配合主縮束系統(tǒng)完成對光軸的搜索，光軸探測系統(tǒng)配合主縮束系統(tǒng)對光軸進(jìn)行精調(diào)。

1.1 裝置技術(shù)指標(biāo)

表1 是波前檢測裝置的技術(shù)指標(biāo)。主縮束系統(tǒng)的放大倍率、視場和入瞳位置決定了該系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)。光學(xué)系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化方向取決于1 030 nm 處的工作波長和入射光瞳的共軛位置。

表1 波前檢測裝置技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technical indexes of wavefront detection device

考慮到安裝調(diào)試的復(fù)雜性，632.8 nm 干涉儀的波長也要考慮在內(nèi)。此外，本裝置使用了哈特曼波前傳感器和兩個CCD（charge coupled device）相機，哈特曼波前傳感器結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定，易于操作，不需要參考光，并可以同時探測光束的相位和強度，相比傳統(tǒng)的測量方法更加方便快速[13]。在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)在不同的位置設(shè)置衰減片，以滿足不同傳感器對入射光的不同能量要求。

1.2 主縮束系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計與分析

自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的像差控制非常重要，在設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)時，針對望遠(yuǎn)系統(tǒng)采用雙高斯初始結(jié)構(gòu)來消除畸變、彗差和色差等，并通過非球面技術(shù)消除大口徑透鏡引起的球差。哈特曼波前傳感器位于主縮束系統(tǒng)的出瞳位置，負(fù)責(zé)對入射光進(jìn)行波前探測，由于其靶面尺寸的限制，大口徑近紅外入射光需要進(jìn)行大倍率光束壓縮?？s束光學(xué)系統(tǒng)本質(zhì)上是無光焦度望遠(yuǎn)系統(tǒng)，具有200 mm×80 mm 的通光口徑和215 mm 的等效圓形口徑。盡管檢測的光束具有矩形孔徑，但在具體設(shè)計時應(yīng)基于矩形口徑的外圓直徑設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)。與伽利略望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)相比，開普勒望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)可以實現(xiàn)圖像傳輸，具有物像共軛關(guān)系，從而允許自適應(yīng)校正，因此選擇了開普勒望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)作為光學(xué)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)。

根據(jù)裝置的指標(biāo)要求，使用非球面方形鏡作為縮束系統(tǒng)的主鏡，使得主縮束系統(tǒng)的光學(xué)筒長達(dá)到最小。由于系統(tǒng)成像的光斑直徑較大，所以需要適當(dāng)調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)，使其焦點位置與哈特曼傳感器的像面距離合適，從而得到更好的像質(zhì)。最終優(yōu)化后的光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 主縮束系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of optical structure of main beam-shrinking system

用zemax 軟件對初始結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，為了方便安裝與調(diào)試，調(diào)整了相關(guān)鏡片的口徑余量，最終的透鏡數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 主縮束系統(tǒng)透鏡數(shù)據(jù)Table 2 Lens data of main beam-shrinking system

主縮束系統(tǒng)的縮束倍率為11.9，出瞳距離為16.8 mm，在入瞳為500 mm 的情況下滿足物像共軛關(guān)系，并且筒長258.68 mm，小于265 mm，達(dá)到了裝置的系統(tǒng)指標(biāo)要求。

對設(shè)計優(yōu)化的主縮束系統(tǒng)進(jìn)行像質(zhì)評價，通過分析評估，近紅外光線在像面上的點列圖如圖3 所示，并分別給出了縮束系統(tǒng)在0 視場、1/2 視場和邊緣視場的波前圖，如圖4 所示。中心視場PV（peak-valley）值為0.123λ，RMS（root-mean-square）值為0.036 1λ；邊緣視場PV 值為0.302λ，RMS 值為0.068 9λ（λ=1030 nm），表明該系統(tǒng)的像質(zhì)優(yōu)秀，可以滿足波前檢測的要求。

圖3 追跡光線的點列圖Fig.3 Spot diagram of tracing lights

2 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體結(jié)構(gòu)

使用SOLIDWORKS 軟件建立三維結(jié)構(gòu)模型，最終結(jié)果如圖5 所示，主縮束系統(tǒng)是測量系統(tǒng)的主要組成部分，其他子系統(tǒng)被連接到裝置的框架上，如圖5（b）所示。由于主縮束系統(tǒng)采用開普勒望遠(yuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，主鏡與次鏡之間距離受溫度影響較大，為了減小溫度的影響，主框架采用TC4 鈦合金作為結(jié)構(gòu)材料，其優(yōu)點包括高強度和優(yōu)異的耐熱性（低熱膨脹系數(shù)）。經(jīng)過zemax 模擬仿真，光軸探測系統(tǒng)和光瞳探測系統(tǒng)受溫度影響較小，故采用6061 鋁合金。

圖5 波前檢測裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of wavefront detection device

波前檢測裝置機械性能要求如表3 所示，機械結(jié)構(gòu)按照表中要求進(jìn)行設(shè)計。

表3 波前檢測裝置整體性能指標(biāo)Table 3 Overall performance indexes of wavefront detection device

2.2 主縮束系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于給出開普勒式望遠(yuǎn)系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計方案，對主縮束系統(tǒng)進(jìn)行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。本裝置中主縮束系統(tǒng)直接接收變形鏡的反射光線，是共軛波前探測的重要組成部分，其主次鏡面形及裝配精度是影響波前探測及成像質(zhì)量的重要因素之一，因此主縮束系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計是波前檢測裝置的設(shè)計重點。

2.2.1 主鏡固定結(jié)構(gòu)

非球面方形鏡作為主縮束系統(tǒng)的主要組件，在結(jié)構(gòu)設(shè)計上需要考慮諸多的因素：1）非球面主鏡的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；2）降低支撐結(jié)構(gòu)對主鏡鏡面面形的影響；3）利于主鏡的裝配及調(diào)整。非球面主鏡的通光口徑為200 mm×80 mm，材料為H-ZF7LA玻璃，圖6 為主縮束系統(tǒng)非球面主鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖。

圖6 主縮束系統(tǒng)主鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖Fig.6 Schematic diagram of main-mirror structure design of main beam-shrinking system

本裝置選擇膠粘技術(shù)對主鏡進(jìn)行連接，該技術(shù)在降低機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的同時，也能簡化裝配工藝、減少加工難度及減輕整體裝置的質(zhì)量[14]。黏接劑則采用了硅橡膠，黏接后的結(jié)構(gòu)輕、成本低，應(yīng)力的分布更加均勻，柔性更好。考慮到粘接劑自身屬性、粘接層的厚度及粘接表面的清潔度，本裝置采用沿方形鏡兩條長邊粘膠的分布方案。

2.2.2 次鏡組結(jié)構(gòu)

如圖7 所示為主縮束系統(tǒng)次鏡鏡筒，利用隔圈依次保證次鏡1 和次鏡2 兩枚透鏡間正確的空間位置，隔圈與鏡片的接觸為尖角形式，透鏡的間隔誤差為±0.05 mm～0.1 mm，最后使用螺紋壓圈對整個鏡組進(jìn)行固定。在鏡筒圓周上120°角等分設(shè)置了3 個螺紋孔，使用螺釘與裝置框架連接定位，并使用墊圈進(jìn)行位置的微調(diào)。

圖7 主縮束系統(tǒng)次鏡鏡筒結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure diagram of secondary mirror tube of main beam-shrinking system

2.2.3 主框架結(jié)構(gòu)

裝置的主框架的結(jié)構(gòu)模型如圖8 所示，為了減輕裝置重量，在保證主框架結(jié)構(gòu)強度的基礎(chǔ)上，采用框架式設(shè)計，去除了多余的金屬材料。根據(jù)設(shè)計需要，在主框架結(jié)構(gòu)的頂部進(jìn)行通孔處理，孔的直徑為20 mm，目的是讓光線順利進(jìn)入頂層。此外，在主框架結(jié)構(gòu)的后方預(yù)留了孔洞和槽位用來固定衰減片。

圖8 主框架結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖Fig.8 Schematic of design for main frame structure

2.3 分光結(jié)構(gòu)

裝置的分光結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，應(yīng)用zemax 軟件模擬折疊光路，優(yōu)化折疊方案后，采用2 塊分光片對光束進(jìn)行分割，并使用了4 塊平面反射鏡對光路進(jìn)行折疊。反射鏡和分光鏡均采用注膠的方式固定于鏡框上，鏡框結(jié)構(gòu)如圖9 所示，均有6 個注膠孔，為了避免膠粘后應(yīng)力造成鏡面變形，所以選取硅橡膠作為粘接劑。由于反射鏡和分光鏡的位置誤差與鏡框的材料無關(guān)，為了進(jìn)一步減輕重量，提高鏡框的加工性能，鏡框材料選取6061 鋁合金，該材料具有中等強度和良好的外形尺寸穩(wěn)定性、良好的可加工性以及優(yōu)良的可焊接性。安裝過程中，使用修切墊片或添加銅箔的方式來實現(xiàn)分光片與反射鏡高度的微調(diào)。為了避免帶來額外像差，需要嚴(yán)格控制分光片表面面型。

圖9 反射（分光）鏡框Fig.9 Reflection (spectroscopic) frame

為了便于安裝調(diào)試，在裝置的后部分光位置和上層位置分別設(shè)計了一塊基板，如圖10 所示。作為獨立于主結(jié)構(gòu)框架的存在，可以將分光和反射元件首先單獨在基板上進(jìn)行裝調(diào)，在這之后將基板安裝到裝置的主框架上，再對整體光路進(jìn)行微調(diào)處理，這樣做的好處是既方便了裝調(diào)，又保證了裝置的測量精度。

圖10 光學(xué)元件在基板上的分布示意圖Fig.10 Schematic diagram of distribution of optical elements on substrate

2.4 光瞳探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于優(yōu)化后的光學(xué)系統(tǒng)對光瞳探測系統(tǒng)進(jìn)行機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，針對透射式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計了光管，如圖11 所示。為降低裝調(diào)及機械加工的難度，對于3 片式的次鏡組采取了鏡筒嵌套的方案，鏡筒采用了整體法蘭結(jié)構(gòu)形式。鏡框及隔圈的機械材料均為6061 鋁合金。

圖11 光瞳探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.11 Structure diagram of pupil detection system

本文設(shè)計的光瞳探測系統(tǒng)次鏡屬于小口徑光學(xué)元件，透鏡組件都經(jīng)過了磨邊處理，采用鏡片與鏡筒內(nèi)壁間隙配合的結(jié)構(gòu)形式，徑向間隙0.025 mm，通常情況下圓形光學(xué)零件的固定方法有輥邊法及壓圈法[15]，由于所設(shè)計的透鏡組及隔圈都為圓形光學(xué)零件，所以選取壓圈法進(jìn)行固定。

2.5 光軸探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光軸探測系統(tǒng)則使用遠(yuǎn)場鏡筒成像的方法來幫助校正光軸，通過zemax 軟件對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，最終的優(yōu)化結(jié)果表明，光軸探測系統(tǒng)位于主縮束系統(tǒng)出瞳面后400 mm處，焦距為462 mm，配合前置11.9 倍主縮束系統(tǒng)，等效焦距為5.5 m。

基于優(yōu)化后的光學(xué)方案對光軸探測系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，如圖12 所示。和光瞳探測系統(tǒng)的設(shè)計方案類似，此處為2 片式的結(jié)構(gòu)單獨設(shè)計了一個鏡筒，使用螺紋壓圈和隔圈將鏡片安裝至鏡筒內(nèi)，再將其作為一個整體安裝至光管內(nèi)部，單透鏡則采用壓圈法固定。

圖12 光軸探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.12 Structure diagram of optical axis detection system

3 檢測及檢測結(jié)果

3.1 縮束系統(tǒng)主鏡面形分析

本課題采用了非接觸式的干涉儀測量法對非球面方形鏡進(jìn)行面形測量，根據(jù)zemax 設(shè)計結(jié)果，主縮束系統(tǒng)的成像質(zhì)量已達(dá)到波前檢測的指標(biāo)要求。在非球面光學(xué)元件加工完成后搭建了實驗平臺，如圖13 所示，利用zygo 干涉儀對其進(jìn)行面型測量與分析。

圖13 主縮束系統(tǒng)主鏡面形分析Fig.13 Analysis of main mirror shape of main beamshrinking system

通過對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，非球面方形鏡的PV 值為0.605λ，RMS 值為0.099λ。將面型的zernike系數(shù)帶入zemax 文件中進(jìn)行模擬仿真，仿真結(jié)果表明，主縮束系統(tǒng)具有較高的成像質(zhì)量，非球面方形鏡的面形誤差滿足指標(biāo)要求。

3.2 裝置的裝調(diào)與測試

在實驗室中搭建波前檢測裝置的實驗平臺。實驗室溫度保持在22 ℃±5 ℃，相對濕度為50%。在此環(huán)境條件下將裝置的各零部件組裝起來，并對整機的光學(xué)指標(biāo)和機械指標(biāo)進(jìn)行測量和測試，確認(rèn)裝置是否滿足設(shè)計需求。

3.2.1 裝置的裝調(diào)

在裝調(diào)裝置前，首先將整個光路結(jié)構(gòu)劃分成了幾個位置相近且各自承擔(dān)不同功能的功能分區(qū)。在裝調(diào)過程中以功能分區(qū)為單位，對每個分區(qū)內(nèi)的元件進(jìn)行統(tǒng)一安裝和調(diào)試。由于光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計時兼顧了632.8 nm 的干涉儀波長，因此本裝置主要使用干涉儀進(jìn)行裝調(diào)。圖14 展示了裝置安裝調(diào)試完成后的狀態(tài)。

圖14 大口徑近紅外波前檢測裝置Fig.14 Large-aperture near-infrared wavefront detection device

3.2.2 光學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)檢測

本課題中為了完成正確的波前測量，必須保證波前檢測裝置檢測到的波前與由變形鏡校正的波前具有相同的物理值，這就要求主縮束系統(tǒng)像面的位置應(yīng)與變形鏡共軛。因此變形鏡被設(shè)定在距離主縮束系統(tǒng)500 mm 位置處，哈特曼波前傳感器被定位在出瞳處，下面計算出瞳入瞳位置是否滿足共軛關(guān)系。

使用焦距測量儀測得主縮束系統(tǒng)主鏡焦距為200.08 mm，次鏡焦距為16.81 mm，已知物像關(guān)系表征基本公式為

當(dāng)l=-500 mm時，l′=16.8 mm，此時出瞳位置為16.8 mm，與設(shè)計指標(biāo)相吻合。

光軸探測系統(tǒng)不僅負(fù)責(zé)對系統(tǒng)光軸進(jìn)行精調(diào)，還承擔(dān)著分析光束質(zhì)量的任務(wù)，相關(guān)測試結(jié)果如表4 所示。

表4 光學(xué)指標(biāo)檢測結(jié)果Table 4 Test results of optical indexes

哈特曼傳感器與兩個CCD 相機的圖像如圖15所示。其中，波前傳感器的光斑陣列圖像可用來測量主縮束裝置出射光準(zhǔn)直度，方法是通過比對陣列光斑質(zhì)心偏移量及焦距計算平行度，結(jié)果為0.018°，滿足≤0.02°的技術(shù)指標(biāo)要求。

圖15 各傳感器的接收圖像Fig.15 Received images of each sensor

為了進(jìn)一步分析裝置的光束質(zhì)量，利用系統(tǒng)周圍能量曲線中83.6%能量點的成像光斑與衍射限制光斑尺寸的比值來近似等效光束質(zhì)量。圖15（c）的實驗結(jié)果表明，光束質(zhì)量因子β優(yōu)于1.2 倍衍射極限，滿足了裝置的設(shè)計要求。

3.2.3 機械系統(tǒng)指標(biāo)檢測

本節(jié)對所設(shè)計的波前檢測裝置的機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行測量和測試，主要為尺寸和重量的測量。用游標(biāo)卡尺測量尺寸，結(jié)果如表5 所示，均滿足機械結(jié)構(gòu)的安裝要求。

表5 部件與整機外形尺寸Table 5 External dimensions of parts and whole machine mm

用電子秤測量整機重量為18.9 kg，滿足技術(shù)指標(biāo)小于20 kg 的要求。

預(yù)留接口方面，本裝置在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計時已在外殼上預(yù)留了相關(guān)孔位，用來保證光學(xué)探測子系統(tǒng)的供電與圖像傳輸。此外在裝置的內(nèi)部噴涂了消光漆，抑制了裝置內(nèi)可能出現(xiàn)的雜散反射光，表面黑色氧化抗腐蝕處理，整體處理效果如圖16 所示，能夠滿足波前檢測需要。

圖16 整體處理結(jié)果Fig.16 Overall processing result

4 結(jié)論

本文對大口徑近紅外變形鏡波前檢測裝置進(jìn)行設(shè)計，根據(jù)裝置的指標(biāo)要求設(shè)計了主縮束系統(tǒng)，采用開普勒式望遠(yuǎn)系統(tǒng)以滿足自適應(yīng)光學(xué)共軛探測的需求。在光學(xué)設(shè)計的基礎(chǔ)上對主縮束系統(tǒng)、光瞳探測系統(tǒng)和光軸探測系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，有效地壓縮了裝置的結(jié)構(gòu)尺寸，應(yīng)用了自研的高靈敏度哈特曼波前傳感器，提高了測量范圍、效率和精度。設(shè)計完成后對裝置進(jìn)行裝調(diào)與實驗，對主縮束系統(tǒng)非球面方形主鏡進(jìn)行了面形測量，結(jié)果表明光學(xué)元件具有較好的成像質(zhì)量，此外還分別測量和測試了裝置的光學(xué)參數(shù)和機械結(jié)構(gòu)，結(jié)果均滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。所設(shè)計的波前檢測裝置具有一定的應(yīng)用價值。