面向高性能的紅外折射式鏡頭裝調(diào)技術(shù)

目前，國(guó)內(nèi)外紅外折射式鏡頭的高精度裝調(diào)主要采用精密定心的方式，依據(jù)定心儀測(cè)量光學(xué)件像點(diǎn)隨回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的軌跡，計(jì)算和調(diào)整光學(xué)件的中心偏。然而，常用的紅外折射材料主要有鍺、硅、硒化鋅和硫系玻璃等，由于材料制備工藝特點(diǎn)，折射率均勻性難以保證，如鍺材料在10.6 μm譜段折射率均勻性約為2×10??，硫系玻璃在3.39 μm譜段折射率均勻性約為1×10??。相較于可見(jiàn)折射材料10??量級(jí)的折射率均勻性，紅外材料折射率均勻性的高偏差相當(dāng)于在成像系統(tǒng)中引入額外的不規(guī)則像差，將導(dǎo)致鏡頭波前誤差異常和像質(zhì)下降，這是高性能紅外折射式鏡頭裝調(diào)的主要難題，而精密定心裝調(diào)的核心是光學(xué)件光軸一致性和間距的控制，對(duì)系統(tǒng)不規(guī)則像差的矯正無(wú)能為力。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，北京空間機(jī)電研究所的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“面向高性能的紅外折射式鏡頭裝調(diào)技術(shù)”為主題的文章。該文章第一作者和通訊作者為黃陽(yáng)高級(jí)工程師，主要從事光學(xué)裝調(diào)和檢測(cè)方面的研究工作。

針對(duì)紅外光學(xué)材料折射率不均勻?qū)е孪到y(tǒng)波前產(chǎn)生異常像差，從而引起鏡頭像質(zhì)嚴(yán)重下降的問(wèn)題，本研究提出了一種光學(xué)件位置迭代調(diào)整和面形修配相結(jié)合的系統(tǒng)波前補(bǔ)償方法，實(shí)現(xiàn)面向高性能的紅外折射式鏡頭裝調(diào)。

紅外材料折射率均勻性偏差影響分析

用于紅外折射式鏡頭的光學(xué)件材料主要有鍺、硅、硒化鋅和硫系玻璃等，多采用晶體生長(zhǎng)的方式制備，材料在生長(zhǎng)過(guò)程中受溫度或壓力等因素波動(dòng)的影響，會(huì)導(dǎo)致不同區(qū)域晶格生長(zhǎng)殘余應(yīng)力水平不同，引起材料各區(qū)域的折射率存在一定偏差。

在光學(xué)上采用四步干涉法測(cè)量光學(xué)材料的折射率均勻性，如圖1所示，通過(guò)測(cè)試待測(cè)材料平面樣品的前后表面反射波前、透射波前和測(cè)試光路空腔波前的誤差分布。

圖1 （a）樣品前表面S1反射波前；（b）樣品后表面S2反射波前；（c）樣品透射波前；（d）測(cè)試光路空腔波前

使用3.39 μm紅外干涉儀對(duì)國(guó)內(nèi)部分材料制備商提供的口徑Φ200 mm紅外折射材料樣品測(cè)量折射率均勻性，結(jié)果如圖2所示，樣品硅和硒化鋅的折射率均勻性偏差小且分布比較均勻，但樣品鍺和硫化鋅的折射率均勻性偏差大且呈不規(guī)則分布。

圖2 （a）樣品硅、（b）樣品硒化鋅、（c）樣品鍺、（d）樣品硫化鋅的折射率均勻性分布

面向高性能的鏡頭裝調(diào)

初階像差的矯正

位置迭代調(diào)整矯正波前原理：按照計(jì)算機(jī)輔助裝調(diào)技術(shù)理論，理想光學(xué)系統(tǒng)的綜合像差與各光學(xué)件位置結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系可用近似線性方程組表示。

根據(jù)實(shí)測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的殘留像差，通過(guò)光學(xué)件的位置補(bǔ)償調(diào)整，可減小光學(xué)系統(tǒng)的初階像差，使調(diào)整后的光學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)盡可能接近理論系統(tǒng)。但紅外光學(xué)材料折射率均勻性的高偏差使得鏡頭按光學(xué)設(shè)計(jì)值精密定心后，系統(tǒng)波前殘留大量級(jí)的不規(guī)則像差，并且與調(diào)整量存在非線性關(guān)系，因此只能通過(guò)調(diào)整量ΔX迭代的方式收斂殘留初階像差。

在線裝調(diào)檢測(cè)：為了實(shí)現(xiàn)紅外折射式鏡頭的殘留初階像差最優(yōu)化處理，需將鏡頭裝調(diào)和檢測(cè)相統(tǒng)一，在鏡頭精密定心裝調(diào)后，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)波前，并依據(jù)實(shí)測(cè)初階像差在線迭代調(diào)整光學(xué)件位置。

為此，基于紅外折射式鏡頭精密定心的基礎(chǔ)上，通過(guò)在定心儀精密轉(zhuǎn)臺(tái)安置一個(gè)45°折轉(zhuǎn)鏡，配合鏡頭支撐工裝，將鏡頭垂直光軸轉(zhuǎn)換至水平方向，如圖3所示。在鏡頭入瞳上方安裝可調(diào)整角度的平面反射鏡，通過(guò)工況切換裝置的旋進(jìn)和旋出，實(shí)現(xiàn)鏡頭檢測(cè)和裝調(diào)工況的任意切換，并結(jié)合紅外干涉儀，使紅外折射式鏡頭裝調(diào)過(guò)程中具備系統(tǒng)波前檢測(cè)的功能。

圖3 在線裝調(diào)檢測(cè)平臺(tái)模型圖

在線迭代調(diào)整的關(guān)鍵是光學(xué)件在鏡筒內(nèi)可實(shí)時(shí)進(jìn)行傾斜、平移和間距的調(diào)整，原理如圖4所示，采用在鏡筒側(cè)壁均布的三個(gè)夾持裝置支撐光學(xué)件，通過(guò)對(duì)光學(xué)件端面三個(gè)支撐點(diǎn)的軸向組合升降，并結(jié)合鏡筒側(cè)壁頂絲的徑向協(xié)調(diào)伸縮，實(shí)現(xiàn)光學(xué)件在鏡筒內(nèi)的五維自由度調(diào)整。

圖4 位置迭代調(diào)整原理圖

中高階像差的補(bǔ)償

面形修配補(bǔ)償波前原理：理想成像光學(xué)系統(tǒng)的出射波前應(yīng)為完善球面波，當(dāng)系統(tǒng)具有像差時(shí)，系統(tǒng)出射波前將產(chǎn)生形變，實(shí)際波面與理想波面存在波像差，如圖5所示。

圖5 像差對(duì)系統(tǒng)波前影響示意圖

光學(xué)系統(tǒng)中殘留的中高階像差通常與光學(xué)件的位置失調(diào)關(guān)系不大，主要與光學(xué)件面形和參數(shù)加工精度及材料特性相關(guān)。按照波面的補(bǔ)償原理，可通過(guò)光學(xué)件面形的變形加工在系統(tǒng)中引入反殘留波像差的補(bǔ)償波面，將出射波前校正成完善球面波，如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)波前補(bǔ)償示意圖

光學(xué)系統(tǒng)波像差和光學(xué)件面形像差的分布均可通過(guò)極坐標(biāo)形式的Zernike多項(xiàng)式表征。為了降低變形鏡面形修配難度和提高補(bǔ)償波面匹配度，系統(tǒng)波前的初階像差采用光學(xué)件位置調(diào)整的方法矯正，僅對(duì)殘留的中高階像差進(jìn)行面形修配補(bǔ)償波前。一般而言，在折射式鏡頭光瞳處全口徑使用的光學(xué)件面形對(duì)全視場(chǎng)系統(tǒng)波像差影響最為均衡，為了保證補(bǔ)償波面對(duì)全視場(chǎng)中高階像差矯正效果，同時(shí)降低面形修配難度，將反殘留波像差等效在光瞳處光學(xué)件的表面附加變形面形，并嚴(yán)格按照面形的像差分布進(jìn)行面形修配。

反殘留波像差計(jì)算：折射式鏡頭通常具有視場(chǎng)角大的特點(diǎn)，由于材料折射率均勻性的高偏差，不同視場(chǎng)的系統(tǒng)殘留波像差因入射光線路徑不同而產(chǎn)生一定相對(duì)不規(guī)則差異，無(wú)法得到一個(gè)可全視場(chǎng)完善補(bǔ)償?shù)牟妗?/p>

圖7 波像差與入射角關(guān)系示意圖

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)波前補(bǔ)償效果，采用該技術(shù)對(duì)某全視場(chǎng)角13°的中波紅外折射式鏡頭進(jìn)行裝調(diào)，鏡頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖8所示，共由一塊窗口和六塊透鏡組成，其中窗口前表面為系統(tǒng)光瞳，鏡頭全視場(chǎng)MTF（@25 lp/mm）設(shè)計(jì)值為0.70，光學(xué)系統(tǒng)部分參數(shù)如表1所示。

圖8 紅外鏡頭的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖

表1 紅外鏡頭光學(xué)系統(tǒng)部分參數(shù)

鏡頭裝調(diào)采用精密定心的方式，為了便于光學(xué)件在線迭代調(diào)整，在鏡筒側(cè)壁預(yù)留了夾持裝置安裝位?；诩t外定心儀和紅外干涉儀構(gòu)建了在線裝調(diào)檢測(cè)平臺(tái)，其中夾持裝置的調(diào)整精度為±5 μm，其結(jié)構(gòu)形式和與鏡筒連接方式如圖9所示。

圖9 （a）夾持裝置的結(jié)構(gòu)形式；（b）夾持裝置與鏡筒的連接方式

鏡頭嚴(yán)格按照光學(xué)設(shè)計(jì)公差進(jìn)行裝調(diào)后，將平面反射鏡旋進(jìn)光路，使用3.39 μm紅外干涉儀在線進(jìn)行鏡頭三個(gè)視場(chǎng)的系統(tǒng)波前和MTF（@25 lp/mm）測(cè)試，像差分布采用36項(xiàng)Zernike系數(shù)擬合，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。因紅外材料折射率均勻性的高偏差導(dǎo)致各視場(chǎng)系統(tǒng)波前均呈三葉草形狀分布，殘留有較大的各階像差，三個(gè)視場(chǎng)的平均MTF（@25 lp/mm）僅為0.31，遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)值。

表2 鏡頭精密定心后的像質(zhì)測(cè)試結(jié)果

基于鏡1~6的靈敏度矩陣，針對(duì)三個(gè)視場(chǎng)系統(tǒng)波前初階像差進(jìn)行矯正。經(jīng)光學(xué)件位置迭代調(diào)整補(bǔ)償方法計(jì)算出，通過(guò)鏡2軸向移動(dòng)和鏡4徑向平移的組合調(diào)整，可快速且最優(yōu)化矯正系統(tǒng)波前初階像差。在裝調(diào)檢測(cè)平臺(tái)上根據(jù)系統(tǒng)實(shí)測(cè)波前，利用夾持裝置和鏡筒側(cè)壁頂絲實(shí)時(shí)迭代調(diào)整鏡2軸向移動(dòng)和鏡4徑向平移，直至各項(xiàng)初階像差達(dá)到最小值。調(diào)整后鏡頭系統(tǒng)波前和MTF（@25 lp/mm）測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，三個(gè)視場(chǎng)的系統(tǒng)波前初階像差基本矯正，殘留的中高階像差基本無(wú)變化，各視場(chǎng)平均MTF（@25 lp/mm）提升至0.46。

表3 鏡頭迭代調(diào)整后的像質(zhì)測(cè)試結(jié)果

對(duì)于鏡頭三個(gè)視場(chǎng)殘留的中高階像差，按照面形修配補(bǔ)償波前的方法計(jì)算反殘留波像差，并等效在系統(tǒng)光瞳處窗口前表面進(jìn)行面形修配。修配后窗口的透射波前測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 修配后窗口的透射波前測(cè)試結(jié)果

將修配后窗口按波前補(bǔ)償匹配方位安裝到鏡筒中，鏡頭三個(gè)視場(chǎng)的系統(tǒng)波前和MTF（@25 lp/mm）測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5，各視場(chǎng)各階像差得到有效補(bǔ)償，平均MTF（@25 lp/mm）提升至0.67，基本接近設(shè)計(jì)值。系統(tǒng)波前補(bǔ)償完成后，從鏡筒側(cè)壁注膠孔對(duì)各光學(xué)件徑向注膠，待膠斑固化，將夾持裝置從鏡筒拆下，使光學(xué)件處于懸浮膠粘狀態(tài)，鏡頭裝調(diào)完成。

表5 鏡頭面形修配后的像質(zhì)測(cè)試結(jié)果

結(jié)論

由于紅外材料折射率均勻性的高偏差，使得高性能的紅外折射式鏡頭裝調(diào)十分困難。文中在精密定心裝調(diào)的基礎(chǔ)上，提出了一種面向高性能的紅外折射式鏡頭裝調(diào)技術(shù)。通過(guò)在線檢測(cè)裝置和夾持裝置的引入，將鏡頭裝調(diào)和檢測(cè)相融合，并以系統(tǒng)靈敏度矩陣為依據(jù)，實(shí)時(shí)迭代調(diào)整光學(xué)件位置矯正初階像差。同時(shí)對(duì)系統(tǒng)殘留的中高階像差，采用修配光瞳處光學(xué)件面形，引入反殘留波像差的方式補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)可大幅提升紅外折射式鏡頭成像性能，打破傳統(tǒng)折射式鏡頭裝調(diào)方法的局限，為高性能紅外系統(tǒng)研制提供了一種可行途徑。

審核編輯：劉清