卡塞格林系统光学装调技术研究

张向明，姜 峰，孔龙阳，李玉喜，刘奕辰，张锦亮，赵红军，王智超，钟丽萍

（西安应用光学研究所，陕西 西安710065）

引言

随着光学加工与检测技术的发展，非球面光学系统已经被广泛应用于国防军工的各个领域。其中反射式卡塞格林系统有着大口径、长焦距、多波段的特点，常应用于多传感器光电系统光轴的校正［1］。卡塞格林光学系统中主镜的装调质量会极大地影响整个系统的成像水平。本文具体研究了粘接主镜的胶层中内应力产生的影响，并提出新的粘接与光学定中心方案。卡塞格林系统具有接近衍射极限的成像质量，装调的工艺技术水平会极大地影响系统的成像质量，传统的装调方法周期长，成像质量无法保证，本文利用计算机辅助装调技术来确保系统的成像质量，产品的成像分辨率可达1″以内。

1 卡塞格林系统的光学结构

卡塞格林光学系统是最广泛的两镜系统之一，主镜为凹的抛物面，次镜为凸的双曲面，该光学系统属于反射式系统，没有色差，口径一般较大，但存在中心遮拦。分划板位于卡塞格林系统的焦面处，一束平行光束经过主镜的第一次反射和次镜的第二次反射后会聚到分划板面上，如图1所示。该光学系统的主要装调步骤由主镜定光学中心、主镜粘接固定和光学系统装调3部分组成，其中主镜粘接和光学系统装调决定了系统的成像质量。

图1 光学系统图Fig.1 Optical system diagram

2 主镜的定中心方法

传统主镜定中心一般选用车削法：主镜座加工时留有一定的车削余量，主镜粘接到主镜座后，使用专用工装将其固定在车床上对主镜进行光学定中心，并按要求尺寸车削主镜座外圆。缺点是主镜座在装夹和车削过程中会受到应力影响，该应力经主镜座传递到主镜上，破坏镜体的面形精度，同时碎屑有时也会损伤主镜表面。本文使用三坐标测量法对主镜进行快速定中心，主镜装入到主镜座后水平放置于三坐标检测平台上，并通过三坐标测量仪建立x，y，z空间坐标系，如图2所示。z轴垂直于检测台面，即与主镜中心轴平行，在x，y确定的水平面内对主镜和主镜座外圆柱面进行外形参数采样，图2中的实线圆为主镜座外圆柱面多次采样后形成的轨迹，实圆点为根据采样点坐标拟合出的主镜座中心点，虚线圆为主镜外圆多次采样形成的轨迹（主镜外圆柱面高于主镜座的圆柱面），空心点是拟合出主镜的中心点，在基础坐标系上对2个中心点位置做差，其差值a即为主镜相对主镜座的中心偏差量。在主镜座圆柱面上加工有定位顶丝螺孔，如图3所示。在螺孔处旋上尼龙顶丝螺柱（不要使用金属螺钉，防止损伤玻璃），通过尼龙顶丝螺柱的推顶作用，使主镜在主镜座中微量移动，当主镜中心轴线与主镜座中心轴线重合时，旋紧尼龙顶丝螺柱，固定主镜位置，完成主镜的定心。该方法定中心简便直观快捷，但是定中心精度受采样频率和零件外形误差影响，一般要求将定中心偏差控制在0.1mm以内，满足次镜调整范围即可。

图2 三坐标测量仪定中心示意图Fig.2 Schematic diagram of centering by three－coordinate measuring device

3 主镜的胶结固定

主镜在粘接过程中会受到胶层内应力影响引起面形变化，内应力是指胶层固化时体积收缩和胶层与被粘件热膨胀系数差异所造成的存在于粘接体系内部的应力［2］。本文选用硅橡胶作为胶结剂，通过大量的实验研究，找到了胶层内应力产生的主要原因，并针对这4种情况提出了解决方案：

1）固化导致的胶层体积收缩。胶层固化是一种化学反应，反应过程会使胶体产生收缩，形成收缩应力［3］，这种应力会严重削弱界面黏合力，降低粘接强度。考虑到硅橡胶在固化反应时没有水和其他挥发性物质产生，收缩率很低，内应力较小，同时硅橡胶还具有部分吸收外部应力的能力，通过实验表明使用硅橡胶粘接可以有效降低镜体所受应力的影响。

2）主镜与主镜座热膨胀系数的差异。两者差异越大，温度变化时在胶层界面上形成热应力就越大。铟钢材料与主镜材料的膨胀率相近，可以有效降低材料热膨胀系数的差异对胶层的影响，同时粘接过程中环境温度应保持恒定不变，可使温度引起的变形量降到最低。

3）主镜与主镜座粘接表面的面形差异。这里需要分别考虑主镜与主镜座粘接面面形以及主镜座与镜筒安装基面的匹配程度，主镜与镜座粘接面面形匹配程度低会导致胶层厚度不均匀，影响胶层的粘接强度和内应力的均匀性［4］。主镜座与镜筒安装基面面形差异大则会产生装配应力，因此在提高加工精度基础上，应减小安装基面的配合面积。

4）胶层内部的气泡。涂胶时如果方式不当就会在胶液内部产生气泡，这些气泡不但会影响结构胶的胶结强度，同时会导致胶层内部产生应力［5］。灌胶时应尽量避免胶液内产生气泡，如不慎引入气泡，需要将气泡刺破，重新填胶。

传统的粘接方法是在灌胶槽中一次填满硅橡胶，然后静置24h～48h，待胶固化后将定位用顶丝螺柱从顶丝孔中旋出，完成主镜的粘接。硅橡胶具有吸收水汽才能固化的特性［6］，胶液外表会形成一层致密的膜，阻止水汽进入胶层内部，导致内部依然呈液态，无法完全固化，产生内应力。本文采用了一种多层次涂胶分段固化的新方法。在恒温环境下，主镜圆周每隔120°均布的3段位置均匀涂硅橡胶，每段长度不宜超过50mm，应严格控制涂胶量，防止胶液出现表面固化而内部半固化的情况，同时避免胶液内部存有气泡，涂胶速度要快，尽量保证3处涂胶点同时固化，待胶层完全固化后再次涂胶，直至完全填充灌胶槽，然后另外选取3段位置进行涂胶，方法同上。待主镜圆周均涂胶固化后，旋出定位顶丝螺柱，完成主镜粘接。图3为分段涂胶的示意图，图4显示胶粘过后的主镜面形干涉图样，可见干涉条纹均匀，面形较好。

图3 分段涂胶示意图Fig.3 Schematic diagram of piecewise gluing

图4 主镜粘接后的干涉面形Fig.4 Interferometric surface after main mirror bonded

4 使用ZYGO干涉仪对光学系统进行校正

本文所述卡塞格林光学系统焦距f＝3 000 mm，口径D＝300mm，F／10，装调过程中采用自准直光路，在主次镜前方放置平面反射镜，在系统焦平面处放置ZYGO干涉仪进行测量，干涉仪一般选用干涉光源为632.8nm的Fizeau型激光干涉系统，镜头选用4″，F／3.3的透射球面镜头。卡塞格林系统中心高度与ZYGO干涉镜头中心高度一致，平面反射镜口径应大于被测光学系统最大通光孔径，如图5所示。

图5 装调检测光路Fig.5 Optical path of alignment detection

4.1 计算机辅助装调原理

光学系统的装调直接影响了整个系统的光学性能，普通的装调方式容易导致光学系统失调，引入像差，使波相差变大，导致系统成像质量下降［7］。计算机辅助装调是根据实测像质，将得到的波前信息与光学系统设计时的理论结果相对比，通过计算机分析计算，确定出失调量大小及方向，根据失调量与初级像差的关系，调整失调量，使像差得到快速收敛。像差是失调量结构参数的函数，在近轴区域，像差与主次镜的位置失调量近似成线性关系，其函数关系式表示为［8］

式中：A代表结构参数失调量对引起像差变化的影响系数，ΔX代表主次镜之间的相对位置失调量，ΔF为系统像差实际值与理论值之差。计算机辅助装调技术使用Zernike多项式来描述系统的像差，并与光学元件的位置参数联系起来，得到校正变量的变化量，使像差快速收敛。理论上Zernike多项式的系数数值绝对值应越小越好，考虑到镜子的加工误差，应力变形产生的残余误差等，上述误差与失调误差混合在一起，导致Zernike多项式的系数绝对值只有极小值［9］。光学系统装调主要是调整系统的初级像差，对于全反射系统，无需考虑色差，在装调过程中，场曲不会变化，而畸变在干涉图中无法反映出来，需要校正的像差为球差、彗差和像散。Zernike多项式中的Z4～Z8系数分别代表球差、彗差和像散［10］，如表1所示。

表1 初级像差Table 1 Primary aberration

4.2 调试方法研究

球差是轴上同心光束经光学系统后会聚于光轴上的不同点，相对理想像点有不同的偏离，因此球差与主次镜之间的距离有直接关系，当主次镜间的距离满足设计要求时，可以消除系统球差。彗差是轴外宽光束像差，是由于光学系统不对称造成的，星点检测时会形成彗星状弥散斑，彗差主要由主次镜的不同心造成的，当主次镜同心后，系统彗差就会基本消除。像散是光束波面通过光学系统出射后变成非对称波面造成的，其表现形式为图像在水平向和俯仰向不能同时清晰，主次镜间光轴倾斜是引起像散的主要因素。实际装调过程中，固定主镜作为基准，调整次镜的相对位置，首先以系统光轴为z轴建立x，y，z坐标系，垂直光轴的水平方向建立x轴，垂直方向建立y轴，如图6所示。球差是轴上像差，次镜的轴向平移影响系统的球差，且次镜在一定范围内沿垂轴方向平移和倾斜对系统球差几乎没有影响，通过隔圈厚度来调整次镜轴向平移量，球差消除后，系统的焦距也会达到设计要求。彗差、像散均是轴外像差，需要调整次镜的偏心和倾斜来消除，且偏心和倾斜对系统彗差和像散均有影响，但其贡献量不一致，彗差通过x、y向平移次镜可有效地消除，像散通过x、y向倾斜次镜可有效地消除，其符号由偏心和倾斜的方向决定，大小取决于偏心和倾斜幅值的大小。球差、彗差和像散的精确检测，决定了次镜位置和角度的调整精度。

图6 次镜调试的坐标图Fig.6 Coordinate diagram for debugging of secondary mirror

通过反复调整，最终测量RMS值达到0.10λ左右。从检测结果可知，系统的球差得到了较好的校正，表明主次镜的距离基本正确，剩余的初级像差主要是彗差和像散，也得到了较好的校正。图7为调校后光学系统的干涉图样。

图7 调校后系统的干涉图样Fig.7 System interference pattern after adjustment

5 像质评价

卡塞格林系统装调完成后，使用焦距为3m的平行光管对系统进行星点检测和分辨率检测。将系统正对平行光管出射光方向，选用星点孔为∅0.05mm的星点板，使用测量显微镜进行观察，观察到的星点像均匀，前后推拉显微镜，可见系统无明显像差。分辨率检测，可实现1″以内的分辨率，焦距测量为3.002m，像质良好，符合设计要求。

图8 星点和分辨率板检测图像Fig.8 Star and resolution detecting diagrams

6 结论

本文以某型卡塞格林系统为基础，提出了主镜快速定中心及微应力粘接方案，光学系统采用计算机辅助装调的新方法。本文对主镜快速定中心的原理及方法进行了阐述，同时对主镜的粘接固定方法进行研究，提出并分析了胶层内应力产生的原因及消除方法，将主镜面形变化量控制在极小的范围内。计算机辅助装调法解决了传统光学装调周期长、不定量的缺点，适用于装校精度要求高的反射式光学系统，通过像差与调整变量之间的关系对光学系统进行装校，并计算失调量的大小及方向，可指导光学系统的装调。实践证明，采用本文调校方法系统成像质量良好，系统分辨率达到1″以内。

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