目前，國內(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)定心儀測量光學件像點隨回轉軸旋轉的軌跡，計算和調(diào)整光學件的中心偏。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，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??。相較于可見折射材料10??量級的折射率均勻性，紅外材料折射率均勻性的高偏差相當于在成像系統(tǒng)中引入額外的不規(guī)則像差，將導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)的核心是光學件光軸一致性和間距的控制，對系統(tǒng)不規(guī)則像差的矯正無能為力。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，北京空間機電研究所的科研團隊在《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”為主題的文章。該文章第一作者和通訊作者為黃陽高級工程師，主要從事光學裝調(diào)和檢測方面的研究工作。

針對紅外光學材料折射率不均勻導致系統(tǒng)波前產(chǎn)生異常像差，從而引起鏡頭像質(zhì)嚴重下降的問題，本研究提出了一種光學件位置迭代調(diào)整和面形修配相結合的系統(tǒng)波前補償方法，實現(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件材料主要有鍺、硅、硒化鋅和硫系玻璃等，多采用晶體生長的方式制備，材料在生長過程中受溫度或壓力等因素波動的影響，會導致不同區(qū)域晶格生長殘余應力水平不同，引起材料各區(qū)域的折射率存在一定偏差。

在光學上采用四步干涉法測量光學材料的折射率均勻性，如圖1所示，通過測試待測材料平面樣品的前后表面反射波前、透射波前和測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）測試光路空腔波前

使用3.39 μm紅外干涉儀對國內(nèi)部分材料制備商提供的口徑Φ200 mm紅外折射材料樣品測量折射率均勻性，結果如圖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：按照計算機輔助裝調(diào)技術理論，理想光學系統(tǒng)的綜合像差與各光學件位置結構參數(shù)之間的函數(shù)關系可用近似線性方程組表示。

根據(jù)實測光學系統(tǒng)的殘留像差，通過光學件的位置補償調(diào)整，可減小光學系統(tǒng)的初階像差，使調(diào)整后的光學系統(tǒng)指標盡可能接近理論系統(tǒng)。但紅外光學材料折射率均勻性的高偏差使得鏡頭按光學設計值精密定心后，系統(tǒng)波前殘留大量級的不規(guī)則像差，并且與調(diào)整量存在非線性關系，因此只能通過調(diào)整量ΔX迭代的方式收斂殘留初階像差。

在線裝調(diào)檢測：為了實現(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)和檢測相統(tǒng)一，在鏡頭精密定心裝調(diào)后，實時監(jiān)測系統(tǒng)波前，并依據(jù)實測初階像差在線迭代調(diào)整光學件位置。

為此，基于紅外折射式鏡頭精密定心的基礎上，通過在定心儀精密轉臺安置一個45°折轉鏡，配合鏡頭支撐工裝，將鏡頭垂直光軸轉換至水平方向，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，通過工況切換裝置的旋進和旋出，實現(xiàn)鏡頭檢測和裝調(diào)工況的任意切換，并結合紅外干涉儀，使紅外折射式鏡頭裝調(diào)過程中具備系統(tǒng)波前檢測的功能。

圖3 在線裝調(diào)檢測平臺模型圖

在線迭代調(diào)整的關鍵是光學件在鏡筒內(nèi)可實時進行傾斜、平移和間距的調(diào)整，原理如圖4所示，采用在鏡筒側壁均布的三個夾持裝置支撐光學件，通過對光學件端面三個支撐點的軸向組合升降，并結合鏡筒側壁頂絲的徑向協(xié)調(diào)伸縮，實現(xiàn)光學件在鏡筒內(nèi)的五維自由度調(diào)整。

圖4 位置迭代調(diào)整原理圖

中高階像差的補償

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

圖5 像差對系統(tǒng)波前影響示意圖

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

圖6 系統(tǒng)波前補償示意圖

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

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

圖7 波像差與入射角關系示意圖

實驗驗證

為了驗證系統(tǒng)波前補償效果，采用該技術對某全視場角13°的中波紅外折射式鏡頭進行裝調(diào)，鏡頭的光學結構如圖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MTF（@25 lp/mm）設計值為0.70，光學系統(tǒng)部分參數(shù)如表1所示。

圖8 紅外鏡頭的光學結構圖

表1 紅外鏡頭光學系統(tǒng)部分參數(shù)

鏡頭裝調(diào)采用精密定心的方式，為了便于光學件在線迭代調(diào)整，在鏡筒側壁預留了夾持裝置安裝位。基于紅外定心儀和紅外干涉儀構建了在線裝調(diào)檢測平臺，其中夾持裝置的調(diào)整精度為±5 μm，其結構形式和與鏡筒連接方式如圖9所示。

圖9 （a）夾持裝置的結構形式；（b）夾持裝置與鏡筒的連接方式

鏡頭嚴格按照光學設計公差進行裝調(diào)后，將平面反射鏡旋進光路，使用3.39 μm紅外干涉儀在線進行鏡頭三個視場的系統(tǒng)波前和MTF（@25 lp/mm）測試，像差分布采用36項Zernike系數(shù)擬合，測試結果見表2。因紅外材料折射率均勻性的高偏差導致各視場系統(tǒng)波前均呈三葉草形狀分布，殘留有較大的各階像差，三個視場的平均MTF（@25 lp/mm）僅為0.31，遠低于設計值。

表2 鏡頭精密定心后的像質(zhì)測試結果

基于鏡1~6的靈敏度矩陣，針對三個視場系統(tǒng)波前初階像差進行矯正。經(jīng)光學件位置迭代調(diào)整補償方法計算出，通過鏡2軸向移動和鏡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)檢測平臺上根據(jù)系統(tǒng)實測波前，利用夾持裝置和鏡筒側壁頂絲實時迭代調(diào)整鏡2軸向移動和鏡4徑向平移，直至各項初階像差達到最小值。調(diào)整后鏡頭系統(tǒng)波前和MTF（@25 lp/mm）測試結果見表3，三個視場的系統(tǒng)波前初階像差基本矯正，殘留的中高階像差基本無變化，各視場平均MTF（@25 lp/mm）提升至0.46。

表3 鏡頭迭代調(diào)整后的像質(zhì)測試結果

對于鏡頭三個視場殘留的中高階像差，按照面形修配補償波前的方法計算反殘留波像差，并等效在系統(tǒng)光瞳處窗口前表面進行面形修配。修配后窗口的透射波前測試結果見表4。

表4 修配后窗口的透射波前測試結果

將修配后窗口按波前補償匹配方位安裝到鏡筒中，鏡頭三個視場的系統(tǒng)波前和MTF（@25 lp/mm）測試結果見表5，各視場各階像差得到有效補償，平均MTF（@25 lp/mm）提升至0.67，基本接近設計值。系統(tǒng)波前補償完成后，從鏡筒側壁注膠孔對各光學件徑向注膠，待膠斑固化，將夾持裝置從鏡筒拆下，使光學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)測試結果

結論

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)的基礎上，提出了一種面向高性能的紅外折射式鏡頭裝調(diào)技術。通過在線檢測裝置和夾持裝置的引入，將鏡頭裝調(diào)和檢測相融合，并以系統(tǒng)靈敏度矩陣為依據(jù)，實時迭代調(diào)整光學件位置矯正初階像差。同時對系統(tǒng)殘留的中高階像差，采用修配光瞳處光學件面形，引入反殘留波像差的方式補償。實驗結果表明，該技術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