應用于紅外光學系統(tǒng)的鋁合金反射鏡面型變形研究

項建勝，潘國慶,2，孟衛(wèi)華,2

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應用于紅外光學系統(tǒng)的鋁合金反射鏡面型變形研究

項建勝1，潘國慶1,2，孟衛(wèi)華1,2

（1.中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009；2.航空制導武器航空科技重點實驗室，河南 洛陽 471009）

鋁合金反射鏡應用于紅外光學系統(tǒng)中，其表面變形會對光學系統(tǒng)成像質(zhì)量造成較大影響。通過光學系統(tǒng)傳遞函數(shù)測試儀器進行大量的實際傳遞函數(shù)測試可以得出變形鋁合金反射鏡對整機傳遞函數(shù)主要的影響情況。通過分析影響，并在光學系統(tǒng)設計軟件中進行仿真，得出鋁合金反射鏡的主要變形特點，即鋁合金反射鏡整體和局部的曲率誤差。建立了整體和局部曲率誤差的表面面型模型，定量化分析了變形對成像質(zhì)量的影響。針對典型的變形特點，改進了安裝方式，使反射鏡受力均勻，其變形情況得到緩解，從而保證光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量達到要求。

鋁合金反射鏡；紅外光學系統(tǒng)；光學系統(tǒng)傳遞函數(shù)

0 引言

鋁合金反射鏡由于材料特性具有易于加工的特點，特別是目前單點金剛石數(shù)控車削技術的成熟[1]，使其表面可加工成高精度非球面或衍射面面型，有利于光學系統(tǒng)的像差矯正，可以有效地減少光學元件數(shù)量降低成本，因此在光學系統(tǒng)中的應用極為廣泛。而紅外反射式光學系統(tǒng)具有相對口徑大、結構緊湊輕量化等特點，而且反射式光學系統(tǒng)具有無色差、工作波段寬的優(yōu)點，因此鋁合金反射鏡在紅外光學系統(tǒng)中應用更為頻繁。

相比于非金屬材質(zhì)的反射鏡，如K9、碳化硅、石英材料、微晶玻璃材料等，雖然鋁合金反射鏡有上述優(yōu)點，但在實際使用中也存在一定的缺點。鋁合金反射鏡相對非金屬材料的反射鏡更易受外界條件（高低溫環(huán)境、振動環(huán)境、裝配環(huán)境等）的影響，出現(xiàn)其表面面型變形的情況。當其產(chǎn)生變形時，其表面面型質(zhì)量出現(xiàn)急劇下降導致光學系統(tǒng)出現(xiàn)諸多問題，如常溫成像質(zhì)量下降問題、高低溫環(huán)境下嚴重離焦成像模糊問題等[2-3]。

因此需要研究鋁合金反射鏡應用在紅外光學系統(tǒng)中的典型變形情況以及應對措施。通過設計驗證試驗與軟件仿真，初步得出了鋁合金反射鏡的典型變形情況及應對方法。

1 鋁合金反射鏡變形對成像質(zhì)量的影響

鋁合金反射鏡在裝配、整機使用中會不可避免的受到外界條件的影響（如裝配過程中對其產(chǎn)生的應力作用、不同環(huán)境溫度使用時產(chǎn)生的溫度應力等），產(chǎn)生一定的形變造成整機成像質(zhì)量出現(xiàn)異常下降。

通過光學系統(tǒng)傳遞函數(shù)測試儀對光學系統(tǒng)的傳遞函數(shù)及點擴展函數(shù)進行測量，依此來考核成像質(zhì)量。光學系統(tǒng)傳遞函數(shù)可以準確、全面地反映系統(tǒng)的成像質(zhì)量。以下試驗與測試均是依托一個具體的中波光學系統(tǒng)進行的，因此有必要先對該中波光學系統(tǒng)進行簡要介紹。該紅外光學系統(tǒng)工作在中波段，采用制冷型探測器，其視場角為±1.5°相對口徑0.5，焦距為110mm。根據(jù)其視場角與相對口徑大小，采用折反式光路結構比較合適。光學系統(tǒng)的主要組成如圖1所示。光學系統(tǒng)由前置保護性球罩、主、次反射鏡及4片紅外透鏡組成。其中主次反射鏡組成卡塞格林系統(tǒng)形成一次像面，后續(xù)透鏡組形成二次像面[4]。

圖1 中波光學系統(tǒng)光路圖

通過Code V軟件公差分析得出，主次反射鏡的相對位置、安裝精度以及其與二次系統(tǒng)的光軸一致性，對成像質(zhì)量影響較大。因此在裝配中重點對這幾個因素進行測試調(diào)整，保證裝配精度。在裝配中首先采用可見光透射式中心偏檢測儀，將主次反射鏡的組合光軸調(diào)整到與安裝機械基準的偏差在102以內(nèi)；在此基礎上以主次反射鏡組合光軸為基準，采用紅外透射式中心偏檢測儀，將反射系統(tǒng)與二次成像系統(tǒng)組合調(diào)試，通過調(diào)整二次成像透鏡元件使光學系統(tǒng)光軸偏差在102以內(nèi)。通過上述裝配調(diào)整可以保證光學元件的安裝精度。本文討論的光學系統(tǒng)在經(jīng)過上述裝配后，經(jīng)測試仍然出現(xiàn)了成像質(zhì)量的下降，在排除了裝配因素后，對光學零件的加工質(zhì)量進行了檢測，發(fā)現(xiàn)二次成像光學元件的加工精度均滿足要求。因此認為鋁合金反射鏡的自身面型誤差會對成像質(zhì)量造成比較大的影響。

本文著重討論鋁合金主反射鏡的變形對成像質(zhì)量的影響。主反射鏡采用鋁合金材料并通過單點金剛石車削的方法在其表面加工成高精度的非球面面型，主反射鏡起到主要的光路匯聚及像差矯正作用，其表面面型精度對成像質(zhì)量有決定性的影響。

通過對光學系統(tǒng)軸上視場傳遞函數(shù)測試發(fā)現(xiàn)，鋁合金反射鏡變形對成像質(zhì)量主要有兩個方面的影響：

1）通過測試光學系統(tǒng)傳遞函數(shù)發(fā)現(xiàn)，軸上視場在子午、弧矢兩個垂直方向上存在較大的分離，具體描述就是光學系統(tǒng)軸上像點在子午、弧矢的最佳匯聚點在光軸方向上存在較大偏差，偏差嚴重者達到了200mm。根據(jù)幾何像差理論，光學系統(tǒng)在軸上視場是不存在像散像差的，但實際光學系統(tǒng)軸上視場表現(xiàn)出軸外視場才存在的像散現(xiàn)象。由于上述現(xiàn)象的存在，導致光學系統(tǒng)軸上傳遞函數(shù)急劇下降，不滿足成像質(zhì)量要求。存在此種現(xiàn)象的測試結果如圖2所示。從圖中可以看出軸上視場子午、弧矢方向的傳遞函數(shù)出現(xiàn)了較大的分離現(xiàn)象，其中一個方向傳遞函數(shù)下降比較嚴重。

圖2 光學傳遞函數(shù)子午弧矢分離

2）通過光學系統(tǒng)傳遞函數(shù)測試儀對光學系統(tǒng)的線擴展函數(shù)測試發(fā)現(xiàn)，光學系統(tǒng)軸上視場的線擴展函數(shù)存在一定次級峰現(xiàn)象，造成光學傳遞函數(shù)出現(xiàn)較大程度的下降，嚴重影響成像質(zhì)量。實際測試出的光學系統(tǒng)線擴展函數(shù)存在次級峰的情況如圖3所示。

光學系統(tǒng)與紅外探測器適配后，觀察點目標成像像點可以發(fā)現(xiàn)，像點彌散較為嚴重；對場景成像發(fā)現(xiàn)圖像對比度較低，分辨率較差。為了解決該問題，需要深入分析鋁合金反射鏡變形情況及其上述問題的聯(lián)系。

2 鋁合金反射鏡變形與成像質(zhì)量的關系

著重分析上述兩種成像問題與鋁合金給出了反射鏡變形情況的具體聯(lián)系。圖4給出了鋁合金反射鏡的安裝方法，鋁合金反射鏡是通過膠粘的方式固定在鏡筒內(nèi)。從圖中看出當鋁合金主反射鏡完成裝配后會受到一定的外部作用力，主要包括粘接膠的固化應力、鏡筒（由于熱膨脹系數(shù)不同）作用力、環(huán)境溫度應力等。在這些作用力下，鋁合金反射鏡會不可避免地發(fā)生一定形變，造成上述問題。

圖3 線擴展函數(shù)存在次級峰

圖4 鋁合金反射鏡安裝示意圖

2.1 軸上像散現(xiàn)象與鋁合金反射鏡變形的關系

測試中發(fā)現(xiàn)的兩種成像質(zhì)量問題中的第一種就是光學系統(tǒng)軸上視場存在軸外視場才存在的像散現(xiàn)象。即在軸上子午、弧矢兩個正交方向的最佳匯聚點存在一定的軸向偏差，排除了裝配因素、其余光學零件的加工問題后，這個問題對應到反射鏡上可以表述為在子午、弧矢2個正交方向上反射鏡的曲率半徑存在偏差，這樣就造成了軸上像散現(xiàn)象。從外部作用力的角度分析，鋁合金反射鏡在子午弧矢2個正交方向上受到了不對稱作用力，導致了其在正交方向上曲率半徑不一致。

按照上述分析，建立一個在正交方向上曲率半徑不一致的反射面型，引入到光學系統(tǒng)中進行仿真分析，分析光學系統(tǒng)傳遞函數(shù)與實際測試結果有無一致性。這種變形的高次非球面面型的數(shù)學方程描述如式(1)所示：

式中：為沿光軸方向的矢高；、分別代表正交的2個方向；C、C分別為、方向的曲率；K、K分別為、方向的二次系數(shù)；為四次項非球面系數(shù)，為六次項非球面系數(shù)。

鋁合金反射鏡曲率半徑為120mm，通過輪廓儀測試正交方向上的曲率半徑，差值在0.04～0.06mm范圍內(nèi)。按照0.04mm曲率半徑差值計算得出變形非球面的矢高分布圖如圖5所示。

圖5 正交方向曲率半徑不一致的全表面矢高圖

從圖中可以看出當正交曲率半徑不一致時，反射鏡矢高的等高線已經(jīng)出現(xiàn)了橢圓，而且隨著口徑增大橢圓度也在增加。鋁合金反射鏡在正交方向上發(fā)生了形變，其在正交方向上受到了不同大小作用力的影響才出現(xiàn)了上述現(xiàn)象。

為了驗證這種變形對光學系統(tǒng)傳遞函數(shù)的影響，將上述變形面型輸入到光學系統(tǒng)仿真計算軟件中，仿真得出其傳遞函數(shù)如圖6所示。從圖中可以明顯看出，軸上視場子午弧矢兩個方向出現(xiàn)了較大程度的分離現(xiàn)象，其中弧矢方向曲率半徑為正常值，而子午方向曲率半徑減小了0.04mm。對比之前的實際測試結果，認為仿真分析結果與實測結果一致。

通過分析實際測試結果與仿真計算結果，認為出現(xiàn)軸上像散現(xiàn)象的主要原因就是鋁合金反射鏡在正交方向上出現(xiàn)了形變，而導致鋁合金反射鏡正交方向形變的因素是其受到了不對稱作用力。

圖6 正交方向變形時的傳遞函數(shù)仿真結果

2.2 線擴展函數(shù)次級峰現(xiàn)象與鋁合金反射鏡變形的關系

在測試中發(fā)現(xiàn)部分光學系統(tǒng)線擴展函數(shù)存在次級峰響應的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象嚴重影響光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量。次級峰響應即光學系統(tǒng)像點存在一個次級匯聚點，而且與主匯聚點在沿光軸方向上存在一定的偏差。通過分析試驗現(xiàn)象并結合線擴展函數(shù)的含義及其測試方法，認為引起這種現(xiàn)象的主要原因是鋁合金反射鏡發(fā)生了局部形變，即鋁合金反射鏡的反射面局部曲率半徑出現(xiàn)了偏差。對這種變形的鋁合金反射鏡面型的數(shù)學描述如下：

按照局部曲率半徑變化0.04mm，根據(jù)式(2)、(3)計算得出變形反射面的矢高分布圖如圖7所示。

從圖中可以看出環(huán)形變形處的等高線明顯異于其他部位。從實際效果來看，對于光學系統(tǒng)來說，以子午方向為例通光口徑內(nèi)的除了一個主匯聚點外還存在一個次級響應點，表現(xiàn)為線擴展函數(shù)存在次級峰響應。

將此局部變形面型輸入到光學仿真計算軟件中，仿真得出其線擴展函數(shù)如圖8所示。可以看出線擴展函數(shù)中存在次級峰響應，與實際測試結果一致。由于次級峰響應的存在，造成光學系統(tǒng)傳遞函數(shù)相比于衍射極限嚴重下降，如圖9所示。

圖7 局部變形矢高圖

圖8 局部變形線擴展函數(shù)仿真結果

圖9 局部變形傳遞函數(shù)仿真結果

從鋁合金主反射鏡裝配方法分析，采用膠粘的裝配方法，而不是采用柔性裝配導致鋁合金反射鏡受到了較大外部作用力。該外部作用力主要來自于粘接膠的應力，鋁合金反射鏡受到了過度擠壓，導致出現(xiàn)上述局部變形，造成成像質(zhì)量下降。

至此，對兩種變形情況對成像質(zhì)量的影響均進行了分析與仿真，仿真分析結果與實際試驗結果一致，因此可以說采用上述裝配方法的鋁合金反射鏡變形情況主要為上述兩種情況。針對這兩種主要的變形情況，采取針對性解決措施緩解變形，使光學系統(tǒng)成像質(zhì)量恢復正常。

3 鋁合金反射鏡變形的主要解決措施

根據(jù)上述分析，找出了鋁合金反射鏡的主要變形形式及其對成像質(zhì)量的影響。在實際系統(tǒng)中這兩種變形大部分情況下是同時存在的，對成像質(zhì)量的影響更為嚴重。

第一種變形即正交方向曲率半徑不一致的變形，這種變形應是鋁合金反射鏡在正交方向上受到了不對稱作用力。根據(jù)其裝配方法可知，鋁合金反射鏡通過在周邊涂膠的方式固定在鏡筒上，粘接膠在裝配間隙中的分布肯定是不均勻的，因此粘接膠的粘接應力也是不均勻的，很容易對反射鏡造成不對稱作用力而造成形變。

第二種變形情況即鋁合金反射鏡存在局部曲率半徑不一致的變形。通過分析反射鏡的裝配圖，可以看出粘接面為反射鏡的整個側(cè)圓柱面，因此反射面對應的側(cè)圓柱面部分也涂抹了粘接膠，如圖10中上邊緣虛線部分。而這部分粘膠應力是直接作用在反射面部分，會造成反射面受到較大的作用力，從而造成其面型變化形成形變[5]。

圖10 反射鏡示意圖

根據(jù)以上分析得出了造成鋁合金反射鏡兩種變形的主要原因，針對分析的原因可以采取針對性措施來緩解其變形情況。第一種變形情況，可以采用改進粘接膠涂抹方式，在實際操作中可采用在反射鏡側(cè)圓柱配合面上三點均布式的涂抹方法，使反射鏡受力趨向均勻，緩解之前涂抹方式帶來的受力不均勻現(xiàn)象。第二種變形情況，針對引起的原因在實際操作中使粘接膠盡量涂抹在圖10中實線部分，而反射面對應的虛線部分盡量少涂抹或不涂抹膠，改進后反射面受到作用力大大減小，其面型接近于自由狀態(tài)。

通過以上針對性改進措施，光學系統(tǒng)成像質(zhì)量得到了極大程度的提高，上述兩種變形情況得到緩解。從實際傳遞函數(shù)測試結果可以看出軸上子午、弧矢兩個方向重合度好，測試值已經(jīng)接近設計指標，實際傳遞函數(shù)測試結果如圖11所示。

圖11 改進后的光學傳遞函數(shù)測試結果

4 結論

對應用于紅外光學系統(tǒng)的小口徑鋁合金反射鏡的變形情況進行了研究，研究中利用光學系統(tǒng)傳遞函數(shù)測試儀器對多個光學系統(tǒng)進行實際光學傳遞函數(shù)測試，并建立面型變形方程進行仿真計算，得出了兩種影響成像質(zhì)量的變形情況。針對變形情況在實際光學系統(tǒng)中采取針對性解決措施，緩解了由于裝配應力鋁合金反射鏡的變形量，使光學系統(tǒng)成像質(zhì)量得到了較大的提高。

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Research on Anamorphosis of Aluminum Mirror Used in Infrared System

XIANG Jiansheng1，PAN Guoqing1,2，MENG Weihua1,2

(1.,471009,; 2.,471009,)

If the surface of aluminum mirror is anamorphic, it will reduce the image quality in the infrared optical system. The influence to OTF of optical system of the mirror anamorphosis can be measured by the OTF equipment. By analysis of the influence and simulation with the optical design software, the specificity of the mirroranamorphosis is got，which are the difference of curvature in the total or local area . The models of surface in total or local curvature error are founded, and the influence to the image quality is analyzed quantitatively. For the classic specificity, the assembly of the mirror is improved, so the mirror is suffered in uniform, and the mirror anamorphosis is corrected. So the image quality is in coincidence with the target.

aluminum mirror，infrared system，OTF

TB133，TN216

A

1001-8891(2017)02-0147-05

2016-04-14；

2016-05-14.

項建勝（1982-），男，高級工程師，主要從事紅外光學系統(tǒng)設計、雜散光、裝配等方面的研究。Email：gogoman2000@126.com。