卡塞格林式離軸反射系統準直儀的設計與裝調方法

徐正奎，王春興，王世錦，王貴全，蔡順文，李曉斌，黃 聲

卡塞格林式離軸反射系統準直儀的設計與裝調方法

徐正奎1，王春興1，王世錦2，王貴全1，蔡順文1，李曉斌1，黃 聲1

（1. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2. 重慶軍代局駐昆明地區第一軍代室，云南 昆明 650032）

根據生產需要，設計、生產了焦距為8m的卡塞格林式離軸反射系統準直儀，并構建先進裝調方法精準裝校，通過干涉圖像和干涉條紋的判讀，使卡式準直儀系統的成像質量接近設計水平，解決生產中準直儀最長焦距只有3m而無對應的產品所需空間頻率的紅外鑒別率測試靶板問題。

離軸反射系統；四桿靶；裝調方法

0 引言

平行光管檢測設備準直儀按光學透鏡形式分為透射式系統和反射式系統。用于紅外產品檢測所需的大口徑準直儀，因透射式所需透鏡直徑大，紅外透鏡材料需特制成本高且加工困難，因此反射式系統是最佳選擇。反射式系統準直儀按光學結構形式分為牛頓式反射系統和卡塞格林式反射系統（簡稱卡式反射系統），牛頓式反射系統只由一片離軸拋物面反射鏡與平面反射鏡構成，卡式反射系統是由一片離軸拋物面主反射鏡、一片雙曲面次反射鏡和平面反射鏡構成[1]。

反射式系統與透射式系統相比，具有易于輕量化、對溫度變化不敏感、無色差等諸多優勢，因此大口徑長焦距的準直儀中常采用反射式系統結構。

卡式反射系統與牛頓式反射系統相比，具有成像質量好，像平面與光軸垂直，焦距長體積小，可小型化的優點。且保持了牛頓式反射系統的優點，光闌設在離軸拋物面主反射鏡頂點時不產生畸變，同時校正其他像差。焦距長而外形尺寸短（3m焦距牛頓式準直儀的工作臺面長度不少4m，而8m焦距卡式準直儀的工作臺面長度只需2m）。

現生產所用的牛頓式準直儀最長焦距為3m，隨著產品觀察遠距離目標的要求其焦距相應的要長，所需空間頻率就高，紅外用測試靶即四桿靶線寬對應變窄，而制造二三十微米線寬的四桿靶制造費用上萬元，有些線寬細到十幾微米或幾微米級的四桿靶制造成本高昂。而對應的空間頻率8m焦距卡式準直儀比3m焦距準直儀的線寬增加2.67倍，從而使制造四桿靶成本大幅降低，保證產品所需的空間頻率完成測試。

卡式系統結構不僅用于大口徑長焦距的準直儀，還用于空間多光譜成像與遠距離探測系統（焦距長口徑大）的結構中鏡頭的前部，在國內也有多家公司用于準直儀，其焦距有16m的，本文所述自主產權、焦距為8m的卡式準直儀，旨在解決生產中長焦距產品測試靶板加工難度大的問題。

1 技術指標

根據使用要求設計的卡式反射系統準直儀參數如表1所示。

表1 光學性能參數表

2 系統設計

2.1 方案確定

離軸反射系統用的離軸拋物面反射鏡（如圖1所示）的主要參量有3個：通光孔徑、母體拋物面的焦距和離軸量。焦點的出射點是重要的，先要確定值，當值很大，又要維持一定的主、次反射鏡焦距比值不太大，則勢必要增大次反射鏡的放大率，從而增大次反射鏡口徑。如果不想增大次反射鏡口徑，只能增大主反射鏡的相對口徑，相應次反射鏡放大率增加。離軸量的增加會帶來拋物面主反射鏡出射光的發散程度從而導致像差增大，因此影響離軸拋物面反射鏡準直特性的主要因素有離軸量、有效孔徑和焦面出射點的位置等[2]。

根據以上的分析選用卡式反射系統，而軸對稱拋物面反射鏡具有對無限遠目標成像無球差的重要優點，它卻存在很大的彗差（與孔徑的平方成比例），且有中心遮攔（中心遮攔隨視場增加而加大）。離軸拋物面反射鏡保持了軸對稱拋物面反射鏡的優點，克服了中心遮攔等缺點，但隨之而來的問題是像差特性導致離軸拋物面反射鏡的成像面不再垂直于光軸，而是相對光軸有一定角度傾斜，這是光學系統設計人員需考慮的問題，合理確定光闌位置和像面傾斜角度，可使成像質量得到大幅提高[3]。

主反射鏡相對口徑的選擇和多方面因素有關，像差是隨相對口徑的一次或二次方增加，在經典卡式反射系統中，主要和系統相對口徑有關。若系統焦距長，主鏡相對口徑可取小一些，即焦距長一些易加工。若系統焦距很短，主反射鏡焦距就須很短，從而相對口徑就大。從縮短鏡筒長度來說，當然主反射鏡相對口徑愈大愈有利，但加工難度增加，降低主、次反射鏡的相對口徑對于設計及加工都是十分重要的。

圖1 拋物面的參數示意圖

2.2 設計及結果

根據使用需求主反射鏡的有效直徑取500mm，其外徑取520mm，相對孔徑取1:3.3，從布局考慮出射點取為0。根據卡式系統及像差特性，確定次反射鏡，并由光學設計軟件CODEV優化，得出系統結果。

1）卡式反射系統結構

主反鏡焦距：1650mm，次反鏡焦距：312.5mm，有效直徑230mm，外圓直徑240mm。兩鏡間隔：1402mm，結構圖如圖2。

圖2 卡式反射系統二維有效口徑結構圖

為保證系統像質要求，離軸卡式準直系統的RMS設計值為/5，一般要求光學零件面形均方根值（root mean square，MRS）為/8，若要求波峰波谷差值（peak to valley，PV）為/8則難以達到。

兩反射鏡加工完后實測主反射鏡的焦距為1649.32mm，次反射鏡的焦距為312.59mm，為消除由于加工透鏡產生的半徑誤差帶來影響系統的像質問題，在CODEV軟件將兩反射鏡間的間隔進行調整0.8，保證了與原設計的成像質量和調制傳遞函數（modulation transfer function）MTF值不變，總焦距變為7996.91mm，與設計理論值8000mm相差0.0386%。

第四、煉銀老總是銀精轉世說。相傳，上洋村和貢川村在煽煉銀子時，如張彭八和陳龍井親自在場督陣，則出銀便多些，若是離開爐廠，出銀子很少或煉不出來，即使煉出也會不翼而飛。如果張彭八和陳龍井因為各種事情不能親臨現場，也必須把平常煉銀時穿的衣服掛在煉銀現場，否則，煉不出銀子。傳言，某次彭八公因事回故里，匆忙之中忘記留下煉銀時穿的衣服，結果銀子便跟隨其后，行至茶閣底的溪旁，彭八公聽到背后有響動之聲，回首一望，只見一堆銀子掉入溪中，后此溪被人命名為“八寶掉壩”。彭八公的奇行異舉，震驚東洋，成為聲威赫赫的財王爺。

2）卡式反射系統的二維模擬圖

由于卡式系統主、次反射鏡的組合，使其長度小于系統的焦距。由以上參數的二維圖如圖3所示。

圖3 卡式反射系統實際二維模擬圖

3）卡式反射系統的MTF圖

卡式反射光學系統成像質量優于牛頓式反射系統，用于白光波段時的MTF為0.5以上，只有全視場的弧矢方向差一些為0.3，是因離軸拋物面反射鏡在弧矢方向上結構不對稱引起的，如圖4所示。該系統用于紅外波段時的MTF幾乎都接近射線，全視場的弧矢方向也是差0.1左右，如圖5所示。

2.3 雜散光分析及抑制措施

與同軸反射系統相比，離軸反射系統的主反射鏡中心不存在遮攔，因而無法像同軸反射系統那樣在主反射鏡中心開孔處加入遮光罩，且離軸反射系統光路折疊緊密，留給消雜光結構設計的空間小[4]。與同軸反射系統不同，離軸反射系統在弧矢方向結構不對稱，因此雜光的傳播路徑和擋光結構也不對稱。由于主、次反射鏡的光線間距較小，內部擋光結構的裝調較難，因此在次反射鏡與平面反射鏡之間設計了擋板加工成光闌以抑制系統的雜散光，如圖6所示。次反射鏡為便于檢測和裝配，按240mm直徑加工，其有效口徑范圍只是一部份，為避免未用面積對光線入射和反射產生的散射（即對系統來說是雜散光），因此在次反射鏡前做了一個保護罩，作遮光光闌的作用，如圖7所示。

圖4 卡式反射系統用于白光波段的MTF

圖5 卡式反射系統用于紅外波段的MTF

圖6 卡式反射系統的光闌圖

圖7 卡式反射系統的次鏡保護罩

3 卡式反射系統的裝調

牛頓式反射系統是由離軸拋物面反射鏡起作用，平面反射鏡只為轉折光路，其像差特性導致成像面不再垂直于光軸，裝調時需考慮好像面的傾斜方向和焦面位置（靶標在焦點上）。

卡式反射系統由主、次反射鏡的組合使用并相互補償，使系統成像質量非常好，裝調時在保證主、次反射鏡空間位置的同時也要保證二者間的軸向位置。

3.1 構建的調校測試系統

利用ZYGO激光干涉儀原理構建的調校測試系統進行裝調，以達到理想值。

構建的調校測試系統原理如圖8：調校測試系統的原理是激光干涉儀發出準直平行光線，由激光干涉儀的物鏡匯聚到焦面出射，其焦面與卡式反射系統焦面5重合，光線經序號4、3、2組成的卡式反射系統準直儀射出平行光到序號1，經序號1反射按原路返回并聚焦在焦面處，與激光物鏡匯聚的焦點重合疊加產生干涉而形成干涉條紋，根據干涉條紋判斷準直儀的成像質量好壞，從而確定卡式反射系統準直儀的裝調是否達到設計要求。

圖9是構建的調校測試系統原理實物圖。

3.2 卡式反射系統裝調

1）初步裝配

在卡式反射系統結構設計時，充分考慮系統的裝配和調校，將主反射鏡裝配后固定不作調節環節，在次反射鏡的安裝部位設置多維調節機構。按照圖紙布局要求在光學平臺上進行初步裝配，使各反射鏡的空間位置基本在理論值，用光學調試方法，使主反射鏡和平面反射鏡相對光軸垂直。主反射鏡體積大且重量也大，裝調后固定其位置。次反射鏡小而輕，使其在空間能夠五維調節（上下前后的平移和水平俯仰的旋轉），這樣系統的調校輕便，消除兩反射鏡的空間狀態、軸向位置及裝配后將形成累積誤差，初裝不能調試很好，然后通過構建的調校測試系統進行精準調試和校正，消除累積誤差。

圖8 調校測試系統原理圖

圖9 調校測試系統實物圖

2）配件要求

高精度平面平晶的面型精度將影響卡式反射系統干涉條紋，面型精度越高影響越小，因此其面型精度（平面度）RMS要求在/20（=0.6328mm）以上，以免將其誤差疊加到調試系統中。

特別強調的是調校測試系統調試準直儀是能使主、次反射鏡安裝在理論設計位置，兩反射鏡的匹配最好，成像質量達到最優。但因主、次反射鏡的加工面型誤差過大，不能將卡式系統調得很好。

3）裝調過程需注意如下事項：

①主、次反射鏡間以間距偏差為主

圖10為主反射鏡和次反射鏡間的軸向位置1401.2mm及離軸量有誤差的成像圖，圖11是其干涉條紋圖。調節兩反射鏡間的軸向、左右位置使圖11沿圖像長方向變得越來越短。

②主、次反射鏡間相對位置偏差

激光平行光束射入離軸拋物面反射鏡時，當拋物面反射鏡繞激光平行光軸旋轉，通過調節激光干涉儀使得平行光（相當于斜入射的光）的反射像點不動，則表明拋物面反射鏡的光軸與激光干涉儀的出射光軸重合，否則像點在封閉曲線上周期轉動[5]。

圖12是主反射鏡與次反射鏡相對光軸有偏差的成像圖，圖13是其干涉條紋圖。主反射鏡裝配時基本校正，調整次反射鏡上下位置或左右的旋轉，并微調次反射鏡的軸向位置，使圖上的圖像點近似成為圓點，微動高精度平晶使兩個像重合產生干涉，形成干涉條紋圖。

圖10 間距偏差的成像圖

圖11 間距偏差的干涉條紋圖

圖12 反射鏡微小傾斜的成像圖

圖13 反射鏡微小傾斜的干涉條紋

③卡式反射系統調校好的情況

圖14、15說明，消除了主反射鏡或次反射鏡相對光軸的微小傾斜，保證了離軸拋物面反射鏡的離軸量和主、次反射鏡間距在理論位置后，微轉高精度平面平晶使兩個像重合產生干涉出現的干涉圖，微調激光干涉儀的焦點位置，使干涉圖上的干涉條紋達到最少，調校測試系統調校的RMS與設計值相差在/4內，這種情況下說明卡式反射系統裝調滿足設計要求。

圖14 調校好的成像圖

圖15 調校好的干涉條紋圖

4 結論

從實際生產需求出發，解決了因在制產品因焦距變長引起的測試用四桿靶加工難度大、成本高等問題。本文論述了卡式準直系統的設計要考慮的問題、零件面形的精度制約、裝配時需注意的事項，構建高精系統的要求，以及調試系統成像質量最終達到瑞利判據之/4內。卡式準直系統不僅用于紅外系統的調校測試，還能用于白光系統的調校測試。

[1] 潘君驊. 光學非球面的設計、加工與檢驗[M]. 蘇州: 蘇州大學出版社, 1994.

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CHEN Qinfang, XU Changjie, WANG Qingsong. Alignment for optical axis of parabolic mirror[J]., 2008, 29(2): 225-229.

Design and Development of a Cassegrain Off-axis Reflection System Collimator

XU Zhengkui1，WANG Chunxing1，WANG Shijing2，WANG Guiquan1，CAI Shunwen1，LI Xiaobin1，HUANG Sheng1

(1. Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China; 2. The First Military Commissary Department Garrisoned in Kunming of Chongqing Military Commissary Bureau, Kunming 650032, China)

We design and develop a Cassegrain off-axis reflection system collimator with a focal length of 8m according to production requirements and construct an advanced installation and adjustment method to accurately calibrate it. Through the interpretation of images and interference fringes, the imaging quality of the collimator system is found to be close to the designed value. We solve the problem of the infrared discrimination test target board in production because the longest focal length of the existing collimator focal length is 3m, and there is no corresponding spatial frequency required by the product.

off-axis reflection system, four targets, alignment method

TP274

A

1001-8891(2020)12-1164-06

2020-04-03；

2020-09-07.

徐正奎（1963-），男，高級工程師，主要從事光學系統設計，E-mail：xzkkm@126.com。