別漢棱鏡光軸一致性檢測與裝調方法

張 娟,楊加強

(中國電子科技集團第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

在周視搜索和掃描系統中,探測器像面上接收到的圖像會隨著系統的掃描而隨軸旋轉,產生像旋現象。在會聚光路中旋轉別漢棱鏡會產生像傾斜,可以補償系統在掃描時產生的像旋現象,且別漢棱鏡具有體積小、結構緊湊和可用于會聚光路等優點,因此別漢棱鏡被廣泛應用于消像旋系統中[1-2]。

在有別漢棱鏡的光學系統中,有三條重要的軸,分別是別漢棱鏡光軸(以下簡稱棱鏡光軸)、機械旋轉軸(以下簡稱機械軸)和系統光軸,很多文獻資料均詳細分析了三軸之間有角度誤差和位移誤差時,旋轉別漢棱鏡所產生的像的軌跡曲線及其對應的方程,只有三軸高度重合時,別漢棱鏡才能起到較好地消像旋的作用[3-4]。在將別漢棱鏡裝配到旋轉軸系和系統的過程中都會產生裝調誤差,使三軸不重合,從而使通過棱鏡的出射光軸相對于入射光軸有角度誤差和位移誤差,即光軸一致性誤差。

除了嚴格控制別漢棱鏡的加工精度和膠合精度以外,還需要精度較高的檢測系統對別漢棱鏡的光軸一致性進行檢測,尤其是需要檢測在會聚光路中的光軸一致性,并在會聚光路中裝調別漢棱鏡,確保光軸一致性精度滿足要求才能投入到系統中使用。傳統的自準直儀檢測方法將棱鏡放置在平行光路中,只能檢測出光軸之間的角度誤差,無法檢測出位移誤差。

針對上述問題,本文設計了別漢棱鏡光軸一致性檢測系統,可以檢測別漢棱鏡出射光軸相對于入射光軸的位移誤差,并可在此系統中裝調棱鏡和旋轉軸系,消除棱鏡光軸和機械軸之間的位移誤差。使用本文設計的檢測系統,可將角度誤差和位移誤差分開進行檢測并裝調,可縮短在系統中裝調別漢棱鏡的時間,對復雜系統中別漢棱鏡的裝調具有非常重要的意義。

2 檢測與裝調原理及方案

別漢棱鏡在裝入系統之前,通常需要先將棱鏡光軸和機械軸的角度誤差和位移誤差裝調到最小狀態,以減小系統裝調的難度。由于別漢棱鏡在平行光路中不能成像,傳統的自準直儀檢測法只能檢測出棱鏡光軸和機械軸之間的角度誤差,不能檢測出位移誤差[5]。因此,本文提出一種在會聚光路中檢測棱鏡光軸和機械軸之間的位移誤差的方法:首先在平行光路中調整棱鏡的旋轉軸系和棱鏡的相對位置和角度,使機械軸和棱鏡光軸平行,即將通過別漢棱鏡的出射光軸相對于入射光軸的角度誤差調節到可接受的精度范圍內,然后在會聚光路中調整兩軸之間的位移誤差使其最小。

在會聚光路中檢測別漢棱鏡光軸一致性的原理如圖1所示,光源照射靶標經過平行光管之后變成平行光出射,再經過檢測光路會聚于探測器像面上,將別漢棱鏡繞機械軸(z軸)旋轉360°,可以看到像在探測器像面上的運動軌跡。像的運動軌跡表示通過別漢棱鏡的出射光軸相對于入射光軸的光軸一致性精度,若棱鏡光軸、機械軸和系統光軸均重合,則像的旋轉半徑為0;若三軸均不重合,則像的運動軌跡是Pascal蚶線,如圖2所示,其對應的方程為[3]:

圖1 別漢棱鏡光軸一致性檢測原理圖

圖2 Pascal蚶線

ρ=2(DMIcosθ-DMP)

(1)

上式為關于棱鏡旋轉時產生的出射光軸像點位移章動的普遍公式。式中,ρ為出射光軸和入射光軸之間的位移;DMI為機械軸和系統光軸之間的橫向失調;DMP為機械軸和棱鏡光軸之間的橫向失調;θ為棱鏡組件的方位角。

由公式(1)分析得知:

(1)當機械軸和棱鏡光軸重合時,像的運動軌跡為一個圓,圓的半徑與機械軸和系統光軸之間的位移誤差和棱鏡組件的方位角有關,若方位角為0,則此時圓的半徑只與機械軸和系統光軸之間的位移誤差有關,只需將旋轉軸系和別漢棱鏡看做一個整體,通過六維調整臺1調整整體在系統中的位置,直至圓的半徑為0;

(2)當機械軸和系統光軸重合時,像的運動軌跡為一個與機械軸和棱鏡光軸之間的位移誤差有關的圓,此時固定旋轉軸系,僅沿x軸和y軸平移別漢棱鏡,直至圓的半徑為0;

(3)當機械軸、系統光軸和棱鏡光軸均不重合時,將旋轉軸系和別漢棱鏡看做一個整體,通過六維調整平臺1調整整體在系統中的位置,直至像的運動軌跡為一個圓,再按照上述兩種情況調整棱鏡,直至圓的半徑為0。

由于別漢棱鏡自身在加工過程中不可避免地會產生固有誤差,且在裝調過程中會產生裝調誤差,因此,在裝調三軸的光軸一致性時,圓的半徑一般調節不到0,而只能調節到一個最小值。

3 檢測與裝調系統設計

別漢棱鏡光軸一致性檢測與裝調系統包括角度誤差檢測與裝調系統和位移誤差檢測與裝調系統,其中,前者將棱鏡放置在兩臺自準直儀之間,在平行光路中檢測并裝調棱鏡光軸與機械軸之間的角度誤差;后者將棱鏡放置在成像光路中,在會聚光路中檢測并裝調棱鏡光軸與機械軸之間的位移誤差。上述成像光路包括檢測成像光路和對照成像光路兩條光路,且這兩條光路總長相等,除別漢棱鏡之外,光路中的其他透鏡均不變。本文采用可見光2592×1944探測器,使用555 nm的激光光源,主要光學技術指標如表1所示。

表1 主要光學技術指標

3.1 檢測成像光路設計及像質分析

反射式光學系統無色差,質量輕,不需要無熱化設計,但其視場角小,有中心遮攔,通常需要非球面,裝調困難;折射式光學系統沒有中心遮攔,需要增加透鏡數量或增加非球面消色差,需要消除軸外像差[6]。本文使用的光源是單色光源,且視場角小,使用透射式光學系統完全可以滿足要求,因此采用透射式一次成像光路。光路中的透鏡采用全球面透鏡,且透鏡材料均選擇常用的K9玻璃材料。

由于別漢棱鏡需要和旋轉軸系一起裝調,設計時需要在別漢棱鏡前后留出旋轉軸系的空間,使用CODE V光學設計軟件建立初始結構并進行像差優化,最終設計出的光路圖如圖3所示,傳遞函數曲線和畸變曲線分別如圖4和圖5所示,從圖中可以看出,傳遞函數接近衍射限,畸變接近于0,成像質量滿足使用要求。

圖3 檢測光路圖

圖4 檢測光路傳遞函數曲線圖

圖5 檢測光路畸變曲線圖

3.2 對照成像光路設計及像質分析

為了控制變量,保證在探測器像面上看到的像旋現象僅由別漢棱鏡的位置誤差和角度誤差引起,需要設計與檢測光路對應的對照光路,保證對照光路中透鏡之間的間隔、光路總長、視軸零位等都與檢測光路相同。

根據3.1節中設計的檢測光路參數,保持前三片透鏡的參數不變,僅將別漢棱鏡替換為透鏡,控制對照光路的總長與檢測光路總長相等,在CODE V中優化光路像差,優化完成的光路圖如圖6所示,對應的傳遞函數曲線和畸變曲線分別如圖7和圖8所示,從圖中可以看出,傳遞函數接近衍射限,畸變小于0.5 %,成像質量滿足使用要求。

圖6 對照光路圖

圖7 對照光路傳遞函數曲線圖

圖8 對照光路畸變曲線圖

根據設計的光路圖和傳函曲線圖可以看出,本文設計的光學系統成像質量好,使用的透鏡數量少,且均為球面,透鏡材料均為常用的K9玻璃材料,降低了加工難度,同時節省加工時間和加工成本;體積緊湊,光路中的變量僅為別漢棱鏡,便于反復拆裝。

4 別漢棱鏡光軸一致性檢測與裝調

本文使用上述檢測與裝調方案裝調別漢棱鏡,使用傳統的自準直儀檢測法將棱鏡光軸與機械軸之間的角度誤差調整到最小,在檢測成像光路中將兩軸之間的位移誤差調整到最小,即保證經過別漢棱鏡的出射光軸與入射光軸的光軸一致性誤差最小,并裝入系統中裝調使用。

4.1 棱鏡光軸與機械軸之間的角度誤差裝調

與傳統的自準直儀裝調方法相同,按照圖9所示的裝調棱鏡光軸和機械軸之間角度誤差的原理圖對口徑為25mm的別漢棱鏡進行裝調:

圖9 裝調棱鏡光軸和機械軸之間角度誤差的原理圖

(1)將自準直儀1和自準直儀2對準,打開自準直儀1的光源,關閉自準直儀2的光源,調整自準直儀2的位置和角度,使自準直儀2接收到的十字叉絲與自準直儀2的十字中心(即自準直儀2的光軸位置)重合,此時自準直儀2讀數為(x,y)=(0″,0″),說明兩臺自準直儀的光軸重合;

(2)將別漢棱鏡放置于兩臺自準直儀之間的平行光路中,調整別漢棱鏡的位置及角度,使從別漢棱鏡的前表面反射回的十字叉絲與自準直儀1的十字中心重合,即別漢棱鏡前表面垂直于自準直儀1的光軸,此時自準直儀2的數值即為別漢棱鏡自身的光軸一致性精度,用此方法測得本論文使用的別漢棱鏡自身的光軸一致性精度為±9″;

(3)將別漢棱鏡裝入旋轉軸系,再放置于兩臺自準直儀中間的平行光路中,調整旋轉軸系和棱鏡的角度和位置使別漢棱鏡入光面與自準直儀1的光軸重合,繞z軸旋轉別漢棱鏡,觀察自準直儀2接收到的十字叉絲的運動軌跡和光軸角度誤差數值;

(4)重復調整別漢棱鏡與旋轉軸系之間的角度,直至旋轉別漢棱鏡時,自準直儀2顯示的光軸角度誤差的數值跳動量在可接受的精度范圍內,此時將角度誤差調整機構鎖死。

使用上述方法進行裝調之后,通過帶有旋轉軸系的棱鏡的出射光軸相對于入射光軸的光軸一致性精度為(x,y)=(±28″,±24″)。理論上,若棱鏡光軸和機械軸完全平行,則棱鏡的出射光軸和入射光軸的一致性精度為棱鏡自身的誤差。實際上,機械旋轉軸的軸系精度有加工誤差,裝調過程中會產生裝調誤差,自準直儀自身也有誤差,因此光軸一致性精度比理論上差。

4.2 棱鏡光軸與機械軸之間的位移誤差裝調

將棱鏡光軸和機械軸之間的角度誤差裝調到最小后,在會聚光路中對棱鏡光軸和機械軸之間的位移誤差進行調節:

(1)按照圖10所示的對照光路示意圖搭建對照光路,調整對照光路的位置和角度,使對照光路的光軸與平行光管的光軸平行;

圖10 對照光路示意圖

(2)用光源照射靶標,通過平行光管和對照光路之后成像在探測器像面上,調整六維調整臺2,直至在探測器像面上看到的像清晰可分辨;

(3)拆掉對照光路中最后兩片鏡片,將在4.1節中裝調好角度誤差的別漢棱鏡及其旋轉軸系放置如圖1所示的六維調整臺1上,調整六維調整臺1,使在探測器像面上看到的像的清晰度與對照光路相同,繞z軸旋轉別漢棱鏡,觀察像的運動軌跡;

(4)調整整個棱鏡組件的角度和位置,直至像的畫圓半徑不再減小為止;

(5)固定旋轉軸系,僅沿x軸和y軸平移別漢棱鏡,旋轉別漢棱鏡,直至觀察到像的運動軌跡是一個半徑不再減小的圓為止。

(6)參考第2小節中像的運動軌跡的分析,步驟(4)和步驟(5)的裝調順序可調換或反復進行,當像的軌跡為1個圓且半徑不再減小時,別漢棱鏡光軸和旋轉軸系的旋轉軸重合精度最高,此時可認為別漢棱鏡組件的光軸一致性已裝調到最好狀態。

圖11為別漢棱鏡組件的光軸一致性裝調到最好狀態像的運動軌跡圖,圓的半徑為14.7,代表像的畫圓量為±14.7個像素,本論文設計的檢測光路像面一個像素對應的瞬時視場角3.3″,由此可計算出光軸一致性精度為±48.5″,正式系統中一個像素對應1′,因此,本論文中別漢棱鏡組件在系統中的光軸一致性精度為±0.8個像素。

圖11 位移誤差最小時像的畫圓軌跡圖

理論上,若在會聚光路中將棱鏡光軸與機械軸之間的位移誤差調為0,則在會聚光路中的畫圓精度應與在平行光路中的畫圓精度一樣,即消除了位移誤差,最后只剩下角度誤差,但由于旋轉軸系和棱鏡本身存在誤差,裝調過程中也存在裝調誤差,因此,在會聚光路中的畫圓精度會變差。

5 結 論

本文針對傳統的自準直儀檢測法只能檢測棱鏡光軸和機械軸之間的角度誤差而不能檢測位移誤差的問題,分析了系統光軸、棱鏡光軸和機械軸不重合時像的畫圓軌跡情況,在傳統的只能檢測和裝調角度誤差的自準直儀檢測法的基礎上,提出了位移誤差檢測與裝調方案,并設計了別漢棱鏡光軸一致性檢測與裝調系統,包括檢測光路和對照光路,根據設計的檢測裝調方案對口徑為25 mm的別漢棱鏡進行裝調,最終檢測出光軸一致性精度為±48.5″,對應于系統中±0.8個像素,大大提高了裝調效率和精度。由于軸系誤差、棱鏡自身的加工誤差和裝調誤差無法完全消除,因此這些誤差成為制約消像旋系統中別漢棱鏡組件光軸一致性精度提高的主要因素。