留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

面向高性能的红外折射式镜头装调技术

黄阳 赵英龙 张生杰 都晓寒 张超

黄阳, 赵英龙, 张生杰, 都晓寒, 张超. 面向高性能的红外折射式镜头装调技术[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(4): 20220790. doi: 10.3788/IRLA20220790
引用本文: 黄阳, 赵英龙, 张生杰, 都晓寒, 张超. 面向高性能的红外折射式镜头装调技术[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(4): 20220790. doi: 10.3788/IRLA20220790
Huang Yang, Zhao Yinglong, Zhang Shengjie, Du Xiaohan, Zhang Chao. Alignment technology for infrared refractive lens based on high performance[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(4): 20220790. doi: 10.3788/IRLA20220790
Citation: Huang Yang, Zhao Yinglong, Zhang Shengjie, Du Xiaohan, Zhang Chao. Alignment technology for infrared refractive lens based on high performance[J]. Infrared and Laser Engineering, 2023, 52(4): 20220790. doi: 10.3788/IRLA20220790

面向高性能的红外折射式镜头装调技术

doi: 10.3788/IRLA20220790
基金项目: 国家重点研发计划(2021YFF0701300)
详细信息
    作者简介:

    黄阳,男,高级工程师,硕士,主要从事光学装调和检测方面的研究

  • 中图分类号: V464

Alignment technology for infrared refractive lens based on high performance

Funds: National Key Research and Development Program of China (YFF0701300)
  • 摘要: 针对红外光学材料折射率不均匀导致系统波前产生异常像差,从而引起镜头像质严重下降的问题,提出了一种光学件位置迭代调整和面形修配相结合的系统波前补偿方法,实现面向高性能的红外折射式镜头装调。在光学件精密定心的基础上,设计了在线装调检测装置,依据镜头实测波前并结合计算机辅助装调技术,通过迭代调整光学件位置矫正系统波前初阶像差。对系统残留的中高阶像差,根据各视场测得的系统波前综合分析计算,采用修配光瞳处光学件面形,引入反残留波像差的方式补偿。实验上,通过对某红外折射式镜头装调,将镜头三个视场系统波前RMS (λ=3.39 μm)分别由精密定心后的0.162λ、0.118λ、0.166λ降低至0.064λ、0.040λ、0.067λ,平均MTF (@25 lp/mm)由0.31提升至0.67。结果表明,这种装调技术对红外折射式镜头系统波前补偿效果明显,可大幅提升镜头成像性能,具有重要的工程应用价值。
  • 图  1  (a) 样品前表面S1反射波前;(b) 样品后表面S2反射波前;(c) 样品透射波前;(d) 测试光路空腔波前

    Figure  1.  (a) Reflected wavefront of sample’s front surface S1; (b) Reflected wavefront of sample’s back surface S2; (c) Transmitted wavefront of sample; (d) Cavity wavefront of test optical path

    图  2  (a) 样品硅、(b) 样品硒化锌、(c) 样品锗、(d) 样品硫化锌的折射率均匀性分布

    Figure  2.  Refractive index homogeneity of sample Si (a), sample ZnSe (b), sample Ge (c), sample ZnS (d)

    图  3  在线装调检测平台模型图

    Figure  3.  Model diagram of online device with lens alignment and image quality measurement

    图  4  位置迭代调整原理图

    Figure  4.  Schematic diagram of iterative adjustment position

    图  5  像差对系统波前影响示意图

    Figure  5.  Schematic diagram of aberration effect on system wavefront

    图  6  系统波前补偿示意图

    Figure  6.  Schematic diagram of system wavefront compensation

    图  7  波像差与入射角关系示意图

    Figure  7.  Schematic diagram of the relationship between wave aberration and incident angle

    图  8  红外镜头的光学结构图

    Figure  8.  Optical structure diagram of infrared lens

    图  9  (a) 夹持装置的结构形式;(b) 夹持装置与镜筒的连接方式

    Figure  9.  (a) Structure of clamping device; (b) Connection mode between clamping device and lens barrel

    表  1  红外镜头光学系统部分参数

    Table  1.   Some optical system parameters of infrared lens

    ElementMaterialThickness/mmAperture/mm
    Optical windowsCaF213.002205
    Lens1Si15.033210
    Lens2Si15.950205
    Lens3Ge13.081160
    Lens4Ge11.367135
    Lens5Si11.616130
    Lens6ZnSe9.612120
    下载: 导出CSV

    表  2  镜头精密定心后的像质测试结果

    Table  2.   Measurement results of lens image quality after precision centering

    FOVSystem wavefront
    diagram & MTF
    (λ=3.39 μm)
    Zernike coefficients of
    main aberration terms
    +6.5° First order: k5: −0.074;
    k6: −0.055; k7: 0.202;
    k8: 0.024; k9: 0.167.
    Medium & high order:
    k10: −0.044; k11: −0.027;
    k12: 0.159; k14: 0.020;
    k16: −0.133; k19: 0.091;
    k20: 0.066; k30: −0.047.
    First order: k5: −0.030;
    k6: −0.009; k7: −0.089;
    k8: −0.037; k9: 0.149.
    Medium & high order:
    k10: −0.057; k11: −0.037;
    k12: 0.095; k14: 0.030;
    k16: −0.128; k19:0.111;
    k20: 0.089; k30: −0.047.
    −6.5°First order: k5: 0.050;
    k6: −0.062; k7: −0.326;
    k8: −0.041; k9: 0.127.
    Medium & high order:
    k10: −0.168; k11: −0.057;
    k12: 0.084; k14: 0.058;
    k16: −0.116; k19: 0.062;
    k20: 0.084; k30: −0.046.
    下载: 导出CSV

    表  3  镜头迭代调整后的像质测试结果

    Table  3.   Measurement results of lens image quality after iterative adjustment position

    FOVSystem wavefront
    diagram & MTF
    (λ=3.39 μm)
    Zernike coefficients of
    main aberration terms
    +6.5°First order: k5: 0.010;
    k6: 0.007; k7: 0.011;
    k8: 0.023; k9: 0.029.
    Medium & high order:
    k10: 0.015; k11: −0.031;
    k12: 0.133; k14: 0.032;
    k16: −0.125; k19: 0.078;
    k20: 0.073; k30: −0.050.
    First order: k5: −0.011;
    k6: 0.009; k7: −0.032;
    k8: 0.020; k9: 0.007.
    Medium & high order:
    k10: −0.069; k11: −0.058;
    k12: 0.078; k14: 0.012;
    k16: −0.118; k19:0.100;
    k20: 0.084; k30: −0.044.
    −6.5°First order: k5: 0.015;
    k6: −0.013; k7: −0.015;
    k8: 0.022; k9: 0.001.
    Medium & high order:
    k10: −0.155; k11: −0.046;
    k12: 0.055; k14: 0.075;
    k16: −0.118; k19: 0.090;
    k20: 0.091; k30: −0.041.
    下载: 导出CSV

    表  4  修配后窗口的透射波前测试结果

    Table  4.   Transmission wavefront measurement result of the repaired optical windows

    FOVTransmission wavefront
    (λ=3.39 μm)
    Zernike coefficients of medium &
    high order aberration terms
    k10: 0.064; k11: 0.031;
    k12: −0.080; k14: −0.044;
    k16: 0.118; k19:- 0.099;
    k20: −0.073; k30: 0.051.
    下载: 导出CSV

    表  5  镜头面形修配后的像质测试结果

    Table  5.   Measurement results of lens image quality after surface modification

    FOVSystem wavefront
    diagram & MTF
    (λ=3.39 μm)
    Zernike coefficients of
    main aberration terms
    +6.5°First order: k5: 0.011;
    k6: 0.005; k7: 0.015;
    k8: 0.019; k9: 0.017.
    Medium & high order:
    k10: 0.072; k11: 0.004;
    k12: 0.087; k14: −0.007;
    k16: −0.010; k19: −0.025;
    k20: −0.015; k30: −0.007.
    First order: k5: −0.009;
    k6: 0.014; k7: −0.021;
    k8: 0.018; k9: 0.005.
    Medium & high order:
    k10: −0.007; k11: −0.023;
    k12: −0.005; k14: −0.030;
    k16: −0.006; k19:0.007;
    k20: 0.009; k30: 0.004.
    −6.5°First order: k5: 0.012;
    k6: −0.015; k7: −0.017;
    k8: 0.015; k9: 0.002.
    Medium & high order:
    k10: −0.095; k11: −0.019;
    k12: −0.029; k14: 0.035;
    k16: −0.007; k19: −0.007;
    k20: 0.027; k30: 0.006.
    下载: 导出CSV
  • [1] Huang Chen, Wang Jianjun, Xue Li, et al. Next generation of astronomical telescope and survey mission (I) [J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(2): 0217006. (in Chinese) doi:  10.3788/irla201645.0217006
    [2] Huang Chen, Wang Jianjun, Xue Li, et al. Next generation of astronomical telescope and survey mission (II) [J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(3): 0313001. (in Chinese) doi:  10.3788/irla201645.0313001
    [3] Wang Lingxue, Cai Yi. Recent progress and perspectives of infrared optical systems [J]. Infrared Technology, 2019, 41(1): 1-12. (in Chinese)
    [4] Qun Yuan, Zhishan Gao, Dan Zhu. Applying slope constrained Qbfs aspheres for asphericity redistribution in the design of infrared transmission spheres [J]. Applied Optics, 2015, 54(22): 6857-6864.
    [5] Bai Yu, Xing Tingwen, Li Hua, et al. Advances in foreign MWIR lens with high ratio [J]. Infrared and Laser Engineering, 2015, 44(3): 795-802. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1007-2276.2015.03.002
    [6] Qun Yuan, Zhishan Gao, Bo Zhu, et al. An infrared interferometer with a broadband wavelength channel [J]. Optics and Lasers in Engineering, 2013, 51(11): 1283-1290.
    [7] Zhang Xinting, Kang Lei, Wu Qianqian, et al. Research on high precision transmission type photoelectric centering instrument [J]. Laser & Infrared, 2016, 46(9): 1110-1112. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1001-5078.2016.09.017
    [8] 贾春蕾. 红外光学镜组中心偏测量技术研究[D]. 长春: 长春理工大学, 2013.

    Jia Chunlei. The measurement techniques research of infrared optical lens decentration[D]. Changchun: Changchun University of Technology, 2013. (in Chinese)
    [9] Xing Hui, Jiao Wenchun, Wang Yun. High precision assembling of diffractive infrared lens [J]. Infrared, 2013, 34(9): 19-23. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1672-8785.2013.09.004
    [10] Zhang Jieyin, Gao Fei, Zhang Jianjun. Research progress of silicon and germanium quantum computing materials [J]. Acta Phys Sin, 2021, 70(21): 217802. (in Chinese) doi:  10.7498/aps.70.20211492
    [11] Wu Shaohua, Zhao Jinsong, Zhao Yuejin. Review on the fabrication and optical performance of ZnS bulk materials [J]. Infrared Technology, 2022, 44(5): 453-461. (in Chinese) doi:  10.11846/j.issn.1001-8891.2022.5.hwjs202205002
    [12] 聂荣志. 锗和氧化锗材料制备新方法的研究[D]. 青岛: 青岛科技大学, 2012.

    Nie Rongzhi. New methods for preparation of Ge and GeO2 materials[D]. Qingdao: Qingdao University of Science and Technology, 2012. (in Chinese)
    [13] He Jun, Chen Lei, Wang Qing. Measurements of infrared materials refractive-index using infrared interferometer [J]. Acta Photonic Sinica, 2010, 39(6): 1125-1128. (in Chinese) doi:  10.3788/gzxb20103906.1125
    [14] Chen Lei, Wang Qing, Zhu Rihong. Measurement of the homogeneity of refractive index of the germanium crystal using IR interferometer [J]. Chinese Journal of Lasers, 2005, 32(3): 404-406. (in Chinese) doi:  10.3321/j.issn:0258-7025.2005.03.024
    [15] Liang Fei, Mai Lübo, Zhou Taogeng, et al. Uncertainty evaluation in infrared optical material refractive index homogeneity measurement [J]. Journal of Applied Optics, 2015, 36(1): 82-87. (in Chinese) doi:  10.5768/JAO201536.0103004
    [16] Liao Zhibo, Wang Chunyu, Li Mengjuan, et al. Research on computer-aided alignment based on refract optical system [J]. Infrared and Laser Engineering, 2013, 42(9): 2453-2456. (in Chinese) doi:  10.3969/j.issn.1007-2276.2013.09.028
    [17] Zhou Xiaobin, Luan Yadong, Jiao Mingyin, et al. Solving method of the deformable mirror compensation surface based on the zernike model [J]. Infrared Technology, 2014, 36(10): 782-786. (in Chinese)
  • [1] 李路, 谢晨波, 邢昆明, 王邦新, 赵明, 程亮亮.  小视场高重频激光雷达光机系统设计、装调及性能测试 . 红外与激光工程, 2021, 50(12): 20210046-1-20210046-9. doi: 10.3788/IRLA20210046
    [2] 李凯, 王玄玉, 高艳卿, 董文杰.  石墨烯红外波段复折射率及消光性能研究 . 红外与激光工程, 2021, 50(4): 20200246-1-20200246-7. doi: 10.3788/IRLA20200246
    [3] 单秋莎, 苏秀琴, 段晶, 周亮, 刘凯, 闫佩佩, 姜凯.  外视场拼接的单镜头大视场中波红外成像系统的实现 . 红外与激光工程, 2020, 49(3): 0314002-0314002-6. doi: 10.3788/IRLA202049.0314002
    [4] 行麦玲, 刘义良, 裴景洋, 胡斌, 杨天远.  空间红外大口径折射式低温镜头设计与验证 . 红外与激光工程, 2020, 49(4): 0414002-0414002-6. doi: 10.3788/IRLA202049.0414002
    [5] 张祥, 高云国.  单镜头大视场拼接系统成像分析与控制设计 . 红外与激光工程, 2019, 48(1): 118001-0118001(7). doi: 10.3788/IRLA201948.0118001
    [6] 高璐, 高文智, 罗政纯, 常天英, 崔洪亮.  面向海上溢油的SPR原理折射率检测实验系统 . 红外与激光工程, 2019, 48(8): 813006-0813006(9). doi: 10.3788/IRLA201948.0813006
    [7] 熊浩西, 易仕和, 丁浩林, 徐席旺, 欧阳天赐.  三维无规则不均匀折射率场光线追迹新方法 . 红外与激光工程, 2019, 48(5): 503005-0503005(9). doi: 10.3788/IRLA201948.0503005
    [8] 耿蒙, 李学彬, 秦武斌, 刘泽阳, 鲁先洋, 戴聪明, 苗锡奎, 翁宁泉.  典型地区大气气溶胶谱分布和复折射率特征研究 . 红外与激光工程, 2018, 47(3): 311001-0311001(7). doi: 10.3788/IRLA201847.0311001
    [9] 王多书, 李佑路, 李凯朋, 王济洲, 董茂进.  红外光学薄膜材料折射率温度特性的研究方法 . 红外与激光工程, 2018, 47(4): 404006-0404006(5). doi: 10.3788/IRLA201847.0404006
    [10] 李斌, 陈佳夷, 王海超, 霍腾飞, 李新华.  面型误差和失调量对同轴三反系统像质的影响 . 红外与激光工程, 2018, 47(9): 918002-0918002(7). doi: 10.3788/IRLA201847.0918002
    [11] 张学海, 戴聪明, 武鹏飞, 崔生成, 黄宏华, 刘铮, 毛宏霞, 苗锡奎, 魏合理.  折射率和粒子尺度对大气气溶胶光散射特性的影响 . 红外与激光工程, 2017, 46(12): 1211001-1211001(7). doi: 10.3788/IRLA201746.1211001
    [12] 郑伟, 范飞, 陈猛, 白晋军, 常胜江.  基于太赫兹超材料的微流体折射率传感器 . 红外与激光工程, 2017, 46(4): 420003-0420003(6). doi: 10.3788/IRLA201746.0420003
    [13] 雷宇, 佟庆, 张新宇.  使用梯度折射率液晶微透镜阵列的光场成像 . 红外与激光工程, 2017, 46(2): 220002-0220002(7). doi: 10.3788/IRLA201746.0220002
    [14] 鲍刚华, 程鑫彬, 焦宏飞, 刘华松, 王占山.  HfO2薄膜折射率非均质性生长特性研究 . 红外与激光工程, 2015, 44(9): 2761-2766.
    [15] 王超, 张新, 王灵杰, 王钰.  方形孔径自由曲面反射式系统装调技术研究 . 红外与激光工程, 2015, 44(5): 1518-1525.
    [16] 姜玉刚, 王利栓, 刘华松, 刘丹丹, 姜承慧, 羊亚平, 季一勤.  热处理对SiO2薄膜折射率和吸收特性的影响分析 . 红外与激光工程, 2014, 43(10): 3334-3337.
    [17] 梅金硕, 舒昌, 贺讯军, 张狂, 吴群.  基于正折射率材料参数的旋转放大光学变换器件 . 红外与激光工程, 2014, 43(2): 493-496.
    [18] 潘继环, 苏安, 蒙成举.  介质折射率对光子晶体量子阱滤波性能的调制 . 红外与激光工程, 2014, 43(3): 833-837.
    [19] 刘志明, 陈坤峰, 高业胜, 史学舜, 简水生.  阵列波导光栅中自由传播区模式的有效折射率 . 红外与激光工程, 2013, 42(8): 2146-2149.
    [20] 刘婷毓, 张景旭, 杨飞, 明名, 吕天宇.  近红外镜头系统的设计与装调 . 红外与激光工程, 2013, 42(3): 669-674.
  • 加载中
图(9) / 表(5)
计量
  • 文章访问数:  190
  • HTML全文浏览量:  65
  • PDF下载量:  55
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2022-11-03
  • 修回日期:  2022-11-25
  • 网络出版日期:  2023-04-14
  • 刊出日期:  2023-04-25

面向高性能的红外折射式镜头装调技术

doi: 10.3788/IRLA20220790
    作者简介:

    黄阳,男,高级工程师,硕士,主要从事光学装调和检测方面的研究

基金项目:  国家重点研发计划(2021YFF0701300)
  • 中图分类号: V464

摘要: 针对红外光学材料折射率不均匀导致系统波前产生异常像差,从而引起镜头像质严重下降的问题,提出了一种光学件位置迭代调整和面形修配相结合的系统波前补偿方法,实现面向高性能的红外折射式镜头装调。在光学件精密定心的基础上,设计了在线装调检测装置,依据镜头实测波前并结合计算机辅助装调技术,通过迭代调整光学件位置矫正系统波前初阶像差。对系统残留的中高阶像差,根据各视场测得的系统波前综合分析计算,采用修配光瞳处光学件面形,引入反残留波像差的方式补偿。实验上,通过对某红外折射式镜头装调,将镜头三个视场系统波前RMS (λ=3.39 μm)分别由精密定心后的0.162λ、0.118λ、0.166λ降低至0.064λ、0.040λ、0.067λ,平均MTF (@25 lp/mm)由0.31提升至0.67。结果表明,这种装调技术对红外折射式镜头系统波前补偿效果明显,可大幅提升镜头成像性能,具有重要的工程应用价值。

English Abstract

    • 近年来,随着红外成像技术的发展[1-3],红外折射式镜头由于具有视场大、体积小、成本低等特点,在航天遥感、军事侦查、生物探测等领域得以广泛应用,对系统成像性能提出了更高要求[4-6]

      目前,国内外红外折射式镜头的高精度装调主要采用精密定心的方式[7-9],依据定心仪测量光学件像点随回转轴旋转的轨迹,计算和调整光学件的中心偏。然而,常用的红外折射材料主要有锗、硅、硒化锌和硫系玻璃等,由于材料制备工艺特点,折射率均匀性难以保证[8-11],如锗材料在10.6 μm谱段折射率均匀性约为2×10−4,硫系玻璃在3.39 μm谱段折射率均匀性约为1×10−4。相较于可见折射材料10−6量级的折射率均匀性,红外材料折射率均匀性的高偏差相当于在成像系统中引入额外的不规则像差,将导致镜头波前误差异常和像质下降,这是高性能红外折射式镜头装调的主要难题,而精密定心装调的核心是光学件光轴一致性和间距的控制,对系统不规则像差的矫正无能为力。

      针对上述难题,文中提出面向高性能的红外折射式镜头装调技术,设计了在线装调检测装置,依据镜头实测波前,通过迭代调整光学件位置的方法矫正系统波前初阶像差,对残留的中高阶像差采用修配光瞳处光学件面形,引入反残留波像差的方式补偿。借助于该技术完成红外镜头装调工作,相较于精密定心后的镜头测量结果,系统波前补偿效果明显,镜头成像性能大幅提升,验证了该技术的合理性。

    • 用于红外折射式镜头的光学件材料主要有锗、硅、硒化锌和硫系玻璃等,多采用晶体生长的方式制备[10-12],材料在生长过程中受温度或压力等因素波动的影响,会导致不同区域晶格生长残余应力水平不同,引起材料各区域的折射率存在一定偏差。

      在光学上采用四步干涉法测量光学材料的折射率均匀性[13-15],如图1所示,通过测试待测材料平面样品的前后表面反射波前、透射波前和测试光路空腔波前的误差分布,由公式(1)求得该样品的折射率均匀性偏差分布Δn(x, y):

      $$ \Delta n\left( {x,y} \right) = \frac{{n({W_3} - {W_4}) - (n - 1)({W_2} - {W_1})}}{{2t}} $$ (1)

      式中:t为样品的平均厚度;n为样品在测试波长的折射率;W1为样品前表面S1反射的波前误差分布;W2为经样品透射,后表面S2反射的波前误差分布;W3为经样品透射,由标准平面镜反射的波前误差分布;W4为移出样品后,仅由标准平面镜反射的测试光路空腔波前误差分布。

      图  1  (a) 样品前表面S1反射波前;(b) 样品后表面S2反射波前;(c) 样品透射波前;(d) 测试光路空腔波前

      Figure 1.  (a) Reflected wavefront of sample’s front surface S1; (b) Reflected wavefront of sample’s back surface S2; (c) Transmitted wavefront of sample; (d) Cavity wavefront of test optical path

      使用3.39 μm红外干涉仪对国内部分材料制备商提供的口径Φ200 mm红外折射材料样品测量折射率均匀性,结果如图2所示,样品硅和硒化锌的折射率均匀性偏差小且分布比较均匀,但样品锗和硫化锌的折射率均匀性偏差大且呈不规则分布。

      图  2  (a) 样品硅、(b) 样品硒化锌、(c) 样品锗、(d) 样品硫化锌的折射率均匀性分布

      Figure 2.  Refractive index homogeneity of sample Si (a), sample ZnSe (b), sample Ge (c), sample ZnS (d)

      由于红外光学材料折射率均匀性的高偏差相当于在光学系统波前附于一个不规则的曲面波,将在系统引入难以评估的初阶和高阶像差,按设计值装调的红外镜头势必会产生波前误差异常和像质下降的问题。

    • 按照计算机辅助装调技术理论[16],理想光学系统的综合像差与各光学件位置结构参数之间的函数关系可用近似线性方程组(2)表示:

      $$ \left[\begin{array}{c} F_{1} \\ \vdots \\ F_{m} \end{array}\right]=\left[\begin{array}{c} F_{01} \\ \vdots \\ F_{0 m} \end{array}\right]+\left[\begin{array}{c} \dfrac{\delta f_{1}}{\delta x_{1}}\left(x_{1}-x_{01}\right)+\cdots+\dfrac{\delta f_{1}}{\delta x_{n}}\left(x_{n}-x_{0 n}\right) \\ \vdots \\ \dfrac{\delta f_{m}}{\delta x_{1}}\left(x_{1}-x_{01}\right)+\cdots+\dfrac{\delta f_{m}}{\delta x_{n}}\left(x_{n}-x_{0 n}\right) \end{array}\right] $$ (2)

      式中:FiF0i (i=1, 2, ··· , m)分别为系统实测和设计残留的各阶像差;fi (i=1, 2, ··· , m)为系统像差与各光学件位置关系的函数;xjx0j (j=1, 2, ··· , n) 分别为各光学件实际和设计位置参数。

      用矩阵来表示,公式(2)可写为:

      $$ \Delta F=A \Delta X $$ (3)

      其中

      $$ \Delta F=\left[\begin{array}{c} F_{1} \\ \vdots \\ F_{m} \end{array}\right]-\left[\begin{array}{c} F_{{0n}} \\ \vdots \\ F_{{0m}} \end{array}\right]$$
      $$ A=\left[\begin{array}{c} \dfrac{\delta f_{1}}{\delta x_{1}}, \cdots, \dfrac{\delta f_{1}}{\delta x_{n}} \\ \vdots \\ \dfrac{\delta f_{m}}{\delta x_{1}}, \cdots, \dfrac{\delta f_{m}}{\delta x_{n}} \end{array}\right]$$
      $$ \Delta X=\left[\begin{array}{c} x_{1} \\ \vdots \\ x_{n} \end{array}\right]-\left[\begin{array}{c} x_{01} \\ \vdots \\ x_{0 n} \end{array}\right] $$

      式中:A为系统中各光学件的灵敏度矩阵,由光学设计数据确定,主要对系统初阶像差敏感;ΔX为系统中各光学件所需的位置调整量,包括平移、倾斜和间距;ΔF为系统实测和理论像差的偏差值。

      对于折射式系统,每件光学件均有五个维度位置调整量,在只考虑五项初阶像差的情况下,像差数m远小于调整量总数n,不定方程式(3)多为无穷多组解。为了保证光学件调整后对系统参数和结构影响最小,取评价函数ψX),其极小值就是公式(3)的解。

      $$ \varPsi(\Delta X)=\Delta X^{{\rm{T}}} \Delta X=\sum_{i=1}^{n}\left(x_{i}-x_{0 i}\right)^{2} $$ (4)

      根据实测光学系统的残留像差,通过光学件的位置补偿调整,可减小光学系统的初阶像差,使调整后的光学系统指标尽可能接近理论系统。但红外光学材料折射率均匀性的高偏差使得镜头按光学设计值精密定心后,系统波前残留大量级的不规则像差,并且与调整量存在非线性关系,因此只能通过调整量ΔX迭代的方式收敛残留初阶像差。

    • 为了实现红外折射式镜头的残留初阶像差最优化处理,需将镜头装调和检测相统一,在镜头精密定心装调后,实时监测系统波前,并依据实测初阶像差在线迭代调整光学件位置。

      为此,基于红外折射式镜头精密定心的基础上,通过在定心仪精密转台安置一个45°折转镜,配合镜头支撑工装,将镜头垂直光轴转换至水平方向,如图3所示。在镜头入瞳上方安装可调整角度的平面反射镜,通过工况切换装置的旋进和旋出,实现镜头检测和装调工况的任意切换,并结合红外干涉仪,使红外折射式镜头装调过程中具备系统波前检测的功能。

      图  3  在线装调检测平台模型图

      Figure 3.  Model diagram of online device with lens alignment and image quality measurement

      在线迭代调整的关键是光学件在镜筒内可实时进行倾斜、平移和间距的调整,原理如图4所示,采用在镜筒侧壁均布的三个夹持装置支撑光学件,通过对光学件端面三个支撑点的轴向组合升降,并结合镜筒侧壁顶丝的径向协调伸缩,实现光学件在镜筒内的五维自由度调整。

      图  4  位置迭代调整原理图

      Figure 4.  Schematic diagram of iterative adjustment position

    • 理想成像光学系统的出射波前应为完善球面波,当系统具有像差时,系统出射波前将产生形变,实际波面与理想波面存在波像差,如图5所示。

      图  5  像差对系统波前影响示意图

      Figure 5.  Schematic diagram of aberration effect on system wavefront

      光学系统中残留的中高阶像差通常与光学件的位置失调关系不大,主要与光学件面形和参数加工精度及材料特性相关。按照波面的补偿原理[17],可通过光学件面形的变形加工在系统中引入反残留波像差的补偿波面,将出射波前校正成完善球面波,如图6所示。

      图  6  系统波前补偿示意图

      Figure 6.  Schematic diagram of system wavefront compensation

      光学系统波像差和光学件面形像差的分布均可通过极坐标形式的Zernike多项式表征。由干涉测量得到如公式(5)所示的光学系统波像差分布W(ρ, θ),结合光学设计数据确定的变形镜面形对系统出射波前的波像差响应矩阵C,由公式(6)计算得到变形镜面形像差分布W´(ρ, θ)。

      $$ \left\{\begin{array}{l} W(\rho, \theta)= \displaystyle \sum_{j=1}^{L} k_{j} Z_{j}(\rho, \theta)=K Z \\ K=\left[k_{1}, k_{2}, \cdots, k_{L}\right] ; Z=\left[Z_{1}, Z_{2}, \cdots, Z_{L}\right]^{{\rm{T}}} \end{array}\right. $$ (5)

      式中:Zjkj (j=1, 2, $\cdots , $ L)分别为各项Zernike多项式及其对应项系数;L为项数。

      $$ \left\{\begin{array}{c} W^{\prime}(\rho, \theta)=-C^{-1} K Z \\ C=\left[\begin{array}{c} c_{11}, c_{12}, \cdots, c_{1 L} \\ \vdots \\ c_{L 1}, c_{L 2}, \cdots, c_{L L} \end{array}\right] \end{array}\right. $$ (6)

      式中:cij (i, j=1, 2, $\cdots , $ L)表示变形镜的第j项Zernike面形像差对出射波前的第i项Zernike波像差的影响。

      为了降低变形镜面形修配难度和提高补偿波面匹配度,系统波前的初阶像差采用光学件位置调整的方法矫正,仅对残留的中高阶像差进行面形修配补偿波前。一般而言,在折射式镜头光瞳处全口径使用的光学件面形对全视场系统波像差影响最为均衡,为了保证补偿波面对全视场中高阶像差矫正效果,同时降低面形修配难度,将反残留波像差通过公式(6)等效在光瞳处光学件的表面附加变形面形,并严格按照面形的像差分布进行面形修配。

    • 折射式镜头通常具有视场角大的特点,由于材料折射率均匀性的高偏差,不同视场的系统残留波像差因入射光线路径不同而产生一定相对不规则差异,无法得到一个可全视场完善补偿的波面。

      为了使镜头各视场系统波前的中高阶像差均得到有效改善,需综合分析多视场的波像差分布情况,通过公式(7)利用Zernike多项式计算拟合得到最优化的反残留波像差分布Wf (ρ, θ),即变形镜在轴上视场的补偿波像差。

      $$ W_{f}(\rho, \theta)=\frac{ \displaystyle \sum_{i=1}^{N} b_{l} W_{l}(\rho, \theta)}{N} $$ (7)

      式中:Wl (ρ,θ) (l=1, 2, $ \cdots , $ N)为镜头各视场实测系统波前;bl (l=1, 2, $ \cdots , $ N)为各视场波前的影响系数;N为分析视场个数,通常不小于3。

      影响系数bl与变形镜面形对相应视场系统波像差的影响互为倒数。根据波像差与入射角的关系,如图7所示,可知光学件面形对波像差的影响随入射光角度的增大而减小,见公式(8):

      $$ \left\{\begin{array}{l} S=\left(\dfrac{n}{\cos \sigma_{2}}-\dfrac{1}{\cos \sigma_{1}}\right) d \\ \sin \sigma_{1}=n \sin \sigma_{2} \end{array}\right. $$ (8)

      式中:S为折射波像差;n为光学件在测试波长的折射率;σ1σ2分别为入射光和出射光与镜面法线夹角;d为镜面面形法向偏差量。

      图  7  波像差与入射角关系示意图

      Figure 7.  Schematic diagram of the relationship between wave aberration and incident angle

      定义镜头0°视场角的波前影响系数为1,基于公式(8)得到各视场波前的影响系数。

      $$ b_{l}=\dfrac{\left(n^{\prime}-1\right) \cos \alpha_{l}\, \cos\, \arcsin \left(\dfrac{\sin \alpha_{l}}{n^{\prime}}\right)}{n^{\prime} \cos \alpha_{l}-\arccos \,\arcsin \left(\dfrac{\sin \alpha_{l}}{n^{\prime}}\right)} $$ (9)

      式中:n'为变形镜在测试波长的折射率;αl (l=1, 2, $ \cdots , $ N)为镜头实测波前对应的视场角。

    • 为了验证系统波前补偿效果,采用该技术对某全视场角13°的中波红外折射式镜头进行装调,镜头的光学结构如图8所示,共由一块窗口和六块透镜组成,其中窗口前表面为系统光瞳,镜头全视场MTF (@25 lp/mm)设计值为0.70,光学系统部分参数如表1所示。

      图  8  红外镜头的光学结构图

      Figure 8.  Optical structure diagram of infrared lens

      表 1  红外镜头光学系统部分参数

      Table 1.  Some optical system parameters of infrared lens

      ElementMaterialThickness/mmAperture/mm
      Optical windowsCaF213.002205
      Lens1Si15.033210
      Lens2Si15.950205
      Lens3Ge13.081160
      Lens4Ge11.367135
      Lens5Si11.616130
      Lens6ZnSe9.612120

      镜头装调采用精密定心的方式,为了便于光学件在线迭代调整,在镜筒侧壁预留了夹持装置安装位。基于红外定心仪和红外干涉仪构建了在线装调检测平台,其中夹持装置的调整精度为±5 μm,其结构形式和与镜筒连接方式如图9所示。

      图  9  (a) 夹持装置的结构形式;(b) 夹持装置与镜筒的连接方式

      Figure 9.  (a) Structure of clamping device; (b) Connection mode between clamping device and lens barrel

      镜头严格按照光学设计公差进行装调后,将平面反射镜旋进光路,使用3.39 μm红外干涉仪在线进行镜头三个视场的系统波前和MTF(@25 lp/mm)测试,像差分布采用36项Zernike系数拟合,测试结果见表2。因红外材料折射率均匀性的高偏差导致各视场系统波前均呈三叶草形状分布,残留有较大的各阶像差,三个视场的平均MTF(@25 lp/mm)仅为0.31,远低于设计值。

      表 2  镜头精密定心后的像质测试结果

      Table 2.  Measurement results of lens image quality after precision centering

      FOVSystem wavefront
      diagram & MTF
      (λ=3.39 μm)
      Zernike coefficients of
      main aberration terms
      +6.5° First order: k5: −0.074;
      k6: −0.055; k7: 0.202;
      k8: 0.024; k9: 0.167.
      Medium & high order:
      k10: −0.044; k11: −0.027;
      k12: 0.159; k14: 0.020;
      k16: −0.133; k19: 0.091;
      k20: 0.066; k30: −0.047.
      First order: k5: −0.030;
      k6: −0.009; k7: −0.089;
      k8: −0.037; k9: 0.149.
      Medium & high order:
      k10: −0.057; k11: −0.037;
      k12: 0.095; k14: 0.030;
      k16: −0.128; k19:0.111;
      k20: 0.089; k30: −0.047.
      −6.5°First order: k5: 0.050;
      k6: −0.062; k7: −0.326;
      k8: −0.041; k9: 0.127.
      Medium & high order:
      k10: −0.168; k11: −0.057;
      k12: 0.084; k14: 0.058;
      k16: −0.116; k19: 0.062;
      k20: 0.084; k30: −0.046.

      基于镜1~6的灵敏度矩阵,针对三个视场系统波前初阶像差进行矫正。经光学件位置迭代调整补偿方法计算出,通过镜2轴向移动和镜4径向平移的组合调整,可快速且最优化矫正系统波前初阶像差。在装调检测平台上根据系统实测波前,利用夹持装置和镜筒侧壁顶丝实时迭代调整镜2轴向移动和镜4径向平移,直至各项初阶像差达到最小值。调整后镜头系统波前和MTF(@25 lp/mm)测试结果见表3,三个视场的系统波前初阶像差基本矫正,残留的中高阶像差基本无变化,各视场平均MTF(@25 lp/mm)提升至0.46。

      表 3  镜头迭代调整后的像质测试结果

      Table 3.  Measurement results of lens image quality after iterative adjustment position

      FOVSystem wavefront
      diagram & MTF
      (λ=3.39 μm)
      Zernike coefficients of
      main aberration terms
      +6.5°First order: k5: 0.010;
      k6: 0.007; k7: 0.011;
      k8: 0.023; k9: 0.029.
      Medium & high order:
      k10: 0.015; k11: −0.031;
      k12: 0.133; k14: 0.032;
      k16: −0.125; k19: 0.078;
      k20: 0.073; k30: −0.050.
      First order: k5: −0.011;
      k6: 0.009; k7: −0.032;
      k8: 0.020; k9: 0.007.
      Medium & high order:
      k10: −0.069; k11: −0.058;
      k12: 0.078; k14: 0.012;
      k16: −0.118; k19:0.100;
      k20: 0.084; k30: −0.044.
      −6.5°First order: k5: 0.015;
      k6: −0.013; k7: −0.015;
      k8: 0.022; k9: 0.001.
      Medium & high order:
      k10: −0.155; k11: −0.046;
      k12: 0.055; k14: 0.075;
      k16: −0.118; k19: 0.090;
      k20: 0.091; k30: −0.041.

      对于镜头三个视场残留的中高阶像差,按照面形修配补偿波前的方法计算反残留波像差,并等效在系统光瞳处窗口前表面进行面形修配。修配后窗口的透射波前测试结果见表4

      表 4  修配后窗口的透射波前测试结果

      Table 4.  Transmission wavefront measurement result of the repaired optical windows

      FOVTransmission wavefront
      (λ=3.39 μm)
      Zernike coefficients of medium &
      high order aberration terms
      k10: 0.064; k11: 0.031;
      k12: −0.080; k14: −0.044;
      k16: 0.118; k19:- 0.099;
      k20: −0.073; k30: 0.051.

      将修配后窗口按波前补偿匹配方位安装到镜筒中,镜头三个视场的系统波前和MTF(@25 lp/mm)测试结果见表5,各视场各阶像差得到有效补偿,平均MTF(@25 lp/mm)提升至0.67,基本接近设计值。系统波前补偿完成后,从镜筒侧壁注胶孔对各光学件径向注胶,待胶斑固化,将夹持装置从镜筒拆下,使光学件处于悬浮胶粘状态,镜头装调完成。

      表 5  镜头面形修配后的像质测试结果

      Table 5.  Measurement results of lens image quality after surface modification

      FOVSystem wavefront
      diagram & MTF
      (λ=3.39 μm)
      Zernike coefficients of
      main aberration terms
      +6.5°First order: k5: 0.011;
      k6: 0.005; k7: 0.015;
      k8: 0.019; k9: 0.017.
      Medium & high order:
      k10: 0.072; k11: 0.004;
      k12: 0.087; k14: −0.007;
      k16: −0.010; k19: −0.025;
      k20: −0.015; k30: −0.007.
      First order: k5: −0.009;
      k6: 0.014; k7: −0.021;
      k8: 0.018; k9: 0.005.
      Medium & high order:
      k10: −0.007; k11: −0.023;
      k12: −0.005; k14: −0.030;
      k16: −0.006; k19:0.007;
      k20: 0.009; k30: 0.004.
      −6.5°First order: k5: 0.012;
      k6: −0.015; k7: −0.017;
      k8: 0.015; k9: 0.002.
      Medium & high order:
      k10: −0.095; k11: −0.019;
      k12: −0.029; k14: 0.035;
      k16: −0.007; k19: −0.007;
      k20: 0.027; k30: 0.006.
    • 由于红外材料折射率均匀性的高偏差,使得高性能的红外折射式镜头装调十分困难。文中在精密定心装调的基础上,提出了一种面向高性能的红外折射式镜头装调技术。通过在线检测装置和夹持装置的引入,将镜头装调和检测相融合,并以系统灵敏度矩阵为依据,实时迭代调整光学件位置矫正初阶像差。同时对系统残留的中高阶像差,采用修配光瞳处光学件面形,引入反残留波像差的方式补偿。实验结果表明,该技术可大幅提升红外折射式镜头成像性能,打破传统折射式镜头装调方法的局限,为高性能红外系统研制提供了一种可行途径。

参考文献 (17)

目录

    /

    返回文章
    返回