大口徑快反鏡面形測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：大口徑快速反射鏡(快反鏡)常被應(yīng)用于空間光通信和激光武器等領(lǐng)域。為實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)下大口徑快反鏡面形誤差的實(shí)時(shí)檢測，設(shè)計(jì)了大口徑快反鏡面形測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)的口徑參數(shù)為 400mm，工作波長為 633nm，由離軸式前置擴(kuò)束系統(tǒng)和焦面附件系統(tǒng)組成。對測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)及元件參數(shù)選擇進(jìn)行了闡述，設(shè)計(jì)和仿真了光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并基于光機(jī)熱集成分析獲得溫度變化對光學(xué)系統(tǒng)的影響。測試大口徑快反鏡面形測試系統(tǒng)后結(jié)果表明該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)記錄和高精度測量，且在溫度變化的工作環(huán)境下也可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定測量，其測量穩(wěn)定性為 0.048λ(RMS，λ=633nm)。

　　關(guān)鍵詞：快反鏡;光學(xué)設(shè)計(jì);面形測試系統(tǒng);有效口徑;穩(wěn)定性;

　　劉欣; 楊忠明; 劉兆軍; 王繼紅， 紅外與激光工程 發(fā)表時(shí)間：2021-11-05 17:13

　　0 引言

　　為了操控輸出光束的方向和控制光束的抖動(dòng)，通過操控導(dǎo)光載體的外表形狀變化或內(nèi)部特征變化從而改變出射光束方向的技術(shù)被稱為光束指向控制技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，軍事國防等領(lǐng)域中的系統(tǒng)對目標(biāo)監(jiān)測的精度需求越來越高，故對光束指向控制技術(shù)的精度要求隨之增加?？焖俑呔裙馐赶蚩刂葡到y(tǒng)中的核心器件之一是快速控制反射鏡(快反鏡)，激光光束入射其反射鏡面上，由于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)或音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制使得反射鏡做一定范圍的擺動(dòng)，從而改變光束方向使其發(fā)生偏轉(zhuǎn)[1]。快反鏡在光學(xué)成像系統(tǒng)中，通過開環(huán)或閉環(huán)方式控制反射鏡的偏移角度穩(wěn)定系統(tǒng)視軸以及補(bǔ)償像移?？旆寸R響應(yīng)速度快，控制帶寬高，定位準(zhǔn)確等優(yōu)勢被得到廣泛應(yīng)用[2-4]，大口徑快反鏡常用于航空航天領(lǐng)域、大型激光武器、天文望遠(yuǎn)鏡和空間通信等領(lǐng)域[5-10]。

　　大口徑光學(xué)器件面形檢測的方法有干涉儀法、Ritchey-Common 法、斜入射法、子孔徑拼接法和五棱鏡掃描法等等[11]，其中天文望遠(yuǎn)鏡等系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用子孔徑拼接檢測技術(shù)及大口徑干涉儀進(jìn)行面形測量，眾多方法中干涉檢測法應(yīng)用的最為廣泛，但干涉檢測法對環(huán)境和設(shè)備要求較高，以及成本過高，且測試精度還需進(jìn)一步提高[12-14]，其中陳念年等[12]設(shè)計(jì)的面形拼接測量裝置測量誤差為 0.072λ，袁理[14]設(shè)計(jì)的面形測試系統(tǒng)精度為 8.1nm rms。大口徑快反鏡在實(shí)際閉環(huán)工作時(shí)，其鏡面的面形會實(shí)時(shí)發(fā)生變化，由于快反鏡動(dòng)態(tài)工作時(shí)其面形頻繁抖動(dòng)，測量大口徑平面鏡面形的方法并不適用。王凱等[15]設(shè)計(jì)快速反射鏡靜動(dòng)態(tài)性能測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)僅適用于小口徑快反鏡，若采用該方法測量大口徑快反鏡的動(dòng)態(tài)變化則在測量過程中需要一塊不小于被檢元件尺寸的大口徑擾動(dòng)快反鏡，而這樣一個(gè)擾動(dòng)鏡的成本很高。

　　為實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)下大口徑快速反射鏡面形誤差的實(shí)時(shí)檢測，本文設(shè)計(jì)了大口徑的快反鏡面形測試系統(tǒng)，其口徑為 400mm，工作波長為 633nm。此系統(tǒng)的前置擴(kuò)束系統(tǒng)為離軸折反射式擴(kuò)束系統(tǒng)，采用位置敏感探測器(PSD)及感光耦合元件(CCD)相機(jī)對光束質(zhì)心和光束光斑變化實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)記錄，使用快速補(bǔ)償鏡同步快反鏡面型變化頻率，采用 PSD 和夏克哈特曼波前傳感器實(shí)現(xiàn)對快反鏡面形誤差實(shí)時(shí)變化的測量和記錄。同時(shí)闡述了光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)及其模擬和仿真，并基于光機(jī)熱仿真分析可知該系統(tǒng)處于-10℃～50℃工作環(huán)境下時(shí)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度測量和記錄且及穩(wěn)定性強(qiáng)，其測量穩(wěn)定性為 0.048λ(RMS，λ=633nm)。

　　1.光學(xué)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)與溫度穩(wěn)定性分析

　　1.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　如圖 1 所示，文中提出的大口徑快反鏡面形測試系統(tǒng)由大口徑前置離軸擴(kuò)束系統(tǒng)、光源及光源擴(kuò)束系統(tǒng)、偏擺補(bǔ)償組件、波前測量組件、測試結(jié)果顯示部分、機(jī)械支撐系統(tǒng)、電源構(gòu)成[16-17]。如圖 2 所示，光學(xué)系統(tǒng)主體采用離軸無焦卡塞格林系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)，激光光源發(fā)射 633nm 波長的光束，光束通過光源擴(kuò)束系統(tǒng)將光束直徑擴(kuò)束為 20mm，經(jīng)過第一個(gè)分束鏡將光束反射到離軸擴(kuò)束系統(tǒng)，直徑 20mm 的光束以 1:20 的比例擴(kuò)束到 400mm 的光束，然后入射到待測快反鏡的鏡面上，通過待測快反鏡鏡面反射的光束攜帶待測快反鏡鏡面的面形變化的信息再次通過離軸擴(kuò)束系統(tǒng)，光束被縮束為 20mm，經(jīng)過第一個(gè)分束鏡入射到衰減器進(jìn)行光強(qiáng)衰減，再經(jīng)過第二個(gè)分束鏡將光束分成兩部分，一部分入射到補(bǔ)償反射鏡，經(jīng)過第三個(gè)分束鏡將光束分成兩部分，其中一束光入射 CCD 記錄光斑變化，另外一束光入射到第一個(gè) PSD 記錄光斑質(zhì)心變化。另一部分經(jīng)過第四個(gè)分束鏡將光束分成兩部分，其中一束光到經(jīng)反射鏡反射進(jìn)入到波前傳感器進(jìn)行波前分析，另一束光進(jìn)入第二個(gè) PSD 記錄光斑質(zhì)心變化。其中第一個(gè) PSD 記錄到的質(zhì)心數(shù)據(jù)反饋給補(bǔ)償反射鏡，使得補(bǔ)償反射鏡的抖動(dòng)頻率與待測快反鏡鏡面抖動(dòng)頻率一致保證波前傳感器穩(wěn)定的進(jìn)行波前分析。

　　本文采用的擴(kuò)束系統(tǒng)為離軸無焦卡式系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)為光路中無實(shí)際焦點(diǎn)，不會使得光能聚集而造成系統(tǒng)損傷，且結(jié)構(gòu)緊湊，中心無遮擋，光能利用率高[18]。光學(xué)系統(tǒng)中的單色像差包括球差、彗差、像散、場曲和畸變，分別用 、 、 、 、 表示。在空氣介質(zhì)中，根據(jù)三級像差理論，對無窮遠(yuǎn)成像，可得到五種像差的求解結(jié)果為其中， 為系統(tǒng)的放大倍率， 和 為主、次鏡面偏心率平方， 為主鏡邊緣到光軸的距離，和 為 主 、 次 鏡 面 表 達(dá) 式 。 當(dāng) 且 僅 當(dāng)時(shí)， ，即若同時(shí)消除球差、彗差、像散及畸變，則主鏡和次鏡均需為拋物面鏡。故前置擴(kuò)束系統(tǒng)的主、次鏡均使用拋物面鏡，主、次鏡的鍍膜方式為金屬鋁膜同時(shí)加有保護(hù)膜，其工作波長為 633nm。無焦卡式系統(tǒng)是常用的擴(kuò)束系統(tǒng)[19-21]，其主鏡的焦距和主鏡直徑的關(guān)系為p 為避免機(jī)械結(jié)構(gòu)干擾光路所留余量。經(jīng)上述公式計(jì)算，其中主鏡的直徑 為 400mm，曲率半徑 為 3000mm，離軸量 為 330mm，次鏡的直徑 為 55mm，曲率半徑 為 150mm，系統(tǒng)的擴(kuò)束比為 1:20，主、次鏡間距 為 1425mm，視場為 0.05°，前置擴(kuò)束系統(tǒng)的參數(shù)如表 1 所示。為了實(shí)現(xiàn)光斑質(zhì)心坐標(biāo)變化、光斑變化和光斑波前的準(zhǔn)確測量，需要在數(shù)據(jù)探測器即 PSD、CCD 和波前傳感器前加入縮束系統(tǒng)。基于快反鏡面形測試系統(tǒng)的參數(shù)指標(biāo)要求，選擇 Imagine Optic 公司的哈特曼波前傳感器，表 2 為其具體參數(shù)。

　　將以上參數(shù)輸入 Zemax 軟件中實(shí)行系統(tǒng)優(yōu)化從而得到光學(xué)系統(tǒng)的最佳設(shè)計(jì)，圖 3 為光學(xué)系統(tǒng)的仿真結(jié)果。同時(shí)，考慮視場變化對快反鏡面形測試系統(tǒng)的影響，在 Zemax 中設(shè)定工作波長為 633nm 與視場角度 0.05°。根據(jù)仿真結(jié)果可得，系統(tǒng)像差與視場角度增減成正比關(guān)系，當(dāng)視場角為 0.05°時(shí)系統(tǒng)的 PV 值為 0.008λ， RMS 值為 0.006λ。

　　1.2 溫度穩(wěn)定性分析

　　考慮快反鏡面形測試系統(tǒng)實(shí)際檢測面形誤差時(shí)外界環(huán)境溫度會產(chǎn)生變化，由于光學(xué)鏡片和機(jī)械結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)不同，且溫度變化對使得鏡片和機(jī)械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱變形而影響光束傳播導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)性能下降進(jìn)而影響快反鏡面形測試系統(tǒng)的測量精度。光機(jī)熱集成分析方法(TSO)是一種通過結(jié)合光學(xué)、機(jī)械學(xué)和熱力學(xué)等多個(gè)學(xué)科為一體的計(jì)算過程，于 1981 年由美國 Honeywell 公司的 Miller 等人[21] 最早提出，其通過綜合分析機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，光學(xué)設(shè)計(jì)，材料選擇以及外界環(huán)境等多方面因素之間的關(guān)系，對光學(xué)系統(tǒng)施加熱載荷以仿真分析系統(tǒng)性能的優(yōu)劣，從而判斷光學(xué)系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性[16-17, 23-25]。本文通過光機(jī)熱集成分析對快反鏡面形測試光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行溫度穩(wěn)定性分析，光機(jī)熱集成分析的流程圖如圖 4 所示[16-17, 快反鏡面形測試系統(tǒng)檢測狀態(tài)時(shí)，其前置離軸無焦卡式擴(kuò)束系統(tǒng)主要會受到外部工作環(huán)境溫度變化的影響。根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用 SolidWorks 軟件建立系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，依據(jù)系統(tǒng)部件材料的差異導(dǎo)入模型元件的對應(yīng)參數(shù)，采用 Patran 軟件創(chuàng)建有限元模型，其中網(wǎng)格劃分的大小、疏密程度會影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確度。本文采用六面體網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使用手動(dòng)劃分網(wǎng)格方法，其中劃分的網(wǎng)格模型單元總數(shù)為 37671 個(gè)，網(wǎng)格最小的尺寸為 1mm，最大的尺寸為 33mm，其有限元模型如圖 5 所示。

　　劃分網(wǎng)格后，對有限元模型添加約束條件，其中位移邊界條件為限制支撐腿位移的自由度。基于溫度變化對光學(xué)系統(tǒng)性能的影響，環(huán)境參考溫度選取為 20℃，溫度分析范圍為 -10℃～50℃，以 10℃溫差為梯度計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性情況。通過對模型施加±30℃ 的熱載荷，輸入?yún)?shù)后即可生成分析計(jì)算所用的.bdf 模型。采用 Nastran 軟件打開.bdf 模型進(jìn)行分析計(jì)算獲得.xdb 結(jié)果文件，再采用 Patran 軟件將其打開.xdb 結(jié)果文件進(jìn)行計(jì)算，得到系統(tǒng)的熱變形云圖如圖 6 所示。

　　由于外界環(huán)境溫度的變化會使得鏡片面形和鏡片間距產(chǎn)生變化，故完成光學(xué)系統(tǒng)機(jī)械熱分析之后，需要分析溫度變化對鏡片面形產(chǎn)生的影響，故下一步將進(jìn)行對鏡片面形變化的數(shù)據(jù)擬合分析。其中數(shù)據(jù)擬合分析的方法有二次曲面擬合法，齊次坐標(biāo)變換法， Zernike 多項(xiàng)式擬合等[17, 27]。本文采用 Zernike 多項(xiàng)式擬合的方法在 MATLAB 軟件中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)擬合分析，將獲得的數(shù)據(jù)導(dǎo)入 Zemax 軟件中得到像差數(shù)據(jù)(如圖 7 所示)，并且當(dāng)溫度為-10℃時(shí)，鏡面面形 RMS 值為 0.042λ(RMS，λ=633nm)，溫度為 50℃時(shí)，鏡面面形 RMS 值為 0.046λ(RMS， λ=633nm)。

　　同時(shí)，如圖 8 所示，外界環(huán)境溫度變化后光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)(MTF)變化不大，當(dāng)溫度為-10℃和 50℃時(shí)，截止頻率為 20lp/mm 處的光學(xué)系統(tǒng)各視場的 MTF 均高于 0.2。圖 9 表示系統(tǒng)在 20°時(shí)，鏡片無剛性位移，不會產(chǎn)生面形變化，截止頻率為 20lp/mm 處的光學(xué)系統(tǒng)各視場的 MTF 均為 0。圖 10 表明光學(xué)系統(tǒng)在-10℃~50℃的溫度范圍內(nèi)，鏡面面形雖然隨外界環(huán)境溫度變化也隨之成線性變化，但在 -10℃和 50℃的極值情況下，鏡面面形 RMS 值仍滿足光學(xué)系統(tǒng)的性能指標(biāo)，證明了快反鏡面形測試系統(tǒng)具有溫度穩(wěn)定性。

　　2 光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)與機(jī)械穩(wěn)定性分析

　　本文采用的前置大口徑擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)為離軸無焦卡式擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)雖然具有結(jié)構(gòu)緊湊，中心無遮擋以及光能利用率高等優(yōu)勢，但安裝調(diào)試該系統(tǒng)具有一定的難度系數(shù)。圖 11 為快反鏡面形測試系統(tǒng)的裝調(diào)流程即安裝調(diào)試前置擴(kuò)束系統(tǒng)的主鏡及其面形檢測、主次鏡聯(lián)合調(diào)試、前置擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)檢測和焦面附件系統(tǒng)安裝調(diào)試，其中前置大口徑擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)根據(jù)自動(dòng)準(zhǔn)直檢測原理實(shí)行安裝調(diào)試過程，該過程使用動(dòng)態(tài)干涉儀實(shí)時(shí)檢測光學(xué)系統(tǒng)的波像差，使得前置大口徑擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)達(dá)到參數(shù)指標(biāo)要求[16-17, 28]。

　　前置大口徑擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)裝調(diào)的使用工具主要有 4D 干涉儀和 500mm 口徑平面鏡，具體過程為：首先判定平面鏡與機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)的對應(yīng)位置，放置主鏡并在其理論焦點(diǎn)處放置 4D 干涉儀，調(diào)整主鏡以確定其焦點(diǎn)位置，確定位置后使用干涉儀檢測主鏡面形，微調(diào)達(dá)到參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)后固定主鏡位置。再者放置次鏡并確認(rèn)主、次鏡的對應(yīng)位置，再將 4D 干涉儀放置次鏡反射出光方向進(jìn)行主、次鏡聯(lián)調(diào)，使得前置大口徑擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)的波像差達(dá)到參數(shù)要求[17, 28]。后將光源及光源擴(kuò)束系統(tǒng)、分束鏡組、反射鏡、補(bǔ)償反射鏡、PSD 組、CCD、波前傳感器等器件依次放置于面形測試光路中，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測量并記錄快反鏡面形誤差信息。經(jīng)測量該系統(tǒng)波前誤差為 0.046λ(RMS, λ=633nm)，前置擴(kuò)束系統(tǒng)的擴(kuò)束比為 1:20，且系統(tǒng)被集成封裝到箱體中，圖 12 為系統(tǒng)實(shí)物圖。

　　機(jī)械穩(wěn)定性同樣是光學(xué)系統(tǒng)測試能力的重要指標(biāo)。將口徑為 500mm 的平面鏡放置于快反鏡面形測試系統(tǒng)前，并在系統(tǒng)穩(wěn)定后實(shí)行穩(wěn)定性檢測。每 5 分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，共 10 次(如圖 13 所示)，并計(jì)算 10 次數(shù)據(jù)的均方根值。經(jīng)測試，快反鏡面形測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性為 0.048λ (RMS，λ=633nm)，結(jié)果表明該系統(tǒng)穩(wěn)定性較高，具有較好的測試能力。

　　為了驗(yàn)證快反鏡面形測試系統(tǒng)實(shí)時(shí)測量與記錄快反鏡面形誤差信息的功能，將快反鏡置于快反鏡面形測試系統(tǒng)的出光口處，光束經(jīng)前置擴(kuò)束系統(tǒng)及快反鏡反射后，入射至數(shù)據(jù)采集硬件即 PSD、CCD 和波前傳感器中。PSD 實(shí)時(shí)采集并記錄光斑質(zhì)心的變化，CCD 實(shí)時(shí)采集并記錄光斑的變化。經(jīng)測試，被測快反鏡工作狀態(tài)下的面形誤差為 0.059λ(RMS，λ=633nm)，如圖 14 所示。同時(shí)測試軟件分析并記錄快反鏡面形誤差數(shù)據(jù)的 Zernike 多項(xiàng)式擬合系數(shù)，以便后續(xù)系統(tǒng)的測試與數(shù)據(jù)分析。

　　3.結(jié)論

　　為實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)下大口徑快反鏡面形誤差的實(shí)時(shí)檢測，本文設(shè)計(jì)了大口徑快反鏡面形測試系統(tǒng)，并進(jìn)行了快反鏡面形測試系統(tǒng)的光學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，闡述了光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和參數(shù)設(shè)計(jì)及其模擬和仿真，并基于光機(jī)熱仿真分析可知該系統(tǒng)處于-10℃～50℃工作環(huán)境下時(shí)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度測量和記錄且及穩(wěn)定性強(qiáng)，其測量穩(wěn)定性為 0.048λ(RMS，λ=633nm)。