多光軸校軸儀調(diào)校關鍵技術研究

張向明，張錦亮，王養(yǎng)云，姜 峰，趙紅軍，劉奕辰，孔龍陽

(西安應用光學研究所，陜西 西安 710065)

引言

多傳感器光電系統(tǒng)集激光測距、激光制導照射、可見光成像和紅外熱成像等為一體，可以在不同環(huán)境下準確探測敵方目標。這種光電系統(tǒng)內(nèi)裝備有多個傳感器，傳感器光軸之間的平行性決定了整個光電系統(tǒng)的瞄準精度，因此需要專用的多光軸校軸儀進行定期校正。目前用于光軸平行性測試的多為單一波段的測試系統(tǒng)，且系統(tǒng)較為復雜，為外場校軸帶來許多不便，同時由于不同波段使用的測試系統(tǒng)不同，各波段光軸間的平行性測試精度會帶來一定的偏差。因此這種單一波段的測試系統(tǒng)已經(jīng)無法滿足當前的使用要求，急需一種結(jié)構(gòu)簡單、檢測精度高的多光軸平行性測試系統(tǒng)[1]?；谶@種需要，本文提出一種光軸跨距較大的多光軸校軸儀，對校軸儀的裝配關鍵技術進行研究，得出對激光、電視和熱像三軸的檢測平行精度達到10″以內(nèi)。

1 多光軸校軸儀的工作原理

多光軸校軸儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由主鏡、次鏡、陶瓷基靶板、照明裝置、擴束棱鏡組、雙光楔鏡組和保護玻璃等組成。如圖1所示，主鏡和次鏡構(gòu)成一個卡賽格林系統(tǒng)，陶瓷基靶板位于卡賽格林系統(tǒng)的焦面處。被測光電系統(tǒng)發(fā)射一束激光，激光光束經(jīng)保護玻璃入射到擴束棱鏡組的第1塊反射鏡折轉(zhuǎn)90°后反射到雙光楔鏡組中，經(jīng)雙光楔鏡組多次折射后入射到擴束棱鏡組的第2塊反射鏡折轉(zhuǎn)90°后入射卡賽格林系統(tǒng)中，經(jīng)卡賽格林系統(tǒng)主鏡第1次反射和次鏡第2次反射后匯聚到陶瓷基靶板上，激光能量使靶面產(chǎn)生明亮的熱閃光點。經(jīng)卡賽格林系統(tǒng)次鏡第1次反射和主鏡第2次反射后,光點的一部分能量經(jīng)紅外窗口進入到熱像通道，另一部分能量的出射路徑與激光入射路徑類似，同樣經(jīng)擴束棱鏡組的2次反射和雙光楔鏡組的折射后，經(jīng)保護玻璃進入到電視通道。此時在電視和熱像顯示屏上會顯示出一個亮點，啟動視頻跟蹤電子裝置，調(diào)整電視攝像機和熱像儀電子分劃線的位置，使其中心與亮點中心重合，這樣就可以保證激光、電視和熱像3個光軸的平行性[2]。

圖1 多光軸校軸儀光學系統(tǒng)Fig.1 Optical system of multi-spectral axes calibration machine

2 影響多光軸校軸儀校準精度的因素

卡賽格林系統(tǒng)的主鏡為拋物面，相對口徑和質(zhì)量較大，鏡體自重會破壞主鏡的面形精度，導致系統(tǒng)的成像光點模糊變形，無法找到光點中心位置，因此需要特殊裝配方法來消除鏡體自重對反射面面形的影響[3]。多光軸校軸儀對系統(tǒng)出射光束的平行性有著極高的要求，當陶瓷基靶板的位置與卡賽格林系統(tǒng)的焦面重合時，系統(tǒng)出射光束的平行性最好，測量光軸平行性的準確度最高。因此陶瓷基靶板的定焦精度直接影響了多光軸校軸儀的精確度。擴束棱鏡組的使用，可以有效縮小主鏡的口徑，但是會引入各檢測光路出射光軸的平行誤差，需要雙光楔鏡組對出射光軸方向進行微調(diào)，因此各檢測光路出射光軸的平行性也是影響多光軸校軸儀校準精度的關鍵因素之一。

3 主鏡面形變化的主要原因

1) 主鏡自身質(zhì)量引起的變形。主鏡與主鏡座采用中心軸定位[4]方式進行粘接固定，主鏡自重較大，如果其自身重力不能得到平均分攤，中心孔處應力過于集中，將破壞主鏡的面形，影響系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

2) 主鏡玻璃與主鏡座材料熱膨脹性能的差異所產(chǎn)生的熱應力對主鏡面形的影響[5]。鏡體與鏡座在溫度變化后會產(chǎn)生應力，該應力對主鏡面形造成破壞。

3) 主鏡定光學中心，車削主鏡座外圓時車削力對主鏡面形的影響?？ㄙ惛窳窒到y(tǒng)在裝配時需要找到主鏡的光學中心。一般的方法是將主鏡粘接到主鏡座后，使用專用工裝將其固定在車床上對主鏡進行光學定中心，并按要求尺寸車削主鏡座外圓，車刀的車削力經(jīng)主鏡座傳遞到主鏡上，破壞鏡體的面形精度，而且碎屑有時也會損傷主鏡表面。

3.1 對以上主鏡變形采取的措施

1) 根據(jù)主鏡裝配時受力情況的分析與模擬，在主鏡座底面制相應的灌膠孔，使鏡體自重均勻分布在各灌膠點上和中心軸處，減少主鏡自重對面形的影響；

2) 固定主鏡使用的硅橡膠在固化后體積收縮量很小，同時主鏡座采用與主鏡玻璃熱膨脹系數(shù)相近的銦鋼材料，可以有效減少膠斑內(nèi)部產(chǎn)生的應力；

3) 主鏡座在加工時不再留有傳統(tǒng)光學定中心所需的車削余量，主鏡座與鏡筒內(nèi)壁圓周面要求配合緊密，間隙在0.01 mm以內(nèi)；使用裝有CCD攝像機的高精度反射式定中心儀，可以觀測到主鏡表面的球心像，并顯示在監(jiān)視器上，如圖2、圖3所示。

圖2 主鏡定光學中心示意圖Fig.2 Schematic diagram of primary mirror fixing optical center

圖3 監(jiān)視器顯示的主鏡球心像圖Fig.3 Image for center of primary mirror showed by monitor

主鏡與主鏡座組裝后固定在氣浮轉(zhuǎn)臺上，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺利用杠桿百分表測量鏡框的端面跳動和徑向跳動，通過調(diào)整氣浮轉(zhuǎn)臺的傾斜和平移將主鏡座的端面跳動和徑向跳動控制在0.01 mm以內(nèi)[6]。通過定中心儀找到主鏡表面的球心像，轉(zhuǎn)動氣浮轉(zhuǎn)臺，監(jiān)視器中顯示出球心像運動軌跡所形成的橢圓線，光學回轉(zhuǎn)中心軸的位置通過中心十字線顯示。微調(diào)主鏡在主鏡座的相對位置，當球心像與中心十字線重合時，主鏡光軸與主鏡座回轉(zhuǎn)中心軸一致，此時在主鏡孔與主鏡座中心軸間的縫隙中填入硅橡膠，在固化過程監(jiān)測主鏡的中心偏差，如有變化及時調(diào)整，待硅橡膠固化后完成主鏡的光學定中心。

主鏡連同主鏡座倒轉(zhuǎn)180°放置，在主鏡座的預制灌膠孔內(nèi)灌入硅橡膠，嚴格控制每個灌膠孔的灌膠量，保證固化膠斑體積一致，防止膠液流動到臨近灌膠點處，避免膠斑收縮應力不均勻?qū)е碌闹麋R面形變化，同時膠層固化過程應處于溫度和濕度恒定的環(huán)境，減少膠層固化過程中所產(chǎn)生應力。通過以上工藝方法的改進，主鏡粘接完成后，使用干涉儀對其面形進行檢測，如圖4所示，干涉圖像變化較小，符合使用要求。

圖4 粘接前后主鏡的面形干涉圖Fig.4 Surface interference graphs of primary mirror after and before bonding

卡賽格林系統(tǒng)的成像質(zhì)量可以通過星點法進行檢測。下圖5中的(a)為主鏡未采用本文所述的粘接和光學定中心方法裝配的卡賽格林系統(tǒng)所成的星點像，可以看到光點明顯有拖尾現(xiàn)象；圖5(b)采用上文所述主鏡粘接和光學定中心方法后，卡賽格林系統(tǒng)所成的星點像光點均勻，沒有拖尾現(xiàn)象，說明光學系統(tǒng)成像質(zhì)量良好。

圖5 卡賽格林系統(tǒng)所成的星點像Fig.5 Star images of Cassegrain system

4 多光軸校軸儀光學系統(tǒng)平行性的調(diào)校

4.1 卡賽格林系統(tǒng)光學平行差的調(diào)校

卡賽格林系統(tǒng)要求出射光束為平行光，因此陶瓷基靶板應準確定位到系統(tǒng)的焦面處。陶瓷基靶板中心設有直徑為0.5 mm的通光孔，照明裝置照射后會形成明亮的光點，用于校正卡賽格林系統(tǒng)出射光束的平行差。如果靶板位于焦面處，該光點所發(fā)出的光束經(jīng)卡賽格林系統(tǒng)出射為平行光束，如果有位置偏差，出射光束將會發(fā)散或會聚，因此通過測量出射光束的平行性就能確定靶板的位置。光束的平行性可以由五棱鏡法進行檢測。測量設備包括前置鏡、五棱鏡和導軌。公式1為測量前置鏡平行差角[7]的計算方法。

(1)

式中：ε′為卡賽格林系統(tǒng)要求的出射光束平行差角為5″；Γ為前置鏡放大率，前置鏡選用T3型經(jīng)緯儀，該經(jīng)緯儀的放大率為28倍，通過計算可知前置鏡觀察到的平行差角ε=140″，人眼的最小角分辨率為e=60″，能夠敏感分辨前置鏡內(nèi)140″的平行差角，滿足檢測要求。

具體操作方法如下：在卡賽格林系統(tǒng)出射光路的垂直方向放置導軌，將五棱鏡一個通光面緊靠導軌面放置，前置鏡對正五棱鏡的另一個通光面放置，通過前置鏡觀察經(jīng)五棱鏡反射出卡賽格林系統(tǒng)的光點像，沿導軌前后移動五棱鏡，如果像點左右移動，說明出射光束不是平行光，此時需要沿光軸方向微調(diào)靶板位置，直至觀察到的像點不再移動，此時卡賽格林系統(tǒng)出射光束為平行光。

4.2 各檢測光路出射光軸平行性調(diào)校

多光軸校軸儀的主鏡口徑為?200 mm，即檢測口徑最大為?200 mm，而被測光電系統(tǒng)各傳感器間跨距達到600 mm，因此需要采用擴束棱鏡組將平行光束進行擴束，達到檢測要求。擴束棱鏡組由2塊反射面互相平行的平面反射鏡組成，該反射鏡由H-K9L材料制成，且反射面與出射光束夾角為45°。2個反射面的平行差要求為1′，導致出射光軸出現(xiàn)偏斜，需要雙光楔鏡組對光軸進行微調(diào)。圖6為雙光楔組件微調(diào)光軸示意圖，光線垂直光楔前表面入射后經(jīng)過一系列的折射,從后表面出射產(chǎn)生一定的偏向角,實現(xiàn)在光路中轉(zhuǎn)折光軸的作用[8]。激光光束為單一波段，光楔采用H-K9L玻璃制成，楔角為10′；電視探測波段較寬，經(jīng)光楔折射后會產(chǎn)生色差，因而光楔采用H-K9L和F5兩種玻璃進行消色差設計，楔角為10′。

圖6 雙光楔組件在光路中的示意圖Fig.6 Schematic diagram of optical path for double-wedge mirrors

當楔角為α的光楔，可實現(xiàn)的偏向角為

δ=α(n-1)

(2)

經(jīng)過計算，通過雙光楔的光軸可實現(xiàn)大約0′～10′的偏轉(zhuǎn)角度。本文中電視和激光檢測光路安裝雙光楔鏡組，調(diào)校時以熱像檢測光軸為基準，對另外2組出射光軸進行微調(diào)，最終達到3束出射光軸彼此平行。

校準多光軸校軸儀所用的儀器為大口徑離軸拋物面反射式平行光管[9]，如圖7所示，窗口口徑大于多光軸校軸儀測試口徑。點亮多光軸校軸儀內(nèi)的照明裝置，將校軸儀檢測方向正對平行光管的出射方向，由于校軸儀前蓋板上安裝的保護窗口玻璃有一定平行差，會引起出射光束的偏折，因此在校正光軸平行性時需要將前蓋板安裝到位。通過前蓋板上加工的調(diào)試孔調(diào)整雙光楔鏡組，在平行光管的焦面外側(cè)放置觀察目鏡進行觀測，如果觀察到的是3個獨立的光點，說明多光軸校軸儀的3個光軸彼此不平行，微調(diào)雙光楔鏡組，使3個光點完全重合，此時多光軸校軸儀的光軸平行性最高。

圖7 多光軸校軸儀調(diào)校光軸一致性示意圖Fig.7 Schematic diagram of optical axis consistency for multi-spectral axes calibration machine

4.3 調(diào)試精度分析

(3)

根據(jù)上式可得視放大率為20倍，人眼的最小角分辨率為60″，根據(jù)公式(1)得到最小分辨角ε為3″，滿足多光軸校軸儀出射光軸平行差為10″的調(diào)試要求，實現(xiàn)光軸平行性高精度的調(diào)校。

5 調(diào)校誤差分析

多光軸校軸儀調(diào)校誤差來源主要為大口徑離軸拋物面反射式平行光管的出射光束平行性和檢測光路平行性的調(diào)校誤差。

平行光管出射光束平行性通過五棱鏡法進行調(diào)校，平行光管的口徑D=650 mm，五棱鏡口徑為DP=50 mm，前置鏡的放大率為Γ=28,出瞳為D′=2 mm，其調(diào)校誤差[10]計算如下：

5.2×10-6

δ1= 206 265″ΔSD*D′=206 265″×5.2×

10-6×2=2.13″

計算得到調(diào)校誤差為2.13″。

檢測光路調(diào)校出射光軸平行性時，由于人眼對兩光點對準誤差為60″，通過望遠系統(tǒng)觀察的誤差計算如下：

系統(tǒng)調(diào)校總誤差計算如下：

擴展估計誤差為2倍，得到系統(tǒng)調(diào)?？偟墓烙嬚`差為7.4″，小于系統(tǒng)檢測精度10″的要求。

6 多光軸校軸儀使用效果

多光軸校軸儀通過高精度的調(diào)校，其檢測精度達到10″以內(nèi)，具有精度高、便攜、檢測速度快和測量口徑大的優(yōu)點。在操作時只需將檢測窗口正對被測多傳感器光電系統(tǒng)的探測窗口，控制被測光電系統(tǒng)的激光器發(fā)射一束激光脈沖，激光進入多光軸校軸儀后，在陶瓷基靶板上形成一個均勻的熱閃光點，通過觀察在紅外和電視監(jiān)視器中光點的位置，調(diào)整分劃十字線的橫縱坐標使其中心與光點中心重合，就可以完成對多傳感器光電系統(tǒng)的校軸過程。圖8和圖9分別為紅外和電視監(jiān)視器中熱閃光點的圖像。

圖8 紅外監(jiān)視器圖像Fig.8 Image of infrared monitor

圖9 電視監(jiān)視器圖像Fig.9 Image of TV monitor

7 結(jié)論

多光軸校軸儀通過主鏡粘接和光學定中心方法的改進，達到了檢測所需像質(zhì)要求；熱閃光點小而均勻，便于確定光點的中心位置，提高了對準精度；五棱鏡法調(diào)校卡賽格林系統(tǒng)出射光束平行性，使出射光束平行差達到5″以內(nèi)；大口徑離軸反射式平行光管對紅外、激光和電視3個檢測光軸平行性進行調(diào)校，其光軸平行差可達10″以內(nèi)。多光軸校軸儀能夠很好地滿足多傳感器光電系統(tǒng)在各種環(huán)境下調(diào)校光軸平行性的精度要求。

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