航空遙感器主次鏡一次像面補償檢驗CGH研究

呂超，車英，王加安，閆俊岑

（長春理工大學(xué)　光電工程學(xué)院，長春　130022）

航空遙感器主次鏡一次像面補償檢驗CGH研究

呂超，車英，王加安，閆俊岑

（長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長春130022）

航空遙感作為一種多功能綜合性探測技術(shù)，在資源探索、區(qū)域監(jiān)測和環(huán)境探測等多種行業(yè)中被廣泛使用。遙感器作為整個技術(shù)的核心部分，對其探測的精度和性能的穩(wěn)定性有著嚴(yán)格的要求，所以遙感器的總體裝配過程成為了關(guān)鍵步驟，其中，對主次鏡一次像面的補償檢驗就顯得尤為重要。本文運用計算機(jī)全息圖技術(shù)，針對此遙感器的光機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計出符合相應(yīng)要求的補償元件，給出設(shè)計圖，同時對遙感器的主次鏡一次像面進(jìn)行補償檢驗，確保了每一個裝調(diào)過程的質(zhì)量能滿足光學(xué)設(shè)計要求的技術(shù)指標(biāo)和精度，給出了相應(yīng)的實驗數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，運用精度理論知識對CGH補償器制作的誤差及一次像面補償檢驗的系統(tǒng)誤差進(jìn)行了詳盡的討論和分析，并給出了分析結(jié)果。

航空遙感；主次鏡；補償檢驗；CGH

計算全息圖（Computer Generated Hologram，CGH）技術(shù)起源于上世紀(jì)70年代，近年來，隨著光刻技術(shù)的飛速發(fā)展，CGH制作精度得到大幅提高，CGH光學(xué)檢測逐漸發(fā)展為一種高精度的光學(xué)檢測技術(shù)。和傳統(tǒng)非球面補償器相比，CGH檢測方法具有設(shè)計殘差小、結(jié)構(gòu)簡單、無組裝誤差、制作周期短、設(shè)計靈活等優(yōu)點，被多家公司和研究機(jī)構(gòu)采納并成功用于非球面的檢測。由于計算全息可以產(chǎn)生任意形狀的波前，它作為零位補償器可以用來實現(xiàn)光學(xué)非球面及光學(xué)自由曲面面形精度的精密檢測［1-3］。

1　檢測原理

利用計算全息圖作為零位補償器去檢測光學(xué)非球面，根據(jù)已經(jīng)很成熟的計算全息的基本理論進(jìn)行抽樣和編碼。如一凸非球面檢測光路示意圖如圖1所示，由CGH的衍射某一級光生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的待檢非球面波前，照射到待檢非球面上，由待檢非球面反射的波前再次經(jīng)計算全息圖衍射后，衍射級光形成檢測波與干涉儀自身的參考光波相干涉形成干涉條紋，并由成像物鏡成像到CCD探測器上。光波經(jīng)過照明透鏡到達(dá)檢測鏡的CGH面時，0級光透過，直接到達(dá)被檢非球面，通過設(shè)計照明透鏡和檢測鏡，使得直接照射到被檢非球面的光波波面和理想被檢非球面相吻合，此光波返回作為被檢光波；另一部分光經(jīng)過檢測鏡上的CGH面衍射返回，此光波作為參考光，與從被檢面反射回的光波相干涉，被檢光波和參考光波的干涉條紋經(jīng)成像透鏡成像，被CCD相機(jī)記錄并得到處理［4］。

利用CGH檢測非球面的一個重要的問題是衍射級次的選用。需要在CGH的位相方程中引入一定數(shù)量的輔助參量，才能得到需要的理想級次。CGH與干涉儀結(jié)合用于非球面檢測時，可以采用三種光路結(jié)構(gòu)，分別將CGH元件置于干涉儀的干涉臂、參考臂或者檢測臂［5］。為了有效并方便地與商用Fizeau型干涉儀結(jié)合使用，圖1采用了將CGH置于檢測臂的光路結(jié)構(gòu)。

圖1　CGH元件檢測凸非球面示意圖

2　主次鏡一次鏡面CGH補償元件的設(shè)計

離軸光學(xué)系統(tǒng)實施的最關(guān)鍵技術(shù)是系統(tǒng)的總體裝配，并要求科學(xué)合理的評價手段確保每一個裝調(diào)過程的質(zhì)量能滿足光學(xué)設(shè)計要求的技術(shù)指標(biāo)和精度。根據(jù)總體的技術(shù)要求，采用了主次鏡一次像面CGH補償技術(shù)，來完成主次離軸反射鏡無中間理想成像的光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)精密裝配和入射基準(zhǔn)的傳遞［6］。

設(shè)計完成的CGH補償元件有三個區(qū)域組成：主區(qū)域為像質(zhì)檢驗區(qū)；輔助區(qū)域為定位基準(zhǔn)區(qū)；第三個區(qū)域為平行光基準(zhǔn)區(qū)。其中主區(qū)域檢測系統(tǒng)的殘余波像差很小，在此基礎(chǔ)上設(shè)計的定位基準(zhǔn)區(qū)和平行光基準(zhǔn)區(qū)的條紋寬度必須實現(xiàn)加工，因此特征尺寸不能小于激光刻蝕或者電子束刻蝕的極限線寬。尤其是定位基準(zhǔn)區(qū)的設(shè)計，因為其設(shè)計結(jié)果與光源和CGH之間距離有關(guān)系，所以主區(qū)域的設(shè)計結(jié)果會直接影響定位基準(zhǔn)區(qū)的條紋寬度。CGH衍射圖案區(qū)域示意圖如圖2所示。

圖2　CGH衍射圖案區(qū)域示意圖

主區(qū)的像質(zhì)檢驗區(qū)同主鏡、次鏡構(gòu)成了一個理想的成像系統(tǒng)，以可見光干涉儀波像差測試，通過離軸光學(xué)系統(tǒng)的計算機(jī)輔助裝校軟件平臺，指導(dǎo)主鏡、次鏡裝調(diào)過程檢驗，并完成系統(tǒng)主鏡和次鏡裝調(diào)后的系統(tǒng)質(zhì)量檢測；通過CGH輔助區(qū)的定位基準(zhǔn)區(qū)投定位基準(zhǔn)（十字刻線基準(zhǔn)）完成次鏡位置定位，通過CGH平行光基準(zhǔn)區(qū)的完成平行光基準(zhǔn)與次鏡以及主次鏡系統(tǒng)檢驗干涉儀的角度定位。系統(tǒng)主鏡、次鏡裝調(diào)定位檢測系統(tǒng)（主區(qū)域像質(zhì)檢驗、輔助區(qū)域定位基準(zhǔn)設(shè)計）設(shè)計結(jié)果如圖3所示。

圖3　主鏡、次鏡一次像面補償檢驗系統(tǒng)CGH設(shè)計結(jié)果

3　主次鏡一次像面補償檢驗用CGH制作誤差分析

在主全息制作誤差中，對檢測波像差直接影響較大的誤差有條紋位置畸變誤差、衍射圖案的編碼制版統(tǒng)計誤差、玻璃基板制作的誤差［7］。

條紋位置畸變誤差是由于掩膜版制作設(shè)備的定位誤差，使制作出的掩膜版的實際條紋位置偏離理想位置引起的。

式中，m為衍射級次，λ為衍射波長，Δd為條紋位置畸變大小，dmin為最小條紋周期。當(dāng)前CGH的條紋位置畸變大小一般為0.1μm量級，若條紋周期為10μm，則由條紋位置畸變引入的檢測波像差為：

在激光直寫或電子束直寫時，用多邊形的線條來代替光滑的全息條紋造成的誤差就是編碼誤差。它其實可以看成一種特殊的圖形畸變誤差，在現(xiàn)有的加工狀態(tài)下，由編碼誤差造成的圖形畸變誤差可達(dá)0.01μm，若條紋周期為10μm，則由編碼誤差引入的檢測波像差為：

基底面形偏差是由于基底表面不平整造成的，它主要在基片加工和刻蝕全息面時產(chǎn)生。

本文所使用的基底玻璃片為融石英（折射率為1.5），平板單面面形誤差為0.1λ。若加工誤差成均勻分布，則單純由概率可知，平板兩面合成的局部面形誤差為0.1λ，可以估算出主全息面形誤差引入的系統(tǒng)檢測誤差為：

補償CGH的總制作誤差為：

對應(yīng)的波長為λ=0.6328μm

從完成CGH設(shè)計制作誤差分析看，綜合制作誤差非常小，能夠滿足本設(shè)計補償檢驗的光學(xué)精度要求。

4　主次鏡一次像面補償檢驗系統(tǒng)誤差分析

主次鏡的光學(xué)裝配，采用了主次鏡一次像面CGH補償?shù)目梢姽飧缮鎯x準(zhǔn)直法進(jìn)行系統(tǒng)的質(zhì)量評價和裝校，光路圖如圖3（a）所示，此時的光學(xué)系統(tǒng)總體誤差包括主鏡、次鏡、準(zhǔn)直鏡的制造誤差以及CGH制作的誤差，還有光學(xué)元件位置、角度不正確產(chǎn)生的總的裝配誤差組成。

其中：

通過對本文設(shè)計的遙感器主鏡、次鏡單點金剛石車削完成后的檢測，將檢測結(jié)果引入系統(tǒng)波像差理論算得其面形RMS值為0.2λ，并對設(shè)計的準(zhǔn)直鏡（采用SiC材料）進(jìn)行檢測，將檢測結(jié)果引入系統(tǒng)波像差理論算得其加工面形RMS值為0.1λ，則元件加工引入系統(tǒng)波像差為：

主、次鏡的裝配在整個遙感器的研制過程中是一個非常重要的環(huán)節(jié)，需要在特殊環(huán)境下操作，要求其有很高的精細(xì)程度。通過檢測，主、次鏡的面行RMS值分別變化了0.04λ和0.03λ。則：

則系統(tǒng)波像差：

對應(yīng)的波長為λ=0.6328μm

以上計算結(jié)果為經(jīng)驗值，實際的裝配結(jié)果由于光學(xué)元件位置、角度、裝配應(yīng)力會產(chǎn)生小量的不可控裝配誤差，預(yù)計系統(tǒng)的波像差會有約20%的下降，即系統(tǒng)最終裝調(diào)完成后能達(dá)到的系統(tǒng)波像差會優(yōu)于0.38λ（RMS）。

綜上所述系統(tǒng)采用HeNe激光干涉儀裝調(diào)時，CGH一次像面補償，最終能夠滿足設(shè)計要求的系統(tǒng)波像差應(yīng)優(yōu)于0.38λ（RMS）。

5　CGH用于指導(dǎo)主次鏡裝配的工藝流程

用CGH對一次像面補償進(jìn)行干涉檢驗裝配時，要實現(xiàn)主次鏡的光學(xué)精密裝配，干涉儀、CGH和主鏡、次鏡都必須置放在正確的空間位置上［8］。否則，在一次像面的補償結(jié)果中就會引入由于諸多位置、角度失調(diào)產(chǎn)生的其它誤差，如果按照這個檢測結(jié)果去指導(dǎo)系統(tǒng)裝配，就無法完成光學(xué)系統(tǒng)的裝配。因此，將干涉儀、CGH元件和被裝配的主次反射鏡調(diào)整到正確的位置是CGH一次像面補償檢驗的關(guān)鍵。為了實現(xiàn)各光學(xué)元件精密調(diào)整與定位，除在CGH元件中，設(shè)計主補償檢驗區(qū)域、輔助對準(zhǔn)區(qū)和平行光基準(zhǔn)區(qū)的干涉檢驗功能以及所需的機(jī)械調(diào)整裝置外，還需計算機(jī)光學(xué)輔助裝校軟件平臺，才能有效地組織和指導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)地裝配。

一次像面補償、主次鏡光學(xué)裝配流程如下：

（1）首先完成主鏡與入射基準(zhǔn)面的基準(zhǔn)傳遞和主鏡與基體框架的無應(yīng)力裝配；

（2）進(jìn)行CGH與可見光干涉儀的精密調(diào)整定位；

（3）進(jìn)行CGH-干涉儀與次鏡精密調(diào)整定位；

（4）進(jìn)行CGH-干涉儀-次鏡與主鏡的精密調(diào)整；

（5）應(yīng)用計算機(jī)光學(xué)輔助裝校軟件平臺，進(jìn)行光學(xué)裝配誤差計算和分離，給出坐標(biāo)調(diào)整量，對次鏡進(jìn)行裝配，完成后再按步驟（2）到步驟（5）要求進(jìn)行多次循環(huán)調(diào)整裝配，直至滿足光學(xué)設(shè)計的技術(shù)指標(biāo)要求。

6　結(jié)論

計算機(jī)生成全息圖技術(shù)將計算機(jī)技術(shù)和全息技術(shù)結(jié)合在一起，成為了新一代視覺信息的表達(dá)手段。本文首先根據(jù)遙感器各鏡面參數(shù)設(shè)計出了符合本系統(tǒng)的CGH元件，并進(jìn)行誤差分析，得出CGH補償總制作誤差為WCGH≈0.1λ，滿足了本設(shè)計補償檢驗的光學(xué)精度要求。然后使用計算機(jī)生成的全息圖對遙感器的主次鏡面進(jìn)行補償檢驗，并進(jìn)行了補償檢驗系統(tǒng)的誤差分析，其系統(tǒng)波像差會優(yōu)于0.38λ。最后本文還給出了一次像面補償、主次鏡光學(xué)裝配流程，通過CGH的檢驗，不僅可以簡化裝調(diào)的難度和降低對調(diào)整機(jī)構(gòu)精度的要求，而且改善了由人工檢測安裝出現(xiàn)的誤差大，安裝精度低的問題，從而得到了最佳的安裝效果。

［1］ 黎發(fā)志，鄭立功，閆鋒，等.自由曲面的CGH光學(xué)檢測方法與實驗［J］.紅外與激光工程，2012，41（4）：1052-1056.

［2］ 楊欽，徐永安，王元鵬.計算機(jī)生成全息圖的研究與實現(xiàn)［J］.計算機(jī)科學(xué)，2000，27（1）：9-12.

［3］ 彭揚林.大口徑空間光學(xué)鏡面檢測關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.長沙，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué).2011.

［4］ 朱敏，由鳳玲，王科，等.CGH在大口徑凸非球面檢測中的應(yīng)用［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2007，22（4）：38—40.

［5］ 黎發(fā)志，羅霄，趙晶麗，等.離軸非球面的計算全息圖高精度檢測技術(shù)［J］.光學(xué)精密工程，2011，4（19）：709-716.

［6］Vizgaitis J N.Dual f/number optics for 3rd generation FLIR systems［C］//SPIE，2005，5783：875-886

［7］ 馮婕.基于CGH高精度非球面檢測技術(shù)研究［D］.成都：中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所，2014.

［8］ 陳欽芳.離軸非球面反射鏡檢測技術(shù)的研究［D］.西安：中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，2011.

Study on CGH Compensation Test of Intermediate Image Plane of Primary and Secondary Mirrors for Airborne Remote Sensor

LV Chao，CHE Ying，WANG Jiaan，YAN Juncen
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Airborne remote sensing as a multifunctional comprehensive probing technique is widely applied in multiple fields，such as resource exploration，regional monitoring and environment detection.The remote sensor as the core part of whole technology has strict requirements for the precision and property stability.Therefore，overall assembly process of remote sensor becomes the key step.Compensation test of intermediate image plane of primary and secondary mirrors is especially important.This paper applies Computer Generated Hologram（CGH）technology to design compensating components which comply with corresponding requirements in allusion to structural parameters of optical-mechanical system of the remote sensor and gives the design drawing.Meanwhile，compensation test of intermediate image plane of primary and secondary mirrors of remote sensor is conducted to make sure the quality of each assembly and adjustment process can meet technical indexes and precision of optical design.Besides，corresponding experimental data are also provided.On this basis，theoretical knowledge of precision is applied to carry out detailed discussions and analyses of errors of CGH compensator and system errors of compensation test of intermediate image plane，and the analysis results are given.

airborne remote sensing；primary and secondary mirrors；compensation test；CGH

V219

A

1672-9870（2015）06-0051-04

2015-09-28

呂超（1989-），男，博士研究生，E-mail：lcalcjou@163.com