呂宏+高明+劉彥清

摘要： 基于一種檢測機載制冷型CCD消旋機構(gòu)的紅外光學系統(tǒng)，對非球面為基面的衍射元件進行系統(tǒng)像差校正。通過控制衍射元件非球面基面的方法得到衍射面面型，使用金剛石單點車削技術(shù)（SPDT）進行衍射元件的高精度加工，并對影響衍射元件加工精度及加工工藝因素進行了分析。

關(guān)鍵詞： 消旋檢測； 像差校正； 衍射元件； 金剛石單點車削

中圖分類號： TH 745文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.003

引言在機載光電跟蹤系統(tǒng)的工作過程中，陀螺穩(wěn)定平臺框架的轉(zhuǎn)動會引起光學系統(tǒng)和成像器件相對載機的運動，造成成像畫面的旋轉(zhuǎn)，為了保證飛行員的觀察和操作，需要增加相應的圖像消旋系統(tǒng)對旋轉(zhuǎn)像進行補償[13]。為保持消旋光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，在系統(tǒng)中應用非球面和衍射面，由于衍射光學元件所具有的高衍射率以及色散特性，給光學設(shè)計帶來更多的設(shè)計自由度和更多的材料可選性，同時，衍射元件的精度也是影響消旋光學系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。在紅外消旋光學系統(tǒng)的設(shè)計中，采用衍射元件可消色差和復消色差，采用非球面為基面的衍射元件進行系統(tǒng)像差校正[45]。目前國內(nèi)外都采用單點金剛石車削技術(shù)來加工衍射面，在色差校正和無熱化中，由鍺和硒化鋅、硫化鋅等材料制造的紅外衍射光學元件大多通過單點金剛石車削加工得到，這種技術(shù)可以直接加工出連續(xù)面型的衍射面，并且有加工精度高、效率高、重復性好等優(yōu)點[610]。本文基于機載制冷型CCD消旋機構(gòu)光學系統(tǒng)設(shè)計，利用非球面補償?shù)姆椒ㄔO(shè)計出高精度衍射面面型，設(shè)計的紅外系統(tǒng)是采用ZnS為材料的衍射面，為提高面型精度，對非球面進行了程序補償，在環(huán)境條件不變的情況下，將非球面程序更換為衍射面繼續(xù)加工，并結(jié)合加工實驗討論了影響衍射元件精度的工藝因素。1數(shù)學描述對單點金剛石加工而言，衍射面的基面無論是球面或是非球面，都是將相位信息與基面迭加后的輪廓一次加工成形，加工難度和加工成本是一樣的。考慮到對系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響，用于成像的折衍射透鏡，其基面一般設(shè)計為非球面。旋轉(zhuǎn)對稱的非球面面型公式表示為Z1=Y2/R21+1-（1+K）Y2/R2+A4Y4+A6Y6+…+ANYN（1）式中，Z1為矢量高度，R為頂點曲率半徑，Y4、Y6等為徑向坐標，A4、A6等為非球面系數(shù)，K為二次曲面系數(shù)。

消旋檢測系統(tǒng)像差校正衍射元件的加工分析

根據(jù)檢測結(jié)果可知，經(jīng)過程序補償?shù)姆乔蛎?，面型精度很高，證明此時機床及刀具狀態(tài)良好。在環(huán)境條件不變的情況下，將非球面程序更換為衍射面程序繼續(xù)加工，在補償后的非球面基礎(chǔ)上，將程序更換為衍射面程序，就可得到表面形貌良好的衍射面面型。3工藝因素分析金剛石車床加工衍射面的本質(zhì)在于車床的高主軸回轉(zhuǎn)精度和導軌直線精度，利用程序驅(qū)動金剛石刀具沿特定軌跡由衍射元件邊緣走刀到中心位置。因此，刀具的選擇、調(diào)試直接影響到衍射元件的表面形貌。對于衍射元件，只要刀具半徑不為零，都會導致各衍射環(huán)帶突變位置的不完全車削，產(chǎn)生遮擋效應。遮擋效應會破壞衍射面面型的完整性，造成光能量的透過率損失，透過率損失的攔光面積計算公式可表示為L=4D2λMrct（NM-1）∑ct1c（5）

Fig.3Blocking effect式中，D為衍射元件的有效口徑，r為刀具曲率半徑，ct為衍射環(huán)帶個數(shù)，c為衍射環(huán)帶序數(shù)。圖3表示衍射過渡區(qū)的效率遮攔，陰影部分為圓弧形刀具造成的遮擋效應。本系統(tǒng)所設(shè)計的衍射元件有效口徑為26 mm，結(jié)合上述圖1可以看出，系統(tǒng)使用的衍射元件有10個環(huán)帶，用0.2 mm的圓弧形刀具加工，計算出透過率損失約為0.055，即能量損失率為5.5%。根據(jù)式（5）可知，在衍射元件輪廓參數(shù)已定的條件下，通過減小刀具半徑和更換折射率更大的材料可以減小陰影部分的面積，降低遮擋效應造成的衍射元件面型誤差及透過率損失。程序控制下的刀具在零件上最終位置是零件回轉(zhuǎn)中心，若裝調(diào)時刀具位置參數(shù)設(shè)置超過中心或不到中心，會使加工后的零件曲率中心交叉或分離，如圖4所示，說明刀具裝調(diào)誤差會導致衍射結(jié)構(gòu)的環(huán)帶位置偏差。通過對試驗件的切削、檢測和補償，調(diào)整刀具位置參數(shù)到零件中心，從而減小了衍射環(huán)帶的偏差對面型精度的影響。表2給出了實際加工中進給速率和切削深度對粗糙度影響的對比試驗結(jié)果，可以看出，在進給速率和切削深度量值合理的范圍內(nèi)，影響粗糙度的主要因素是進給速率，而切削深度對粗糙度影響較小。

綜上可知，合理的刀具半徑，刀具調(diào)試是保證面型精度的前提。通過降低進給速率和增加切削深度可以在保證加工效率的同時得到較小的表面粗糙度。4結(jié)論衍射元件的精度是影響光學系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素，為了實現(xiàn)消旋檢測系統(tǒng)高精度的表面形貌，引入衍射元件。文中充分發(fā)揮單點金剛石精密車削加工技術(shù)在制造紅外衍射光學元件中的作用，模擬出的非球面與衍射相位的擬合模型，結(jié)合非球面系數(shù)及衍射位相系數(shù)進行分析，并重點從遮擋效應以及刀具中心對零件的影響對金剛石車床加工衍射元件的工藝因素進行討論。系統(tǒng)在加工過程采用補償非球面基面的方法，綜合考慮加工工藝因素，得到了表面形貌良好的衍射元件。

參考文獻：

[1]雷松濤，張寶龍.空間像消旋部件設(shè)計與研究[J].紅外，2007，28（9）：1317.

[2]孫麗娜，汪永陽，戴明，等.航空光電成像消旋電視數(shù)字控制器[J].光學精密工程，2007，15（8）：13011304.

[3]周陽，董國華，王磊.光電紅外成像消旋系統(tǒng)測控技術(shù)研究[J].機電工程，2010，27（1）：57.

[4]丁學專，王欣，蘭衛(wèi)華，等.二次成像中波紅外折射衍射光學系統(tǒng)設(shè)計[J].紅外技術(shù)，2009，31（8）：450452，457.

[5]楊月英，李華.基于非球面基底的紅外諧衍射元件設(shè)計[J].光學與光電技術(shù)，2012，10（5）：8993.

[6]李池娟，孫昌峰，孟凡波，等.單點金剛石車削技術(shù)的研究[J].激光與紅外，2009，39（12）：13411343.

[7]趙峻彥，王鵬.衍射元件單點金剛石車削的工藝參數(shù)[J].機械設(shè)計與研究，2009，25（4）：8385，105.

[8]康戰(zhàn)，聶鳳明，劉勁松，等.紅外光學元件的單點金剛石精密數(shù)控車削加工技術(shù)研究[J].新技術(shù)新工藝，2010（4）：7679.

[9]留浩飛，李曉彤，岑兆豐，等.衍射光學元件雜散光分析的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及鬼像分析[J].光學儀器，2005，27（4）：6064.

[10]劉慶京.金剛石車削在紅外衍射光學元件加工中的應用[J].激光與紅外，2002，32（2）：107109.

摘要： 基于一種檢測機載制冷型CCD消旋機構(gòu)的紅外光學系統(tǒng)，對非球面為基面的衍射元件進行系統(tǒng)像差校正。通過控制衍射元件非球面基面的方法得到衍射面面型，使用金剛石單點車削技術(shù)（SPDT）進行衍射元件的高精度加工，并對影響衍射元件加工精度及加工工藝因素進行了分析。

關(guān)鍵詞： 消旋檢測； 像差校正； 衍射元件； 金剛石單點車削

中圖分類號： TH 745文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.003

引言在機載光電跟蹤系統(tǒng)的工作過程中，陀螺穩(wěn)定平臺框架的轉(zhuǎn)動會引起光學系統(tǒng)和成像器件相對載機的運動，造成成像畫面的旋轉(zhuǎn)，為了保證飛行員的觀察和操作，需要增加相應的圖像消旋系統(tǒng)對旋轉(zhuǎn)像進行補償[13]。為保持消旋光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，在系統(tǒng)中應用非球面和衍射面，由于衍射光學元件所具有的高衍射率以及色散特性，給光學設(shè)計帶來更多的設(shè)計自由度和更多的材料可選性，同時，衍射元件的精度也是影響消旋光學系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。在紅外消旋光學系統(tǒng)的設(shè)計中，采用衍射元件可消色差和復消色差，采用非球面為基面的衍射元件進行系統(tǒng)像差校正[45]。目前國內(nèi)外都采用單點金剛石車削技術(shù)來加工衍射面，在色差校正和無熱化中，由鍺和硒化鋅、硫化鋅等材料制造的紅外衍射光學元件大多通過單點金剛石車削加工得到，這種技術(shù)可以直接加工出連續(xù)面型的衍射面，并且有加工精度高、效率高、重復性好等優(yōu)點[610]。本文基于機載制冷型CCD消旋機構(gòu)光學系統(tǒng)設(shè)計，利用非球面補償?shù)姆椒ㄔO(shè)計出高精度衍射面面型，設(shè)計的紅外系統(tǒng)是采用ZnS為材料的衍射面，為提高面型精度，對非球面進行了程序補償，在環(huán)境條件不變的情況下，將非球面程序更換為衍射面繼續(xù)加工，并結(jié)合加工實驗討論了影響衍射元件精度的工藝因素。1數(shù)學描述對單點金剛石加工而言，衍射面的基面無論是球面或是非球面，都是將相位信息與基面迭加后的輪廓一次加工成形，加工難度和加工成本是一樣的?？紤]到對系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響，用于成像的折衍射透鏡，其基面一般設(shè)計為非球面。旋轉(zhuǎn)對稱的非球面面型公式表示為Z1=Y2/R21+1-（1+K）Y2/R2+A4Y4+A6Y6+…+ANYN（1）式中，Z1為矢量高度，R為頂點曲率半徑，Y4、Y6等為徑向坐標，A4、A6等為非球面系數(shù)，K為二次曲面系數(shù)。

消旋檢測系統(tǒng)像差校正衍射元件的加工分析

根據(jù)檢測結(jié)果可知，經(jīng)過程序補償?shù)姆乔蛎?，面型精度很高，證明此時機床及刀具狀態(tài)良好。在環(huán)境條件不變的情況下，將非球面程序更換為衍射面程序繼續(xù)加工，在補償后的非球面基礎(chǔ)上，將程序更換為衍射面程序，就可得到表面形貌良好的衍射面面型。3工藝因素分析金剛石車床加工衍射面的本質(zhì)在于車床的高主軸回轉(zhuǎn)精度和導軌直線精度，利用程序驅(qū)動金剛石刀具沿特定軌跡由衍射元件邊緣走刀到中心位置。因此，刀具的選擇、調(diào)試直接影響到衍射元件的表面形貌。對于衍射元件，只要刀具半徑不為零，都會導致各衍射環(huán)帶突變位置的不完全車削，產(chǎn)生遮擋效應。遮擋效應會破壞衍射面面型的完整性，造成光能量的透過率損失，透過率損失的攔光面積計算公式可表示為L=4D2λMrct（NM-1）∑ct1c（5）

Fig.3Blocking effect式中，D為衍射元件的有效口徑，r為刀具曲率半徑，ct為衍射環(huán)帶個數(shù)，c為衍射環(huán)帶序數(shù)。圖3表示衍射過渡區(qū)的效率遮攔，陰影部分為圓弧形刀具造成的遮擋效應。本系統(tǒng)所設(shè)計的衍射元件有效口徑為26 mm，結(jié)合上述圖1可以看出，系統(tǒng)使用的衍射元件有10個環(huán)帶，用0.2 mm的圓弧形刀具加工，計算出透過率損失約為0.055，即能量損失率為5.5%。根據(jù)式（5）可知，在衍射元件輪廓參數(shù)已定的條件下，通過減小刀具半徑和更換折射率更大的材料可以減小陰影部分的面積，降低遮擋效應造成的衍射元件面型誤差及透過率損失。程序控制下的刀具在零件上最終位置是零件回轉(zhuǎn)中心，若裝調(diào)時刀具位置參數(shù)設(shè)置超過中心或不到中心，會使加工后的零件曲率中心交叉或分離，如圖4所示，說明刀具裝調(diào)誤差會導致衍射結(jié)構(gòu)的環(huán)帶位置偏差。通過對試驗件的切削、檢測和補償，調(diào)整刀具位置參數(shù)到零件中心，從而減小了衍射環(huán)帶的偏差對面型精度的影響。表2給出了實際加工中進給速率和切削深度對粗糙度影響的對比試驗結(jié)果，可以看出，在進給速率和切削深度量值合理的范圍內(nèi)，影響粗糙度的主要因素是進給速率，而切削深度對粗糙度影響較小。

綜上可知，合理的刀具半徑，刀具調(diào)試是保證面型精度的前提。通過降低進給速率和增加切削深度可以在保證加工效率的同時得到較小的表面粗糙度。4結(jié)論衍射元件的精度是影響光學系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素，為了實現(xiàn)消旋檢測系統(tǒng)高精度的表面形貌，引入衍射元件。文中充分發(fā)揮單點金剛石精密車削加工技術(shù)在制造紅外衍射光學元件中的作用，模擬出的非球面與衍射相位的擬合模型，結(jié)合非球面系數(shù)及衍射位相系數(shù)進行分析，并重點從遮擋效應以及刀具中心對零件的影響對金剛石車床加工衍射元件的工藝因素進行討論。系統(tǒng)在加工過程采用補償非球面基面的方法，綜合考慮加工工藝因素，得到了表面形貌良好的衍射元件。

參考文獻：

[1]雷松濤，張寶龍.空間像消旋部件設(shè)計與研究[J].紅外，2007，28（9）：1317.

[2]孫麗娜，汪永陽，戴明，等.航空光電成像消旋電視數(shù)字控制器[J].光學精密工程，2007，15（8）：13011304.

[3]周陽，董國華，王磊.光電紅外成像消旋系統(tǒng)測控技術(shù)研究[J].機電工程，2010，27（1）：57.

[4]丁學專，王欣，蘭衛(wèi)華，等.二次成像中波紅外折射衍射光學系統(tǒng)設(shè)計[J].紅外技術(shù)，2009，31（8）：450452，457.

[5]楊月英，李華.基于非球面基底的紅外諧衍射元件設(shè)計[J].光學與光電技術(shù)，2012，10（5）：8993.

[6]李池娟，孫昌峰，孟凡波，等.單點金剛石車削技術(shù)的研究[J].激光與紅外，2009，39（12）：13411343.

[7]趙峻彥，王鵬.衍射元件單點金剛石車削的工藝參數(shù)[J].機械設(shè)計與研究，2009，25（4）：8385，105.

[8]康戰(zhàn)，聶鳳明，劉勁松，等.紅外光學元件的單點金剛石精密數(shù)控車削加工技術(shù)研究[J].新技術(shù)新工藝，2010（4）：7679.

[9]留浩飛，李曉彤，岑兆豐，等.衍射光學元件雜散光分析的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及鬼像分析[J].光學儀器，2005，27（4）：6064.

[10]劉慶京.金剛石車削在紅外衍射光學元件加工中的應用[J].激光與紅外，2002，32（2）：107109.

摘要： 基于一種檢測機載制冷型CCD消旋機構(gòu)的紅外光學系統(tǒng)，對非球面為基面的衍射元件進行系統(tǒng)像差校正。通過控制衍射元件非球面基面的方法得到衍射面面型，使用金剛石單點車削技術(shù)（SPDT）進行衍射元件的高精度加工，并對影響衍射元件加工精度及加工工藝因素進行了分析。

關(guān)鍵詞： 消旋檢測； 像差校正； 衍射元件； 金剛石單點車削

中圖分類號： TH 745文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.003

引言在機載光電跟蹤系統(tǒng)的工作過程中，陀螺穩(wěn)定平臺框架的轉(zhuǎn)動會引起光學系統(tǒng)和成像器件相對載機的運動，造成成像畫面的旋轉(zhuǎn)，為了保證飛行員的觀察和操作，需要增加相應的圖像消旋系統(tǒng)對旋轉(zhuǎn)像進行補償[13]。為保持消旋光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，在系統(tǒng)中應用非球面和衍射面，由于衍射光學元件所具有的高衍射率以及色散特性，給光學設(shè)計帶來更多的設(shè)計自由度和更多的材料可選性，同時，衍射元件的精度也是影響消旋光學系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。在紅外消旋光學系統(tǒng)的設(shè)計中，采用衍射元件可消色差和復消色差，采用非球面為基面的衍射元件進行系統(tǒng)像差校正[45]。目前國內(nèi)外都采用單點金剛石車削技術(shù)來加工衍射面，在色差校正和無熱化中，由鍺和硒化鋅、硫化鋅等材料制造的紅外衍射光學元件大多通過單點金剛石車削加工得到，這種技術(shù)可以直接加工出連續(xù)面型的衍射面，并且有加工精度高、效率高、重復性好等優(yōu)點[610]。本文基于機載制冷型CCD消旋機構(gòu)光學系統(tǒng)設(shè)計，利用非球面補償?shù)姆椒ㄔO(shè)計出高精度衍射面面型，設(shè)計的紅外系統(tǒng)是采用ZnS為材料的衍射面，為提高面型精度，對非球面進行了程序補償，在環(huán)境條件不變的情況下，將非球面程序更換為衍射面繼續(xù)加工，并結(jié)合加工實驗討論了影響衍射元件精度的工藝因素。1數(shù)學描述對單點金剛石加工而言，衍射面的基面無論是球面或是非球面，都是將相位信息與基面迭加后的輪廓一次加工成形，加工難度和加工成本是一樣的?？紤]到對系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響，用于成像的折衍射透鏡，其基面一般設(shè)計為非球面。旋轉(zhuǎn)對稱的非球面面型公式表示為Z1=Y2/R21+1-（1+K）Y2/R2+A4Y4+A6Y6+…+ANYN（1）式中，Z1為矢量高度，R為頂點曲率半徑，Y4、Y6等為徑向坐標，A4、A6等為非球面系數(shù)，K為二次曲面系數(shù)。

消旋檢測系統(tǒng)像差校正衍射元件的加工分析

根據(jù)檢測結(jié)果可知，經(jīng)過程序補償?shù)姆乔蛎?，面型精度很高，證明此時機床及刀具狀態(tài)良好。在環(huán)境條件不變的情況下，將非球面程序更換為衍射面程序繼續(xù)加工，在補償后的非球面基礎(chǔ)上，將程序更換為衍射面程序，就可得到表面形貌良好的衍射面面型。3工藝因素分析金剛石車床加工衍射面的本質(zhì)在于車床的高主軸回轉(zhuǎn)精度和導軌直線精度，利用程序驅(qū)動金剛石刀具沿特定軌跡由衍射元件邊緣走刀到中心位置。因此，刀具的選擇、調(diào)試直接影響到衍射元件的表面形貌。對于衍射元件，只要刀具半徑不為零，都會導致各衍射環(huán)帶突變位置的不完全車削，產(chǎn)生遮擋效應。遮擋效應會破壞衍射面面型的完整性，造成光能量的透過率損失，透過率損失的攔光面積計算公式可表示為L=4D2λMrct（NM-1）∑ct1c（5）

Fig.3Blocking effect式中，D為衍射元件的有效口徑，r為刀具曲率半徑，ct為衍射環(huán)帶個數(shù)，c為衍射環(huán)帶序數(shù)。圖3表示衍射過渡區(qū)的效率遮攔，陰影部分為圓弧形刀具造成的遮擋效應。本系統(tǒng)所設(shè)計的衍射元件有效口徑為26 mm，結(jié)合上述圖1可以看出，系統(tǒng)使用的衍射元件有10個環(huán)帶，用0.2 mm的圓弧形刀具加工，計算出透過率損失約為0.055，即能量損失率為5.5%。根據(jù)式（5）可知，在衍射元件輪廓參數(shù)已定的條件下，通過減小刀具半徑和更換折射率更大的材料可以減小陰影部分的面積，降低遮擋效應造成的衍射元件面型誤差及透過率損失。程序控制下的刀具在零件上最終位置是零件回轉(zhuǎn)中心，若裝調(diào)時刀具位置參數(shù)設(shè)置超過中心或不到中心，會使加工后的零件曲率中心交叉或分離，如圖4所示，說明刀具裝調(diào)誤差會導致衍射結(jié)構(gòu)的環(huán)帶位置偏差。通過對試驗件的切削、檢測和補償，調(diào)整刀具位置參數(shù)到零件中心，從而減小了衍射環(huán)帶的偏差對面型精度的影響。表2給出了實際加工中進給速率和切削深度對粗糙度影響的對比試驗結(jié)果，可以看出，在進給速率和切削深度量值合理的范圍內(nèi)，影響粗糙度的主要因素是進給速率，而切削深度對粗糙度影響較小。

綜上可知，合理的刀具半徑，刀具調(diào)試是保證面型精度的前提。通過降低進給速率和增加切削深度可以在保證加工效率的同時得到較小的表面粗糙度。4結(jié)論衍射元件的精度是影響光學系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素，為了實現(xiàn)消旋檢測系統(tǒng)高精度的表面形貌，引入衍射元件。文中充分發(fā)揮單點金剛石精密車削加工技術(shù)在制造紅外衍射光學元件中的作用，模擬出的非球面與衍射相位的擬合模型，結(jié)合非球面系數(shù)及衍射位相系數(shù)進行分析，并重點從遮擋效應以及刀具中心對零件的影響對金剛石車床加工衍射元件的工藝因素進行討論。系統(tǒng)在加工過程采用補償非球面基面的方法，綜合考慮加工工藝因素，得到了表面形貌良好的衍射元件。

參考文獻：

[1]雷松濤，張寶龍.空間像消旋部件設(shè)計與研究[J].紅外，2007，28（9）：1317.

[2]孫麗娜，汪永陽，戴明，等.航空光電成像消旋電視數(shù)字控制器[J].光學精密工程，2007，15（8）：13011304.

[3]周陽，董國華，王磊.光電紅外成像消旋系統(tǒng)測控技術(shù)研究[J].機電工程，2010，27（1）：57.

[4]丁學專，王欣，蘭衛(wèi)華，等.二次成像中波紅外折射衍射光學系統(tǒng)設(shè)計[J].紅外技術(shù)，2009，31（8）：450452，457.

[5]楊月英，李華.基于非球面基底的紅外諧衍射元件設(shè)計[J].光學與光電技術(shù)，2012，10（5）：8993.

[6]李池娟，孫昌峰，孟凡波，等.單點金剛石車削技術(shù)的研究[J].激光與紅外，2009，39（12）：13411343.

[7]趙峻彥，王鵬.衍射元件單點金剛石車削的工藝參數(shù)[J].機械設(shè)計與研究，2009，25（4）：8385，105.

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