楊海金，張 平，郝 芳，高雪軍，卞臻臻，詹 江，王新星，張鑫杰

（江蘇北方湖光光電有限公司，江蘇 無錫 214035）

引言

隨著航空、航天、航海中超遠程、長航時飛行導航的需求，高精度天文導航系統(tǒng)的需求日趨旺盛。天文導航系統(tǒng)（celestial navigation system，CNS)是將自然天體（如恒星、太陽等）作為參照物來得到載體(飛機、航天器、艦船等)位置或姿態(tài)的一種導航系統(tǒng)[1]，是慣性組合導航系統(tǒng)的重要組成部分。星敏感器、太陽敏感器等是天文導航系統(tǒng)中較為常用的姿態(tài)測量系統(tǒng)，其中，星敏感器是將恒星作為姿態(tài)測量的觀測目標，通過拍攝當前觀察范圍內的恒星，取得觀測星圖，測量并確定出當前星敏感器的航向，從而獲得航行姿態(tài)數(shù)據(jù)，為飛機等載體的姿態(tài)控制或導航系統(tǒng)提供高精度的姿態(tài)信息[2-3]。

星敏感器的測姿精度能達到角秒量級，為保證較好的成像質量和導航精度，其成像系統(tǒng)多采用像質幾乎達到衍射極限的反射式兩鏡光學系統(tǒng)。在反射式光學系統(tǒng)中，有卡塞格林(Cassegrain)系統(tǒng)和格里高里(Gregory)系統(tǒng)?？ㄈ窳窒到y(tǒng)和格里高里系統(tǒng)只消除了球差，而軸外像差沒有校正，使用上受到某些限制。為此，Chretien 提出主鏡和次鏡都為雙曲面，使球差和彗差同時得到校正的改進型卡塞格林系統(tǒng)，由Ritchey 實現(xiàn)，故稱為RC 系統(tǒng)。R-C 系統(tǒng)的主次鏡均為雙曲面鏡，主鏡為凹雙曲面鏡，次鏡為凸雙曲面鏡[4-6]。該類系統(tǒng)像質幾乎達到衍射極限，對光機系統(tǒng)的裝調要求極為苛刻，其中，光學元件的角偏校準精度高于30″，甚至高于10″，偏心校準精度優(yōu)于0.1 mm，甚至優(yōu)于0.01 mm，波像差要求也優(yōu)于（1/2）λ，甚至優(yōu)于（1/10）λ[7-8]。為此，通過設計好的安裝和調試機構使光學元件達到并保持在最佳設計位置，是獲取高像質的重要途徑。

文中針對小口徑次鏡設計了一種6 自由度裝調機構，可應用于某機載星敏感器使用的R-C 光學系統(tǒng)高精度裝調，通過對裝調前后系統(tǒng)像質進行測試，驗證了機構的穩(wěn)定性。表明該次鏡機構能夠滿足此類系統(tǒng)像質要求，其中波像差PV 值優(yōu)于（1/2）λ、RMS 值優(yōu)于（1/15）λ，裝調方法可指導高精度系統(tǒng)批量生產，為R-C 光學系統(tǒng)工程化設計提供了依據(jù)。

1 R-C 系統(tǒng)與次鏡自由度

星敏感器這類高精度R-C 光學系統(tǒng)中，主、次鏡的安裝偏離在設計位置時對像質、測量精度等影響極為敏感，因此，二者之間的光學間隔、同心度（中心偏），相對傾斜等需在裝調過程中精確控制。文中使用非對稱R-C 光學系統(tǒng)，主鏡外徑110 mm，次鏡外徑22 mm，次鏡的質量遠小于主鏡，考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性，確定以主鏡為裝調基準，通過調校次鏡實現(xiàn)系統(tǒng)的高像質。從運動學角度來講，次鏡存在6 個自由度[9]，如圖1所示，即X、Y、Z3 個方向的位移和繞X、Y、Z3 個方向的旋轉。因此，設計次鏡裝調機構時需滿足這6 個自由度的調節(jié)，消除球差、彗差等一系列像差，使得成像質量達到最佳狀態(tài)。

圖1 非對稱R-C 光學系統(tǒng)及次鏡自由度Fig.1 Asymmetric R-C optical system and degrees of freedom of secondary-mirror

國外星敏感器發(fā)展較早，技術較為先進，對次鏡安裝多采用波像差檢測與在線裝調法。安裝和調校方式主要有兩種：一是撓性安裝方式，這種方式主要針對口徑和質量較大的光學系統(tǒng)，在次鏡中設計有撓性裝置，利用計算機輔助裝調方式實現(xiàn)在線裝調，有效消除和減小重力及加速度對系統(tǒng)像質的影響，如圖2所示；二是膠結方式，采用專用6 爪機器人在線安裝，機器人將次鏡置于一體化設計的主、次鏡支架中，光路經過粗調，依據(jù)干涉儀反饋的參數(shù)和Zernike 多項式迭代的數(shù)據(jù)不斷調整，直至到達理想位置后，機器人完成點膠、照射固化、去應力等，實現(xiàn)在線裝調。

圖2 撓性安裝示意圖Fig.2 Schematic diagram of flexible installation

目前，國內對次鏡自由度調節(jié)方法多采用“三推三拉”式結構。即在次鏡框背面設計3 個頂絲和3 個拉桿，調校時利用轉動螺紋對次鏡框反復“推”、“拉”，實現(xiàn)理想位置的調整。該種結構能夠實現(xiàn)5 個自由度的調整，相對簡單，成本低。但其存在明顯的缺點，如無固定轉動點（或軸），調整中心偏時不僅會造成傾斜失調，還會造成已調整好的兩鏡間隔發(fā)生改變，特別是長焦距系統(tǒng)，這是影響像面位置偏離設計值的主要因素。同時，在調整兩鏡間隔時又會破壞中心偏和傾斜調整結果?！叭迫苯Y構形式下的各個自由度的調校不為獨立，關聯(lián)性太強，造成調校過程非常繁瑣、耗時，且規(guī)律性、重復性很差。更為重要的是，調節(jié)結束后的推、拉力將造成系統(tǒng)存在較為明顯的應力集中問題，應力釋放后系統(tǒng)會出現(xiàn)像質惡化等，造成系統(tǒng)穩(wěn)定性差，嚴重時會導致系統(tǒng)需要重新調校和試驗。因此，改進次鏡裝調的結構形式是改善裝調應力的有效手段，作者設計一種用于小口徑次鏡的安裝和調校機構，能有效避免該類問題，提高高精度光電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2 次鏡機構設計與裝調

2.1 機構組成與選材

文中設計的調節(jié)機構示意圖如圖3所示，A 為局部放大圖。圖3 中次鏡安裝在次鏡框內，調節(jié)筒與次鏡框螺紋連接，次鏡框的兩邊設計了第一球形隔圈和第二球形隔圈。次鏡框組、第一球形隔圈和第二球形隔圈的外徑均小于支架筒的內徑，兩者存在一定的間隙，用于實現(xiàn)次鏡中心偏的調校。在第一球形隔圈和第二球形隔圈外側用次鏡壓圈旋緊，使得次鏡框組、第一球形隔圈以及第二球形隔圈被壓緊。圖3 中序號1～11 依次為支架、主鏡、第一調節(jié)孔、第一次鏡壓圈、第一球形隔圈、第二調節(jié)孔、第二球形隔圈、墊圈、次鏡、次鏡框、調節(jié)筒。機構在X、Y方向移動量范圍為0.5 mm，Y、Z方向的轉動范圍為3°。其中，X方向移動調節(jié)螺矩為0.5 mm，Y方向移動調節(jié)螺矩和Y、Z方向的轉動調節(jié)螺距為0.35 mm。一般直徑4 mm 的手柄，手感調節(jié)可小于10°。計算可得機構在X方向移動調整精度為0.0013 mm，Y方向移動調整精度為0.000 97 mm，Y、Z方向的轉動調整精度為9″。調節(jié)精度滿足主次鏡間隔誤差為±0.01 mm，中心偏誤差為±0.01 mm，相對傾斜誤差為30″的校正要求。

圖3 次鏡裝調機構Fig.3 Schematic diagram of secondary-mirror adjustment mechanism

星敏感器主要應用于空間航天、飛行器等設備的高精度位置坐標測量，應用環(huán)境變化多樣，結構件環(huán)境穩(wěn)定性直接影響了系統(tǒng)精度，系統(tǒng)整體質量的減小是目前輕量化設計的普遍要求。因此，在調校機構設計過程中除了需要結構合理外，還應考慮各結構材料的選取[10]。文中選取鈦合金TC4作為主要的結構件材料，主、次鏡玻璃選用微晶玻璃，經Zemax 軟件仿真分析，結果如圖4所示。從圖4可看出，在20 ℃、?50 ℃、70 ℃條件下系統(tǒng)能量集中度均大于75%，滿足系統(tǒng)環(huán)境適應性和輕量化要求。

圖4 系統(tǒng)在20 ℃、?50 ℃、70 ℃下能量集中度曲線Fig.4 Energy concentration curve of system at 20 ℃,-50 ℃and 70 ℃

2.2 裝調與固化

將主次鏡系統(tǒng)置于校正好的干涉光路中，如圖5所示。圖5 中1 為R-C 系統(tǒng)，2 為標準平晶，3 為基準平臺，4 為干涉儀，干涉儀為ZYGO 干涉儀，波長λ=0.632 8 μm。

圖5 裝調裝置示意圖Fig.5 Schematic diagram of adjustment device

文獻[11]給出了失調量（X、Y方向移動量和Y、Z方向的轉動量）與像差之間為線性和近似線性關系。利用次鏡在各個自由度上的調節(jié)，參照干涉儀顯示的PV 值和RMS 數(shù)據(jù)以及干涉圖，調節(jié)次鏡失調量至理想位置，可以使得光學系統(tǒng)成像質量提升，最終固化系統(tǒng)可得到穩(wěn)定像質[12-13]。具體實現(xiàn)方法如下：

1）次鏡與主鏡間隔直接影響系統(tǒng)的像散、彗差和球差，而傾斜和中心偏不會帶來球差，因此通過調整圖3 中序號8 隔圈厚度可實現(xiàn)X方向上的移動量調節(jié)，調整兩鏡間隔處于系統(tǒng)要求的±0.01 mm范圍內，中心視場球差小于（1/20）λ；

2）對于非對稱結構，通過轉動圖3 中序號11調節(jié)筒可實現(xiàn)X方向上的轉動量調節(jié)；

3）次鏡的中心偏對系統(tǒng)彗差影響較為明顯，利用調節(jié)釘通過圖3 中序號6 第二調節(jié)孔對序號5第一球形隔圈施加Y、Z方向的力，實現(xiàn)Y、Z方向上的轉動量調節(jié)，傾斜失調量小于±30″后，系統(tǒng)彗差優(yōu)于（1/20）λ；

4）次鏡傾斜對像散和彗差均有影響，利用調節(jié)釘通過圖3 中序號3 第一調節(jié)孔對序號11 調節(jié)筒施加Y、Z方向的力，實現(xiàn)Y、Z方向上的轉動量調節(jié)，同步于中心偏調整，處于系統(tǒng)要求的±0.01 mm范圍內，像散將優(yōu)于（1/20）λ。

5）裝調是不斷迭代的過程，中心偏和傾斜的調節(jié)可配合開展，便于彗差和像散的快速收斂，提高效率。調校過程中，圖3 中序號4 處于預壓緊狀態(tài)，使得次鏡框在Y、Z方向具有自由度，又不會出現(xiàn)軸向間隔變化，調校完畢后鎖緊壓圈。

裝調機構穩(wěn)定性往往對系統(tǒng)功能、性能都起著關鍵性作用，對于高精度系統(tǒng)來講，將系統(tǒng)調校至理想狀態(tài)是非常不易的，然而更不易的是如何消除調校后各種應力對機構穩(wěn)定性的影響，使其長期處于理想狀態(tài)。文中次鏡采用彈性安裝技術，即次鏡安裝在鏡框中，不采用直接用壓圈壓緊的傳統(tǒng)安裝方式，采用彈性粘結的方式，使其在環(huán)境應力劇烈變化時不發(fā)生脫膠、損壞和像質明顯惡化等問題。為保證彈性和強度，粘結劑使用室溫硫化硅橡膠，膠層厚度設置為0.2 mm～0.3 mm[14-16]。光學元件和結構件之間不完全注滿粘結劑，留有溫度應力帶來的膨脹空間，這一點很重要。另外，由于固化和溫度變化期間，粘結層的尺寸變化正比于被粘結的面積，所以粘結面積不要太大。如果反射鏡質量很大且必須使用比較大的總面積時，可以將它分為多個小的粘結區(qū)域。最小粘結面積可用以下公式確定：

式中：W為光學零件的質量；aG為惡劣條件下的加速度；fs為安全系數(shù)（安全系數(shù)最小是2，考慮到一些沒有達到設計理想條件的情況，如清潔度不夠等，安全系數(shù)可能取4）；J為粘結區(qū)（膠斑）的抗剪強度或者抗拉強度（通常情況下相等）。

為了保證一致性，將膠斑設計為多個圓膠斑。圓膠斑的直徑按以下公式確定：

式中n為膠斑個數(shù)。

圖6(a)為次鏡彈性安裝示意,圖6（b)為系統(tǒng)檢測實物場景。系統(tǒng)完成調校后，仍置于光路中釋放調校應力，待系統(tǒng)PV、RMS 測試值持續(xù)穩(wěn)定，通過圖3 中序號6 第二調節(jié)孔，用皮下注射器注入室溫硫化硅橡膠，完成固化。

圖6 彈性安裝示意圖和系統(tǒng)檢測場景Fig.6 Schematic diagram of flexible installation and system detection scenarios

3 驗證

首先，在裝調過程中對固化前后系統(tǒng)的波像差進行測試驗證；其次，依據(jù)使用環(huán)境對系統(tǒng)進行相關環(huán)境試驗。

系統(tǒng)干涉圖如圖7所示。圖7（a）和圖7（b）分別是固化前后的系統(tǒng)干涉圖，圖7（c）～7（f）分別是高溫、低溫、沖擊、震動試驗后檢測的系統(tǒng)干涉圖。系統(tǒng)PV 值和RMS 值如表1所示。

圖7 系統(tǒng)干涉圖Fig.7 Schematic diagram of system interference

從表1 中可以看出：1）固化前后波像差變化很小，說明固化過程中應力消除得很好，未對系統(tǒng)像質造成不良影響。2）系統(tǒng)經過環(huán)境試驗后，PV 值與RMS 值的變化在同一數(shù)量級內，系統(tǒng)像質未出現(xiàn)惡化，說明裝調機構穩(wěn)定性較好。

表1 系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)Table 1 System test data

測試結果顯示，采用文中設計的次鏡裝調機構R-C 光學系統(tǒng)，在經過環(huán)境試驗后依然保持了良好的性能，驗證了調校機構具有非常好的裝調性和穩(wěn)定性，滿足星敏感器等高精度測試系統(tǒng)的環(huán)境使用要求。

4 結論

針對R-C 光學系統(tǒng)在星敏感器應用中存在光學調校效率低、調節(jié)復雜、穩(wěn)定性差等問題，分析了裝調的多重性、復雜性，以及解決現(xiàn)有問題的必要性。設計了一種用于方便調節(jié)次鏡6 自由度的機械結構，該結構可實現(xiàn)R-C 光學系統(tǒng)中以主鏡為基準的次鏡失調量裝調，次鏡的彈性裝調安裝，也可用于卡塞格林等兩鏡式反射系統(tǒng)中。解決了星敏感器實際過程中調校復雜度高和效率低等問題，實現(xiàn)了光學系統(tǒng)的RMS 值優(yōu)于（1/15）λ，縮短了裝調周期，取得了較好效果。同時，結合理論分析和實際試驗結果，驗證了該調節(jié)機構在固化后具有良好的穩(wěn)定性。