消旋检测系统像差校正衍射元件的加工分析

吕宏+高明+刘彦清

摘要： 基于一种检测机载制冷型CCD消旋机构的红外光学系统，对非球面为基面的衍射元件进行系统像差校正。通过控制衍射元件非球面基面的方法得到衍射面面型，使用金刚石单点车削技术（SPDT）进行衍射元件的高精度加工，并对影响衍射元件加工精度及加工工艺因素进行了分析。

关键词： 消旋检测； 像差校正； 衍射元件； 金刚石单点车削

中图分类号： TH 745文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.003

引言在机载光电跟踪系统的工作过程中，陀螺稳定平台框架的转动会引起光学系统和成像器件相对载机的运动，造成成像画面的旋转，为了保证飞行员的观察和操作，需要增加相应的图像消旋系统对旋转像进行补偿[13]。为保持消旋光学系统结构紧凑，在系统中应用非球面和衍射面，由于衍射光学元件所具有的高衍射率以及色散特性，给光学设计带来更多的设计自由度和更多的材料可选性，同时，衍射元件的精度也是影响消旋光学系统性能的关键因素。在红外消旋光学系统的设计中，采用衍射元件可消色差和复消色差，采用非球面为基面的衍射元件进行系统像差校正[45]。目前国内外都采用单点金刚石车削技术来加工衍射面，在色差校正和无热化中，由锗和硒化锌、硫化锌等材料制造的红外衍射光学元件大多通过单点金刚石车削加工得到，这种技术可以直接加工出连续面型的衍射面，并且有加工精度高、效率高、重复性好等优点[610]。本文基于机载制冷型CCD消旋机构光学系统设计，利用非球面补偿的方法设计出高精度衍射面面型，设计的红外系统是采用ZnS为材料的衍射面，为提高面型精度，对非球面进行了程序补偿，在环境条件不变的情况下，将非球面程序更换为衍射面继续加工，并结合加工实验讨论了影响衍射元件精度的工艺因素。1数学描述对单点金刚石加工而言，衍射面的基面无论是球面或是非球面，都是将相位信息与基面迭加后的轮廓一次加工成形，加工难度和加工成本是一样的。考虑到对系统成像质量的影响，用于成像的折衍射透镜，其基面一般设计为非球面。旋转对称的非球面面型公式表示为Z1=Y2/R21+1-（1+K）Y2/R2+A4Y4+A6Y6+…+ANYN（1）式中，Z1为矢量高度，R为顶点曲率半径，Y4、Y6等为径向坐标，A4、A6等为非球面系数，K为二次曲面系数。

消旋检测系统像差校正衍射元件的加工分析

根据检测结果可知，经过程序补偿的非球面，面型精度很高，证明此时机床及刀具状态良好。在环境条件不变的情况下，将非球面程序更换为衍射面程序继续加工，在补偿后的非球面基础上，将程序更换为衍射面程序，就可得到表面形貌良好的衍射面面型。3工艺因素分析金刚石车床加工衍射面的本质在于车床的高主轴回转精度和导轨直线精度，利用程序驱动金刚石刀具沿特定轨迹由衍射元件边缘走刀到中心位置。因此，刀具的选择、调试直接影响到衍射元件的表面形貌。对于衍射元件，只要刀具半径不为零，都会导致各衍射环带突变位置的不完全车削，产生遮挡效应。遮挡效应会破坏衍射面面型的完整性，造成光能量的透过率损失，透过率损失的拦光面积计算公式可表示为L=4D2λMrct（NM-1）∑ct1c（5）

Fig.3Blocking effect式中，D为衍射元件的有效口径，r为刀具曲率半径，ct为衍射环带个数，c为衍射环带序数。图3表示衍射过渡区的效率遮拦，阴影部分为圆弧形刀具造成的遮挡效应。本系统所设计的衍射元件有效口径为26 mm，结合上述图1可以看出，系统使用的衍射元件有10个环带，用0.2 mm的圆弧形刀具加工，计算出透过率损失约为0.055，即能量损失率为5.5%。根据式（5）可知，在衍射元件轮廓参数已定的条件下，通过减小刀具半径和更换折射率更大的材料可以减小阴影部分的面积，降低遮挡效应造成的衍射元件面型误差及透过率损失。程序控制下的刀具在零件上最终位置是零件回转中心，若装调时刀具位置参数设置超过中心或不到中心，会使加工后的零件曲率中心交叉或分离，如图4所示，说明刀具装调误差会导致衍射结构的环带位置偏差。通过对试验件的切削、检测和补偿，调整刀具位置参数到零件中心，从而减小了衍射环带的偏差对面型精度的影响。表2给出了实际加工中进给速率和切削深度对粗糙度影响的对比试验结果，可以看出，在进给速率和切削深度量值合理的范围内，影响粗糙度的主要因素是进给速率，而切削深度对粗糙度影响较小。

综上可知，合理的刀具半径，刀具调试是保证面型精度的前提。通过降低进给速率和增加切削深度可以在保证加工效率的同时得到较小的表面粗糙度。4结论衍射元件的精度是影响光学系统性能的关键因素，为了实现消旋检测系统高精度的表面形貌，引入衍射元件。文中充分发挥单点金刚石精密车削加工技术在制造红外衍射光学元件中的作用，模拟出的非球面与衍射相位的拟合模型，结合非球面系数及衍射位相系数进行分析，并重点从遮挡效应以及刀具中心对零件的影响对金刚石车床加工衍射元件的工艺因素进行讨论。系统在加工过程采用补偿非球面基面的方法，综合考虑加工工艺因素，得到了表面形貌良好的衍射元件。

参考文献：

[1]雷松涛，张宝龙.空间像消旋部件设计与研究[J].红外，2007，28（9）：1317.

[2]孙丽娜，汪永阳，戴明，等.航空光电成像消旋电视数字控制器[J].光学精密工程，2007，15（8）：13011304.

[3]周阳，董国华，王磊.光电红外成像消旋系统测控技术研究[J].机电工程，2010，27（1）：57.

[4]丁学专，王欣，兰卫华，等.二次成像中波红外折射衍射光学系统设计[J].红外技术，2009，31（8）：450452，457.

[5]杨月英，李华.基于非球面基底的红外谐衍射元件设计[J].光学与光电技术，2012，10（5）：8993.

[6]李池娟，孙昌峰，孟凡波，等.单点金刚石车削技术的研究[J].激光与红外，2009，39（12）：13411343.

[7]赵峻彦，王鹏.衍射元件单点金刚石车削的工艺参数[J].机械设计与研究，2009，25（4）：8385，105.

[8]康战，聂凤明，刘劲松，等.红外光学元件的单点金刚石精密数控车削加工技术研究[J].新技术新工艺，2010（4）：7679.

[9]留浩飞，李晓彤，岑兆丰，等.衍射光学元件杂散光分析的数据结构及鬼像分析[J].光学仪器，2005，27（4）：6064.

[10]刘庆京.金刚石车削在红外衍射光学元件加工中的应用[J].激光与红外，2002，32（2）：107109.

摘要： 基于一种检测机载制冷型CCD消旋机构的红外光学系统，对非球面为基面的衍射元件进行系统像差校正。通过控制衍射元件非球面基面的方法得到衍射面面型，使用金刚石单点车削技术（SPDT）进行衍射元件的高精度加工，并对影响衍射元件加工精度及加工工艺因素进行了分析。

关键词： 消旋检测； 像差校正； 衍射元件； 金刚石单点车削

中图分类号： TH 745文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.003

引言在机载光电跟踪系统的工作过程中，陀螺稳定平台框架的转动会引起光学系统和成像器件相对载机的运动，造成成像画面的旋转，为了保证飞行员的观察和操作，需要增加相应的图像消旋系统对旋转像进行补偿[13]。为保持消旋光学系统结构紧凑，在系统中应用非球面和衍射面，由于衍射光学元件所具有的高衍射率以及色散特性，给光学设计带来更多的设计自由度和更多的材料可选性，同时，衍射元件的精度也是影响消旋光学系统性能的关键因素。在红外消旋光学系统的设计中，采用衍射元件可消色差和复消色差，采用非球面为基面的衍射元件进行系统像差校正[45]。目前国内外都采用单点金刚石车削技术来加工衍射面，在色差校正和无热化中，由锗和硒化锌、硫化锌等材料制造的红外衍射光学元件大多通过单点金刚石车削加工得到，这种技术可以直接加工出连续面型的衍射面，并且有加工精度高、效率高、重复性好等优点[610]。本文基于机载制冷型CCD消旋机构光学系统设计，利用非球面补偿的方法设计出高精度衍射面面型，设计的红外系统是采用ZnS为材料的衍射面，为提高面型精度，对非球面进行了程序补偿，在环境条件不变的情况下，将非球面程序更换为衍射面继续加工，并结合加工实验讨论了影响衍射元件精度的工艺因素。1数学描述对单点金刚石加工而言，衍射面的基面无论是球面或是非球面，都是将相位信息与基面迭加后的轮廓一次加工成形，加工难度和加工成本是一样的。考虑到对系统成像质量的影响，用于成像的折衍射透镜，其基面一般设计为非球面。旋转对称的非球面面型公式表示为Z1=Y2/R21+1-（1+K）Y2/R2+A4Y4+A6Y6+…+ANYN（1）式中，Z1为矢量高度，R为顶点曲率半径，Y4、Y6等为径向坐标，A4、A6等为非球面系数，K为二次曲面系数。

消旋检测系统像差校正衍射元件的加工分析

根据检测结果可知，经过程序补偿的非球面，面型精度很高，证明此时机床及刀具状态良好。在环境条件不变的情况下，将非球面程序更换为衍射面程序继续加工，在补偿后的非球面基础上，将程序更换为衍射面程序，就可得到表面形貌良好的衍射面面型。3工艺因素分析金刚石车床加工衍射面的本质在于车床的高主轴回转精度和导轨直线精度，利用程序驱动金刚石刀具沿特定轨迹由衍射元件边缘走刀到中心位置。因此，刀具的选择、调试直接影响到衍射元件的表面形貌。对于衍射元件，只要刀具半径不为零，都会导致各衍射环带突变位置的不完全车削，产生遮挡效应。遮挡效应会破坏衍射面面型的完整性，造成光能量的透过率损失，透过率损失的拦光面积计算公式可表示为L=4D2λMrct（NM-1）∑ct1c（5）

Fig.3Blocking effect式中，D为衍射元件的有效口径，r为刀具曲率半径，ct为衍射环带个数，c为衍射环带序数。图3表示衍射过渡区的效率遮拦，阴影部分为圆弧形刀具造成的遮挡效应。本系统所设计的衍射元件有效口径为26 mm，结合上述图1可以看出，系统使用的衍射元件有10个环带，用0.2 mm的圆弧形刀具加工，计算出透过率损失约为0.055，即能量损失率为5.5%。根据式（5）可知，在衍射元件轮廓参数已定的条件下，通过减小刀具半径和更换折射率更大的材料可以减小阴影部分的面积，降低遮挡效应造成的衍射元件面型误差及透过率损失。程序控制下的刀具在零件上最终位置是零件回转中心，若装调时刀具位置参数设置超过中心或不到中心，会使加工后的零件曲率中心交叉或分离，如图4所示，说明刀具装调误差会导致衍射结构的环带位置偏差。通过对试验件的切削、检测和补偿，调整刀具位置参数到零件中心，从而减小了衍射环带的偏差对面型精度的影响。表2给出了实际加工中进给速率和切削深度对粗糙度影响的对比试验结果，可以看出，在进给速率和切削深度量值合理的范围内，影响粗糙度的主要因素是进给速率，而切削深度对粗糙度影响较小。

综上可知，合理的刀具半径，刀具调试是保证面型精度的前提。通过降低进给速率和增加切削深度可以在保证加工效率的同时得到较小的表面粗糙度。4结论衍射元件的精度是影响光学系统性能的关键因素，为了实现消旋检测系统高精度的表面形貌，引入衍射元件。文中充分发挥单点金刚石精密车削加工技术在制造红外衍射光学元件中的作用，模拟出的非球面与衍射相位的拟合模型，结合非球面系数及衍射位相系数进行分析，并重点从遮挡效应以及刀具中心对零件的影响对金刚石车床加工衍射元件的工艺因素进行讨论。系统在加工过程采用补偿非球面基面的方法，综合考虑加工工艺因素，得到了表面形貌良好的衍射元件。

参考文献：

[1]雷松涛，张宝龙.空间像消旋部件设计与研究[J].红外，2007，28（9）：1317.

[2]孙丽娜，汪永阳，戴明，等.航空光电成像消旋电视数字控制器[J].光学精密工程，2007，15（8）：13011304.

[3]周阳，董国华，王磊.光电红外成像消旋系统测控技术研究[J].机电工程，2010，27（1）：57.

[4]丁学专，王欣，兰卫华，等.二次成像中波红外折射衍射光学系统设计[J].红外技术，2009，31（8）：450452，457.

[5]杨月英，李华.基于非球面基底的红外谐衍射元件设计[J].光学与光电技术，2012，10（5）：8993.

[6]李池娟，孙昌峰，孟凡波，等.单点金刚石车削技术的研究[J].激光与红外，2009，39（12）：13411343.

[7]赵峻彦，王鹏.衍射元件单点金刚石车削的工艺参数[J].机械设计与研究，2009，25（4）：8385，105.

[8]康战，聂凤明，刘劲松，等.红外光学元件的单点金刚石精密数控车削加工技术研究[J].新技术新工艺，2010（4）：7679.

[9]留浩飞，李晓彤，岑兆丰，等.衍射光学元件杂散光分析的数据结构及鬼像分析[J].光学仪器，2005，27（4）：6064.

[10]刘庆京.金刚石车削在红外衍射光学元件加工中的应用[J].激光与红外，2002，32（2）：107109.

摘要： 基于一种检测机载制冷型CCD消旋机构的红外光学系统，对非球面为基面的衍射元件进行系统像差校正。通过控制衍射元件非球面基面的方法得到衍射面面型，使用金刚石单点车削技术（SPDT）进行衍射元件的高精度加工，并对影响衍射元件加工精度及加工工艺因素进行了分析。

关键词： 消旋检测； 像差校正； 衍射元件； 金刚石单点车削

中图分类号： TH 745文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.003

引言在机载光电跟踪系统的工作过程中，陀螺稳定平台框架的转动会引起光学系统和成像器件相对载机的运动，造成成像画面的旋转，为了保证飞行员的观察和操作，需要增加相应的图像消旋系统对旋转像进行补偿[13]。为保持消旋光学系统结构紧凑，在系统中应用非球面和衍射面，由于衍射光学元件所具有的高衍射率以及色散特性，给光学设计带来更多的设计自由度和更多的材料可选性，同时，衍射元件的精度也是影响消旋光学系统性能的关键因素。在红外消旋光学系统的设计中，采用衍射元件可消色差和复消色差，采用非球面为基面的衍射元件进行系统像差校正[45]。目前国内外都采用单点金刚石车削技术来加工衍射面，在色差校正和无热化中，由锗和硒化锌、硫化锌等材料制造的红外衍射光学元件大多通过单点金刚石车削加工得到，这种技术可以直接加工出连续面型的衍射面，并且有加工精度高、效率高、重复性好等优点[610]。本文基于机载制冷型CCD消旋机构光学系统设计，利用非球面补偿的方法设计出高精度衍射面面型，设计的红外系统是采用ZnS为材料的衍射面，为提高面型精度，对非球面进行了程序补偿，在环境条件不变的情况下，将非球面程序更换为衍射面继续加工，并结合加工实验讨论了影响衍射元件精度的工艺因素。1数学描述对单点金刚石加工而言，衍射面的基面无论是球面或是非球面，都是将相位信息与基面迭加后的轮廓一次加工成形，加工难度和加工成本是一样的。考虑到对系统成像质量的影响，用于成像的折衍射透镜，其基面一般设计为非球面。旋转对称的非球面面型公式表示为Z1=Y2/R21+1-（1+K）Y2/R2+A4Y4+A6Y6+…+ANYN（1）式中，Z1为矢量高度，R为顶点曲率半径，Y4、Y6等为径向坐标，A4、A6等为非球面系数，K为二次曲面系数。

消旋检测系统像差校正衍射元件的加工分析

根据检测结果可知，经过程序补偿的非球面，面型精度很高，证明此时机床及刀具状态良好。在环境条件不变的情况下，将非球面程序更换为衍射面程序继续加工，在补偿后的非球面基础上，将程序更换为衍射面程序，就可得到表面形貌良好的衍射面面型。3工艺因素分析金刚石车床加工衍射面的本质在于车床的高主轴回转精度和导轨直线精度，利用程序驱动金刚石刀具沿特定轨迹由衍射元件边缘走刀到中心位置。因此，刀具的选择、调试直接影响到衍射元件的表面形貌。对于衍射元件，只要刀具半径不为零，都会导致各衍射环带突变位置的不完全车削，产生遮挡效应。遮挡效应会破坏衍射面面型的完整性，造成光能量的透过率损失，透过率损失的拦光面积计算公式可表示为L=4D2λMrct（NM-1）∑ct1c（5）

Fig.3Blocking effect式中，D为衍射元件的有效口径，r为刀具曲率半径，ct为衍射环带个数，c为衍射环带序数。图3表示衍射过渡区的效率遮拦，阴影部分为圆弧形刀具造成的遮挡效应。本系统所设计的衍射元件有效口径为26 mm，结合上述图1可以看出，系统使用的衍射元件有10个环带，用0.2 mm的圆弧形刀具加工，计算出透过率损失约为0.055，即能量损失率为5.5%。根据式（5）可知，在衍射元件轮廓参数已定的条件下，通过减小刀具半径和更换折射率更大的材料可以减小阴影部分的面积，降低遮挡效应造成的衍射元件面型误差及透过率损失。程序控制下的刀具在零件上最终位置是零件回转中心，若装调时刀具位置参数设置超过中心或不到中心，会使加工后的零件曲率中心交叉或分离，如图4所示，说明刀具装调误差会导致衍射结构的环带位置偏差。通过对试验件的切削、检测和补偿，调整刀具位置参数到零件中心，从而减小了衍射环带的偏差对面型精度的影响。表2给出了实际加工中进给速率和切削深度对粗糙度影响的对比试验结果，可以看出，在进给速率和切削深度量值合理的范围内，影响粗糙度的主要因素是进给速率，而切削深度对粗糙度影响较小。

综上可知，合理的刀具半径，刀具调试是保证面型精度的前提。通过降低进给速率和增加切削深度可以在保证加工效率的同时得到较小的表面粗糙度。4结论衍射元件的精度是影响光学系统性能的关键因素，为了实现消旋检测系统高精度的表面形貌，引入衍射元件。文中充分发挥单点金刚石精密车削加工技术在制造红外衍射光学元件中的作用，模拟出的非球面与衍射相位的拟合模型，结合非球面系数及衍射位相系数进行分析，并重点从遮挡效应以及刀具中心对零件的影响对金刚石车床加工衍射元件的工艺因素进行讨论。系统在加工过程采用补偿非球面基面的方法，综合考虑加工工艺因素，得到了表面形貌良好的衍射元件。

参考文献：

[1]雷松涛，张宝龙.空间像消旋部件设计与研究[J].红外，2007，28（9）：1317.

[2]孙丽娜，汪永阳，戴明，等.航空光电成像消旋电视数字控制器[J].光学精密工程，2007，15（8）：13011304.

[3]周阳，董国华，王磊.光电红外成像消旋系统测控技术研究[J].机电工程，2010，27（1）：57.

[4]丁学专，王欣，兰卫华，等.二次成像中波红外折射衍射光学系统设计[J].红外技术，2009，31（8）：450452，457.

[5]杨月英，李华.基于非球面基底的红外谐衍射元件设计[J].光学与光电技术，2012，10（5）：8993.

[6]李池娟，孙昌峰，孟凡波，等.单点金刚石车削技术的研究[J].激光与红外，2009，39（12）：13411343.

[7]赵峻彦，王鹏.衍射元件单点金刚石车削的工艺参数[J].机械设计与研究，2009，25（4）：8385，105.

[8]康战，聂凤明，刘劲松，等.红外光学元件的单点金刚石精密数控车削加工技术研究[J].新技术新工艺，2010（4）：7679.

[9]留浩飞，李晓彤，岑兆丰，等.衍射光学元件杂散光分析的数据结构及鬼像分析[J].光学仪器，2005，27（4）：6064.

[10]刘庆京.金刚石车削在红外衍射光学元件加工中的应用[J].激光与红外，2002，32（2）：107109.