透射式红外镜头的高精度定心装调技术

红外光学系统在空间探测和军事侦察等领域具有不可替代的作用，但红外镜片材料硬度低、镀膜易损，对装配工艺要求极为苛刻。本文基于《红外》期刊 2013年第34卷第9期邢辉等人的学术论文，从定心测量公式推导出发，系统解析透射式红外镜头的高精度定心装调方法及其工程验证结果。

 

一、引言

红外光学系统在空间遥感、军事侦察和工业监测等领域有着广泛应用。透射式红外镜头常采用衍射光学元件以校正色差和减轻重量，但衍射红外透镜的微结构表面对装调应力和温度变化极为敏感。同时，红外光学材料（如锗、硫化锌等）硬度低、脆性大，加工和装调过程中易破裂。这些因素对红外镜头的装调工艺提出了比可见光镜头更为苛刻的要求。

 

二、定心测量的数学模型推导

2.1 反射式定心测量原理

反射式定心是光学定心的基础方法。当被测镜片随转台旋转时，若镜片光轴与转台回转轴存在偏心量 e（即两轴之间的偏移量），则镜片曲率中心将绕转台轴旋转，反射像在自准直仪视场中形成圆形轨迹。设镜片曲率半径为 R，则球心偏移角 δi 与偏心量 e 的关系为：

δi = 2e / R    (1)

反射光线经镜片返回后，偏转角放大为球心偏移角的两倍：

δθ = 2δi = 4e / R   (2)

自准直仪读出的反射像旋转量即为 δθ，由此可反推出偏心量 e。论文中进一步给出了反射像旋转直径 QQ 与偏心量的关系表达式：

QQ = R/2 × δθ = 2e   (3)

 

图1 反射式定心测量原理示意

 

2.2 透射式定心测量原理

透射式定心适用于透过待测镜片成像的光路测量。十字分划板经被测透镜成像在自准直光管的分划板上，当透镜随转台旋转时，若透镜光轴与转台轴不重合，十字像将画出一个圆。读出此圆的直径 QQ，即可由式(3)算出偏心量 e。与反射式不同，透射式定心给出的是透镜整体光轴的偏斜量，适用于已装配组件的整镜定心。

对于红外镜头而言，镜片通常镀有增透膜，反射率较低，反射式定心信号弱而信噪比不足。因此该研究选用透射式定心作为主要装调手段，配合OptiCentric双光路定心仪实现高精度测量。

 

 

图2 透射式双光路定心测量原理

 

三、镜头结构与公差分配方案

论文研究的透射式红外镜头由多片透镜组件构成，各透镜分别装入独立的镜框后再装配到镜筒中。镜框外圆与镜筒内孔的配合间隙控制在0.02 mm以内，镜框端面与轴线的垂直度优于2″。各透镜组件的定心允差经光学设计公差分析确定。

 

图3 透射式红外镜头结构图

 

各透镜组件的定心允差采用均方根合成方法进行累加，整镜的合成中心偏差计算如下：

σ_total = √(σ₁² + σ₂² + σ₃² + σ₄² + σ₅²)  (4)

代入各组件的允差值 σ₁=σ₂=σ₃=7″, σ₄=6″, σ₅=5″，得到整镜合成偏差约为18″，在光学设计允许的公差范围以内，验证了公差分配的合理性。

 

图4 镜头装配工装与销钉定位设计

 

 

图5 销钉定位结构示意

 

四、装调流程与关键工艺

① 镜框与镜筒精密加工

配合间隙≤0.02 mm，端面垂直度优于2″，保证重复定位精度。

② 单透镜组件定心装配

在OptiCentric双光路定心仪上测量中心偏差，调整至允差范围内后固定。

③ 镜筒内逐级装调

采用销钉定位精确复位，逐片测量并在允差范围内验收，超差件修研垫片校正。

④ 整镜检测与验证

使用红外MTF测量仪检测有效焦距和MTF，以成像质量作为装调工艺的最终评判依据。

 

图6 双光路定心测量现场及测量视场中的反射像轨迹

 

 

图7 定心测量过程中的反射像位置判定

 

五、工程验证结果

装调完成后，研究团队对透射式红外镜头进行了有效焦距和调制传递函数的全参数检测：

 

图8 装配完成的透射式红外镜头与MTF检测曲线（17 lp/mm）

 

MTF检测结果显示，在17 lp/mm空间频率下，轴上MTF达到0.84，各视场MTF分布在0.78~0.84之间，满足红外镜头的成像质量设计要求。有效焦距实测值101.3 mm与设计值100 mm的偏差在工程允差范围内。

以上结果充分验证了采用OptiCentric双光路定心仪配合透射式定心装调方案的合理性与可行性。

六、结论

本文基于邢辉等人在《红外》期刊发表的学术研究，系统梳理了透射式红外镜头高精度定心装调涉及的定心公式推导、公差分配模型、装调工艺流程及工程验证数据。以下结论可供同类工作参考：

（1）透射式定心方法适用于红外镜头增透膜表面反射率较低的工程场景，公式 δθ = 4e/R 为偏心量与测量读数的定量换算提供了理论依据。

（2）OptiCentric双光路定心仪配合销钉定位和逐级装调工艺，可实现透射式红外镜头单透镜组件角秒级定心精度，整镜合成偏差满足公差分配要求。

（3）装调后的红外镜头MTF@17 lp/mm达0.78~0.84，EFL偏差+1.3 mm，成像质量满足设计指标。

后续工作中，TRIOPTICS公司已在OptiCentric系列基础上推出适用于红外波段（IR）的专用型号及集成镜面间隔测量的OptiCentric 3D等新型号，为红外镜头的精密装调提供了更完善的设备支撑。

 

参考资料
[1] 邢辉, 焦文春, 王昀. 透射式红外镜头的高精度定心装调[J]. 红外, 2013, 34(9): 19-23. DOI: 10.3969/j.issn.1672-8785.2013.09.004.