分體型薩格奈克干涉儀反射鏡裝配誤差分析

分體型薩格奈克干涉儀反射鏡裝配誤差分析

1分體型薩格奈克干涉儀基于橫向切割干擾的傅里葉變換空間脈沖成像光譜儀避免了運動部件和掃描機構帶來的技術困難。它具有高穩(wěn)定性、高通量和實時光譜測量的優(yōu)點。橫向剪切干涉儀是空間調(diào)制型傅里葉變換成像光譜儀的核心部件,其典型代表主要有薩格奈克干涉型和邁克耳孫干涉型干涉儀。薩格奈克型橫向剪切干涉儀由于采用了三角共光路的結構,受外界振動和氣流等因素的影響較小,抗干擾能力強,應用最為廣泛。實際應用中,隨著成像光譜儀分辨率的不斷提高,干涉儀的體積不斷增大,從而使得對大口徑實體干涉儀的加工較為困難,因此只能采用分體型的薩格奈克干涉儀。由于分體型薩格奈克干涉儀裝調(diào)變量增多,且干涉儀對其各組件空間位置一致性極其敏感,使得分體型薩格奈克干涉儀的精密裝調(diào)較為困難。目前針對干涉儀設計方面的文章較多,文獻對實體薩格奈克干涉儀的膠合進行了介紹,但是分體型干涉儀精密裝調(diào)方面的文獻還未見報道,本文基于薩格奈克干涉儀的工作原理,詳細介紹了其裝調(diào)方法。2薩格奈克干涉儀干涉圖1是一個典型的分體型薩格奈克干涉儀,主要由一個分光棱鏡和完全對稱的兩個平面反射鏡組成,平面反射鏡之間的夾角為45°。入射的準直光束在分光棱鏡分光面處的入射角為45°,一路光束反射后按順時針方向傳送,另一路光束透過分光面按逆時針方向傳輸。如果兩個平面反射鏡相對分光面對稱組合,兩路光束在干涉儀出射面上與光軸的方向相同且位置重合;如果對著入射面的平面反射鏡沿分光面發(fā)生偏移,形成非對稱組合,入射光線經(jīng)過薩格奈克干涉儀的橫向剪切,將分割成兩條相干光線。圖2為分體型薩格奈克干涉儀工作原理圖,其中s0、sω分別表示視場角為0和ω的平行光,可以當作干涉儀的兩個點光源。一束入射光經(jīng)橫向剪切分束器后成為兩束互相平行的相干光,由于這兩束光對于前面的分束器而言,等光程面是垂直于光軸方向的,而對于后面的成像系統(tǒng)而言等光程面則是垂直于光線方向的,對于視場角不為0的光線這兩個等光程面是不重合的,因此當兩束平行的相干光會聚到成像鏡L2的后焦面P2上同一點時就存在著光程差,從而發(fā)生干涉。分體型薩格奈克干涉儀的光譜通道數(shù)N=65,入瞳D=60mm。設計要求干涉儀入射光與出射光的夾角α=90°±10″;干涉條紋與電荷耦合器件(CCD)焦面水平軸偏差小于1/20pixel,干涉儀主截面與干涉儀安裝底面的重合精度優(yōu)于1″,并且保證分光棱鏡的分光面中心與入射光軸偏移量小于0.01mm。3干涉條紋與cd焦面水平軸偏差對分析根據(jù)設計要求,分光棱鏡的分光面中心與入射光軸偏移量小于0.01mm,即需保證干涉儀分光棱鏡的安裝位置精度優(yōu)于0.01mm。干涉儀主截面與干涉儀安裝底面的重合精度優(yōu)于1″,干涉儀裝調(diào)以分光棱鏡主平面為裝配基準,因此分光棱鏡主平面的定位精度需優(yōu)于1″。以分光棱鏡主平面為基準,分析反射鏡方位誤差及俯仰誤差對干涉條紋的影響情況。通過軟件模擬薩格奈克干涉儀的條紋情況,圖3為分光棱鏡、各反射鏡主平面完全理想重合下的干涉條紋,圖中的點劃線代表CCD焦面水平軸,此時干涉條紋與CCD水平軸夾角為90°。反射鏡存在方位誤差時,會引起相應反射光束的偏斜。圖4是分體型干涉儀的俯視圖。圖中虛線代表右反射鏡方位角偏斜θ后的光路走向,若如圖中所示右反射鏡方位角偏斜為θ,則出射光線將偏轉2θ。根據(jù)設計要求,干涉儀入射光與出射光的夾角α=90°±10″,得出干涉儀反射鏡方位角度容許的裝配誤差為±5″,反射鏡的口徑D′=40mm,得出反射鏡容許的方位裝配誤差為±0.0005mm。圖5為長臂反射鏡俯仰角存在偏差時的干涉條紋,可以得出,俯仰角誤差引起干涉條紋傾斜,使得干涉條紋與CCD焦面水平軸存在角度誤差。根據(jù)設計要求,干涉條紋與CCD焦面水平軸偏差小于1/20pixel,CCD焦面像素數(shù)為1024pixel×512pixel,可計算出干涉條紋與CCD焦面水平軸夾角偏差需小于10″,即干涉儀反射鏡俯仰角容許的裝配誤差為±5″,位移誤差為±0.0005mm。通過以上分析可知,分體型干涉儀對各部件的位置安裝精度有著很高的要求,干涉儀安裝位置精度優(yōu)于0.01mm,安裝角度精度優(yōu)于1″,反射鏡的方位及俯仰方向的裝配誤差優(yōu)于0.5μm。4安裝方法4.1裝調(diào)主體精度的確定為了實現(xiàn)分光棱鏡主平面及反射鏡主平面的高精度重合,建立裝調(diào)主平面基準,再分別調(diào)整分光棱鏡以及反射鏡的位置,使得各自主平面與裝調(diào)主平面嚴格重合。圖6為裝調(diào)主平面示意圖,通過自準直經(jīng)緯儀A1和自準直經(jīng)緯儀B1,確定與大地水平的裝調(diào)主平面,自準直經(jīng)緯儀的自準精度為0.5″,建立的裝調(diào)主平面基準精度優(yōu)于1″。干涉儀入射光與出射光成90°夾角,借助五棱鏡保證兩自準直經(jīng)緯儀光軸夾角為90°,五棱鏡入射光與出射光夾角為90°±5″,其確定的精度可以滿足干涉儀入射光與出射光夾角90°±20″的要求。整個裝調(diào)過程中,儀器設備的不穩(wěn)定會對整個系統(tǒng)的調(diào)試引入很大的誤差,基于以往設備不穩(wěn)定帶來的裝調(diào)困難,在實際裝調(diào)中,將自準直經(jīng)緯儀A1和自準直經(jīng)緯儀B1放置在干涉儀裝調(diào)平臺外部,并且將五棱鏡也放置在平臺外部,從而可以在整個裝調(diào)過程中對自準直經(jīng)緯儀A1和自準直經(jīng)緯儀B1位置進行監(jiān)控。4.2分劃板工裝設計干涉儀箱體結構中分光棱鏡的4個通光面設計了通光孔用于通光,考慮干涉儀裝調(diào)過程中分光棱鏡的精密定位調(diào)整需借助通光孔的光軸進行定位,要求結構加工保證通光孔光軸與干涉儀箱體安裝底面的垂直度為0.005mm,并巧妙設計了分劃板工裝A1、A2、A3、A4,其結構如圖7所示。要求結構加工保證分劃板定心工裝A1與A3對應的通光孔、A2與A4對應的通光孔其同心度優(yōu)于0.005mm,分劃板定心工裝A1與A2對應的通光孔、A3與A4對應的通光孔的垂直度優(yōu)于0.005mm。分劃板工裝經(jīng)過光學定心加工,從而保證分劃板的光軸與其外圓同心度優(yōu)于0.005mm、光軸與其端面垂直度優(yōu)于0.005mm,并且分劃板的外圓與干涉儀箱體通光孔的內(nèi)圓直徑方向的配合間隙保證小于0.01mm。經(jīng)過上述工作可以保證分劃板的光軸與干涉儀安裝底面的平行度優(yōu)于0.005mm。如圖8(a)所示,調(diào)整干涉儀箱體的方位,使得自準直經(jīng)緯儀A1與分劃板工裝A1、A3自準直,并且此時自準直經(jīng)緯儀B1也與分劃板工裝A2、A4自準直。如圖8(b)所示,將分光棱鏡裝入小箱體中,通過調(diào)整分光棱鏡的方位、俯仰及平移,使得分劃板A2經(jīng)過分光棱鏡分光面的自準像以及分劃板A3在自準直經(jīng)緯儀A1中自準直、分劃板A2和A3十字絲在自準直經(jīng)緯儀A1中穿心。由于自準直經(jīng)緯儀的穿心精度優(yōu)于0.01mm,從而保證分光棱鏡位置精度優(yōu)于0.01mm。4.3干涉儀精密調(diào)整圖9為干涉儀短臂反射鏡(垂直與入射面的平面反射鏡)定位調(diào)整示意圖,干涉儀短臂反射鏡的光軸與入射光光軸成45°夾角。將自準直經(jīng)緯儀C1調(diào)整至與分劃板A3自準直,保證自準直經(jīng)緯儀C1的光軸與入射光軸重合,再將經(jīng)緯儀逆時針旋轉45°,調(diào)整干涉儀短臂反射鏡的位置使得干涉儀短臂反射鏡在自準直經(jīng)緯儀C1中自準直,且經(jīng)緯儀自準直精度為0.5″,從而保證干涉儀短臂反射鏡光軸與入射光軸夾角誤差為45°±0.5″。圖10為干涉儀長臂反射鏡定位調(diào)整示意圖。短臂反射鏡裝入干涉儀箱體內(nèi),讀取干涉儀入射光與出射光的夾角α,根據(jù)α=2xD′(1)α=2xD′(1)求出干涉儀長臂反射鏡的方位位移調(diào)整量x。方位調(diào)整完成后,在干涉儀入射光方向放置平行光管,并在干涉儀出射光方向放置成像鏡以及CCD,對干涉條紋進行成像,根據(jù)干涉條紋的數(shù)量以及條紋傾斜情況分析短臂反射鏡的方位誤差以及位移誤差,并進行相應的調(diào)整。激光波長λ、像素數(shù)N、像素尺寸d以及成像鏡頭焦距f與干涉儀剪切量l之間的關系為l=nfλΝd.(2)l=nfλNd.(2)假設長臂反射鏡與短臂反射鏡的不對稱量為d,則不對稱量與剪切量的關系為l=√2dtan22.5°,(3)l=2√dtan22.5°,(3)對(3)式兩邊求微分得剪切量變化量Δl與反射鏡不對稱變化量Δd之間的數(shù)學關系:Δl=√2Δdtan22.5°.(4)Δl=2√Δdtan22.5°.(4)根據(jù)(2)式計算的剪切量與理論剪切量作差,帶入(4)式即可計算出長臂反射鏡的位移變化量。根據(jù)成像干涉條紋與CCD水平軸的夾角誤差β,由β=2yD′(5)計算出長臂反射鏡俯仰方向的調(diào)整位移量y。經(jīng)過多次調(diào)整,最終完成了干涉儀的精密調(diào)整。經(jīng)檢測,其光譜通道數(shù)N=66,干涉儀入射光與出射光的夾角α=90°±5″;干涉條紋與CCD焦面水平軸偏差為1/25pixel,干涉儀主截面與干涉儀安裝底面的重合精度