光学装调：Arizona Optical Metrology用于望远镜装调的ARGUS方法

双镜望远镜系统已经制造和组装多年，以支持高精度成像、自由空间通信和高能激光应用等。随着快速对地成像、更快更远的数据传输以及对空中威胁和弹道导弹的防御的需求增加，此类系统的部署量急剧增加。这类光学系统的大规模部署推动了制造效率的需求，同时精确度和准确度的要求继续收紧。传统的系统对齐方法很难，繁琐，或根本无法生产。通常，这种精确制造和校准的能力是各制造商严格保密的商业机密。

 

AOM（Arizona Optical Metrology）开发了ARGUS^TM对齐技术支持精密光学系统制造的方法，这种对子系统对齐的完整方法为后端光学子系统提供了关于元件对齐和子系统对齐的完整知识。

传统对准方法

 

典型的卡塞格林望远镜由凹圆锥形主镜（PM）和较小的非球面凸面副镜（SM）组成。望远镜的性能主要取决于这两个镜片的精确对齐。PM/SM对通常具有显著的视场像差，在操作中需要通过校正光学来消除这些误差。由于需要同时减少轴上和轴外像差，对齐望远镜需要很长时间，这涉及到迭代过程，可能需要专门的设备，如激光跟踪器或坐标测量机，在每个视场点设置波前测试。

传统的测试视场点通常需要将干涉仪定位到不同的视场点，调整校正光学器件，以及使用自准直平板（ACF）扫描场角。这些方法增加了对准多个光学元件的复杂性，并可能增加成本。下面简要说明传统对准方法及其局限性，以作说明。

现场性能测试通常是PM/SM对中过程中劳动强度最高的过程。现场测试需要对基准和组件之间的坐标系有精确的了解，以便合理地迭代到系统的性能规格中。如果在对系统对齐进行调整后，现场测试表明误差大于性能规格，则通常需要再次迭代对齐。这可能很慢且很麻烦。

传统视场点测试中的PM/SM子组件，干涉仪位于多个视场点，自动准直平面 （ACF） 倾斜以返回视场角。

PM/SM 望远镜子组件的传统对中工艺

 

 

 

ARGUS Alignment™

 

整体解决方案

AOM的ARGUS Alignment方法提供了一种更简单、更准确的方法，可以使用计算机生成的全息图 （CGH） 来对齐PM/SM子系统。AOM解决方案以希腊神话人物Argus Panoptes的名字命名，在对齐过程的每个步骤中同时为所有自由度 （DOF） 提供反馈，无需迭代。

利用两个全息图，每个全息图都有多个图案，同时在干涉仪中成像，两个静态测试装置可以对齐PM和SM反射镜子系统的所有自由度。

ARGUS 对准方法测试设置 1 – PM 对准系统光轴（上）的 strongback。ARGUS 对准方法测试设置 2 – SM 对准 PM 和系统光轴（下）

测试的关键要素是主对准全息图（PAH）和系统对准主件（SAM），具有特定于子系统波前和所需对准元件的图案的CGH，还需要用于定位和对准PAH和SAM的简单硬件。

这两个元素，即PM和SM，通常每个都有5个自由度。ARGUS方法通过使用多个全息图模式来解耦自由度并为每个自由度提供同时反馈，从而化了这两个元素的校准过程。例如，在典型的场点校准策略中，倾斜和偏心是耦合的，因此使用轴向波前反馈时难以确定哪个需要调整。当通过轴向偏心纠正倾斜时，或者反之亦然，视场性能会受到影响。但是，ARGUS方法在轴向测试设置中将这些自由度分离，以便为两个元素中的每个元素进行明确的校准。一旦完成两个ARGUS测试设置，可以选择性地使用SAMCGH验证性能，同样不需要为每个视场点重新定位干涉仪。

利用CGH的灵活性

 

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ARGUS 对准方法使用CGH，这是一种精密衍射光学元件。它们通过平版印刷工艺生产，在光学窗口上打印指定的衍射图案，通常为6英寸x6英寸x 1/4英寸厚。该工艺还允许在基板上印刷任何所需配置的任意数量的模型，并在横向定位中保持纳米级精度，在角度空间中保持亚角秒级的模型套准。

PAH 和 SAM CGH 都包含一组区域，这些区域提供条纹反馈以对齐子系统的特定方面。这些区域在随附的图表中进行了标记，它们的具体用途将在下一节的过程中描述。请注意，在实践中，CGH 上区域的位置可能会因望远镜的几何形状而改变，但功能保持不变。

对齐过程

 

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ARGUS Alignment 程序很简单，分为三个连续阶段：

1. 安装板和 SAM 安装在望远镜的背板上；

2. PAH 有助于 PM 与 SAM 的对齐；

3. SM 使用 SAM 和 ACF 进行对中。

以下部分将更详细地介绍这些步骤。注意：本文档中概述的步骤代表了这种校准方法的首选 AOM 方法，但是，可以将测试配置为符合个性化的系统要求和可调节性限制。

 

安装SAM

SAM安装板的设计是使用现有功能（理想情况下是用于安装后校正光学器件的接口功能）安全地连接到望远镜的后背板。由于接口功能可以使用CMM进行精确测量，因此可以定义主坐标系统(MCS)，并可用于安装其他功能或校准其他子系统的参考。这种安排使得望远镜的光轴相对于MCS能够进行精确对准。由于SAM安装板可以利用现有特征，因此在设计阶段考虑对齐和计量非常重要。通常，MCS由三个确定平面的焊盘和两个确定原点并控制时钟的引脚定义。

望远镜背板结构示例（左）。用于后光学组件的安装机械装置，也用于安装 SAM 转接板（右）

安装SAM转接板后，可以使用AOM的磁性运动Cone-Vee-Flat安装功能轻松地将全息图安装到板上。

SAM 转接板安装在望远镜背板上（左），SAM 安装在转接板上（右）

使用PAH将PM与背板对齐

PAH将PM与SAM对齐，从而与望远镜背板对齐。首先，将PAH安装在6自由度平台上并与干涉仪对齐。PAH的外部区域用作反射模式，旨在向干涉仪提供Retro模式。对于准直干涉仪光束，此图案将产生条纹反馈以对齐倾斜，而对于球面干涉仪光束，它将产生反馈以对齐倾斜和Z。在这两种情况下，当Retro模式归零时，PAH与干涉仪对齐。

PAH CGH及其与干涉仪的对准，PAH 可以设计用于准直或球面输入光束

接下来，已经安装到背板上的SAM需要与PAH对齐。PAH有两个区域来促进这种对齐。在PAH上，倾斜区产生准直光束，该光束从SAM上的相应图案反射回来，作为两者之间的倾斜参考。PAH的偏心区会创建一个球形波前，该波前从SA 的偏心区反射，为两者之间的X、Y和Z对齐提供反馈。

为了使SAM与PAH对齐，PAH参考SAM上的目标区域

这两个区域一起使用来调整背板单元的所有五个自由度（X、Y、Z和倾斜），一旦两个区域都归零，背板就会对齐。

使用PM零测试区安装PM并相对于SAM/背板单元精确对准。通过PAH中的PM零测试区控制五个自由度—干涉图中的倾斜PM中的倾斜，光圈反映了间距误差，不规则度反映了偏心误差。这与表面测试的概念相同，实际上，PAH也可以用来验证PM的表面形误差。

值得注意的是，这种方法仅使用光学表面进行反馈和对准背板，不依赖于PM的机械基准的精确度，这使得在PM规格和制造过程中机械公差放松，从而减少工作量和成本。

可以应用AOM首选MCS方法的替代对准方法，其中PM首先固定在背板上，然后将PAH与PM对准，然后再继续SAM的对准过程。这种方法需要在整个设置过程中仔细控制和传递PM基准，如上例所示。

 

使用 SAM 将 SM 与 PM 对齐

在此阶段，PM和背板/SAM 组件已很好地对齐。干涉仪移动到第二个测试配置，使其位于SAM的另一侧。干涉仪使用其Retro图案与SAM对齐。与PAH一样，Retro模式旨在为准直或球形输入波前提供对准反馈。

接下来是SM的对齐。SAM上有两种模式可以帮助完成此步骤，即SM Tilt区和System Wavefront Test区。SM Tilt区用于SM的倾斜反馈。归零时，SM的曲率中心位于光轴上，但是，反射镜本身可能会从光轴偏心，并且PM-SM间距可能还不正确。这些自由度将在下一步中进行校正。

校正倾斜后，SM中心和间距误差仍然存在，并使用SAM上的系统波前测试区进行对齐。不规则度与光圈是这种状态下系统波前测试区的主要像差，是用于SM轴向间距和偏心反馈的像差。通过调整SM的轴向位置来最小化功率，而通过调整SM偏心来最小化彗差。一旦系统波前测试区只剩下倾斜条纹，就可以调整ACF以去除它们。

视场点验证

SAM 可以设计为通过添加额外的模式以所需的视场角将测试波前投射到系统中，从而从多个视场点用理想的波前照亮系统。在保持干涉仪在轴上的同时，可以通过将ACF倾斜到相应的角度来测试每个场点，而无需移动任何其他设备或硬件。由于此测试是在与SM对准相同的配置中完成的，因此可以在系统中永久固定SM之前完成。

ARGUS Alignment方法的一个关键优势是能够感应和测量与线性视场关联的像散 （LFDA）。PM和SM之间的倾斜错位会导致标称视场点及其相关视场角发生偏移，从而产生该视场像差的来源。AOM根据SAM位置的不确定性和测试的残余失调，提供对这种视场像差以及轴上彗差和像散的估计。需要时，可以通过在所有视场点拟合像散并根据测量数据进行确定性校正来提高LFDA测量的准确性。迭代执行此过程可以减少AOM错误预算中估计的误差。

结 论

 

AOM的ARGUS^TM对准方法是一种新颖而全面的望远镜对准方法，由CGH的灵活性和精度以及严格的测试设计实现——所有这些都是AOM的核心竞争力。通过预先详细的规划，它大大降低了望远镜组装、集成和测试的风险，并实现了为望远镜系统的生产量量身定制的高精度和可靠的对准。

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