小視場(chǎng)紅外探頭標(biāo)定用離軸反射式平行光管設(shè)計(jì)

于劍 ，張國(guó)玉 ，2

(1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022；2.光電測(cè)控與光信息傳輸技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022))

地球張角是衡量準(zhǔn)直式紅外地球模擬器精度的重要指標(biāo)，而小視場(chǎng)紅外探頭是標(biāo)定地球模擬器張角的關(guān)鍵部件，為測(cè)試小視場(chǎng)紅外探頭的視場(chǎng)，采用平行光管與兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)相結(jié)合的方案對(duì)其視場(chǎng)進(jìn)行標(biāo)定[1]。本文所設(shè)計(jì)的離軸反射式平行光管僅作為提供光源的一種載體，為標(biāo)定被測(cè)探頭的視場(chǎng)提供準(zhǔn)直光源。

1 小視場(chǎng)紅外探頭視場(chǎng)標(biāo)定原理

視場(chǎng)標(biāo)定裝置如圖1所示。離軸反射式平行光管1由離軸拋物面鏡6和平面反射鏡5組成，在平行光管的焦點(diǎn)處放置一個(gè)小孔光闌3，小孔光闌的后面為調(diào)制器2和黑體1，兩者的作用是使光管產(chǎn)生一定張角的調(diào)制平行光。在兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)7上放置被測(cè)小視場(chǎng)紅外探頭8，探頭為紅外望遠(yuǎn)鏡頭，平行光在探頭焦面上的熱敏電阻上成像(熱成像)，使探頭輸出電壓信號(hào)。當(dāng)成像在視場(chǎng)邊界上時(shí)，輸出值為峰值的50%左右，由此可確定視場(chǎng)邊界。

2 平行光管方案的確定

透射光學(xué)系統(tǒng)由于受到光學(xué)材料的限制，很難做到大口徑和輕量化設(shè)計(jì)，反射式系統(tǒng)受材料限制小，便于輕量化，完全沒(méi)有色差，各種波長(zhǎng)光線(xiàn)所成的像是嚴(yán)格一致完全重合的，可以在紫外到紅外的很大波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作，傳輸能量大，系統(tǒng)透過(guò)率高。所以擬采用反射式系統(tǒng)。

圖1 小視場(chǎng)紅外探頭視場(chǎng)標(biāo)定裝置Fig.1 The equipment for calibration of small FOV infrared probe

而在球面反射鏡和非球面反射鏡兩種方案中，球面反射鏡僅有一個(gè)參數(shù)R決定其面形，它在系統(tǒng)中當(dāng)光闌位于球心時(shí)，不產(chǎn)生像散，球差也很小。非球面其面形是由幾個(gè)參數(shù)決定的，能使平行光束完善地會(huì)聚于一點(diǎn)，但加工難度大。由于被測(cè)件精度要求較高，所以選用拋物面反射鏡，為保證反射面不變形，中心厚度應(yīng)取厚一些。

為使拋物面反射鏡的焦點(diǎn)正好在光軸上，同時(shí)光管要求在有效孔徑內(nèi)不能被遮擋，所以要從大的拋物面鏡中偏離光軸切割出所需孔徑，這樣便成為離軸式拋物面反射鏡[2]。

離軸的特點(diǎn)使平行光管成像不會(huì)產(chǎn)生很大的模糊，這一特點(diǎn)是非常有價(jià)值的，主要是由于發(fā)射或接收的信號(hào)都沒(méi)有被遮攔。偏斜的反射鏡為平板式，對(duì)從紅外平行光管出射的光束進(jìn)行重導(dǎo)，整個(gè)反射鏡的光學(xué)特性較為成功。

該光管作為準(zhǔn)直光源使用，其原理是在光管離軸拋物面反射鏡焦點(diǎn)處放置一光源，其發(fā)出的一束光入射到平面反射鏡后，經(jīng)反射投射到離軸拋物面反射鏡上，然后形成具有一定準(zhǔn)直精度的平行光。

實(shí)際使用中，紅外光源是不可能放在焦點(diǎn)處的，通常采用在焦點(diǎn)處放置光闌孔，用具有足夠張角的紅外光源照亮，從而形成等效光源。光闌孔的大小就是拋物面反射鏡焦點(diǎn)上的光源直徑的大小，它決定光管出射的平行光的張角。

3 設(shè)計(jì)思想

根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，焦距 f=800mm，有效口徑D=160mm，工作波段14～16m，視場(chǎng)0.1°，準(zhǔn)直精度30"。因?yàn)槠叫泄夤艿慕咕嗪涂趶蕉家汛_定，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮離軸量h的大小，平面反射鏡的大小及其放置的位置。在設(shè)計(jì)時(shí)，可將平行光管作為對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)目標(biāo)成像系統(tǒng)來(lái)考慮，在同一視場(chǎng)內(nèi)，離軸量h越大，光學(xué)系統(tǒng)成像的彌散斑越大，對(duì)系統(tǒng)的成像質(zhì)量有一定的影響；而離軸量h的增大會(huì)增加非球面度和母拋物面直徑，從而增加了加工難度和加工周期，所以在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量減小離軸量h的大小，但離軸量h過(guò)小會(huì)造成平面反射鏡遮擋出射光束的現(xiàn)象。因此平面反射鏡應(yīng)放置在不遮擋視場(chǎng)邊緣出射光束的位置上，同時(shí)距離光源要有一定距離，考慮到平面反射鏡的結(jié)構(gòu)裝卡需要，圖2中的平面反射鏡上端面至系統(tǒng)下方出射光束的距離a應(yīng)大于2mm，平面反射鏡的下端面至焦點(diǎn)的距離b應(yīng)大于10mm就可以滿(mǎn)足上述要求[3]。

圖2 離軸反射式平行光管光路圖Fig.2 Optical path of the Off-axis Parabolic Reflective Collimator

軸對(duì)稱(chēng)二次曲面方程一般表示為：

式中，z為曲面上各點(diǎn)沿光軸方向坐標(biāo)；r為光線(xiàn)與曲面交點(diǎn)高度；c為頂點(diǎn)曲率；k為二次曲面常量，k=1時(shí)二次曲面為拋物面。

根據(jù)已知數(shù)據(jù)，應(yīng)用ZEMAX軟件進(jìn)行離軸設(shè)計(jì)，選取主鏡和次鏡的離軸量，在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整及優(yōu)化。優(yōu)化后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

將離軸量h與a、b綜合考慮，經(jīng)過(guò)幾次試取h值后，離軸量h=110mm；主鏡與次鏡距離640mm；平面鏡半徑尺寸為16mm；a大約為8.8mm，b大約為66.7mm，滿(mǎn)足a、b距離的要求。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中得到以下結(jié)論：

(1)當(dāng)主鏡的離軸量增大時(shí)，平面反射鏡的最大尺寸也在增大，而a也在變大，則平面鏡的可調(diào)范圍也越大[4]。

(2)由離軸拋物面反射式平行光管的工作原理可以看出，平面反射鏡只是起到了折轉(zhuǎn)和折疊光路的作用，因此對(duì)平面反射鏡位置的恰當(dāng)放置可以減輕平行光管的體積和重量[5]。

表1 光學(xué)結(jié)構(gòu)參數(shù)表Tab.1 Optical structure parameters

圖4 系統(tǒng)點(diǎn)列圖Fig.4 The system spot diagram

圖5 系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)Fig.5 The system MTF

圖6 系統(tǒng)波前圖Fig.6 The system wavefront map

4 像質(zhì)評(píng)價(jià)

由準(zhǔn)直度與分辨力之間的關(guān)系式

式中： 為準(zhǔn)直精度；f'為系統(tǒng)焦距；d為系統(tǒng)最小彌散斑直徑。根據(jù)上述公式

系統(tǒng)點(diǎn)列圖如圖4所示，系統(tǒng)各視場(chǎng)的衍射光斑彌散點(diǎn)都在艾里斑之內(nèi)，且各視場(chǎng)的彌散斑直徑均小于技術(shù)指標(biāo)要求的116.355m，由圖5的MTF曲線(xiàn)圖可以看出各視場(chǎng)傳遞函數(shù)曲線(xiàn)也基本與衍射極限重合，而圖 6系統(tǒng)波前圖可以看出波前差為0.0878個(gè)波長(zhǎng)已經(jīng)達(dá)到1/11個(gè)波長(zhǎng)。綜合以上像質(zhì)分析，系統(tǒng)成像質(zhì)量良好，且達(dá)到所要求的準(zhǔn)直精度。

5 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外探頭進(jìn)行視場(chǎng)標(biāo)定，本文設(shè)計(jì)了一種離軸反射式平行光管，根據(jù)所提出的技術(shù)指標(biāo)，確定了平行光管的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)。針對(duì)像質(zhì)分析看出，該系統(tǒng)像差校正良好，且達(dá)到了所提出的準(zhǔn)直精度要求，設(shè)計(jì)方案正確可行。

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