外場紫外與可見光雙波段可調(diào)焦裝置校準(zhǔn)設(shè)計

劉 鈞，楊書寧，高 明

(西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，陜西 西安710021)

引言

近年來，由于紫外成像系統(tǒng)的逐漸發(fā)展，其性能的優(yōu)劣直接影響到飛機的作戰(zhàn)安全，因此需要對其性能進行測試及校準(zhǔn)?，F(xiàn)有的紫外目標(biāo)成像探測系統(tǒng)的靜態(tài)測試和校準(zhǔn)通常是在實驗室完成的，由于紫外目標(biāo)成像探測系統(tǒng)的實際工作均在外場進行，在外場條件下，由于溫度、濕度對光線的影響會引起光線的漂移，導(dǎo)致光軸的平行性誤差[1]，因此直接影響測試設(shè)備的工作精度。所以，在科研和生產(chǎn)以及使用維護方面都需要紫外與可見光雙光軸平行性校準(zhǔn)測試設(shè)備，以提高紫外目標(biāo)成像探測系統(tǒng)的測試精度。

目前國內(nèi)外對光軸平行性校準(zhǔn)日漸成熟，可見光光軸與激光光軸平行性測試的方法很多，2008年10月，丁振勇[2]等人提了一種激光和可見光光軸平行性檢測方法，利用CCD器件測量激光測距系統(tǒng)與可見光系統(tǒng)光軸平行性，測量精度達到5″。2009年6月，中國專利公開了一種“可見與紅外光波光軸平行度檢測儀”，采用中空結(jié)構(gòu)主鏡實現(xiàn)可見光與紅外光波光軸平行度檢測。中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所和中國科學(xué)院研究生院的史亞莉等[3]采用大口徑折反式平行光管設(shè)計一個帶有CCD檢測系統(tǒng)的裝調(diào)檢測輔助系統(tǒng)，其檢測準(zhǔn)確度可達到5.3″。在美國以及歐洲一些發(fā)達國家，性能先進的武器多配備有光軸平行性自動校準(zhǔn)設(shè)備，如阿帕奇直升機的穩(wěn)瞄具內(nèi)就裝有激光指示器與瞄準(zhǔn)具的光軸自動校準(zhǔn)設(shè)備。法國霍特導(dǎo)彈使用的VIVIANE穩(wěn)瞄具內(nèi)裝有一套光軸校準(zhǔn)系統(tǒng)，可將瞄準(zhǔn)鏡、測角儀、熱像儀和激光測距機的光軸進行自動校準(zhǔn)。雖然在校準(zhǔn)光軸平行性方比較成熟，但關(guān)于調(diào)焦方面的校準(zhǔn)還比較少見。目前離軸反射式系統(tǒng)多為焦面調(diào)焦，如2012年9月劉磊等人設(shè)計的焦面調(diào)焦組件可對離軸反射式系統(tǒng)進行調(diào)焦[4]。國內(nèi)在外場環(huán)境下的紫外與可見光雙光軸平行性校準(zhǔn)系統(tǒng)還鮮有報道，且校準(zhǔn)系統(tǒng)均無調(diào)焦功能，無法檢測有限遠(yuǎn)物體的成像質(zhì)量。

本文設(shè)計了一種外場環(huán)境下用來校準(zhǔn)紫外與可見光光軸平行性以及可調(diào)焦的光學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用離軸反射式結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，主鏡為拋物面，次鏡為雙曲面，并引入高次非球面。在后部添加透鏡組，使系統(tǒng)在校準(zhǔn)平行性的同時還可用來調(diào)焦。其中的自校準(zhǔn)部件可以確定校準(zhǔn)裝置的光軸，保證了校準(zhǔn)裝置在移動或溫度變化后，元件位置發(fā)生偏移的隨時可校準(zhǔn)性。當(dāng)調(diào)焦鏡位于初始位置時，出射光為平行光，在此位置進行雙光軸平行性校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)束后移動調(diào)焦鏡便可實現(xiàn)不同視距下成像質(zhì)量的校準(zhǔn)。光路采用折疊設(shè)計，整個裝置結(jié)構(gòu)緊湊，易于實現(xiàn)輕量化，既可以有效地解決紫外與可見光雙光軸平行性失調(diào)的問題，還可以檢測不同視距下物體的成像質(zhì)量問題。

1 光學(xué)系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)需先對校準(zhǔn)設(shè)備進行自校準(zhǔn)，通過自校準(zhǔn)建立基準(zhǔn)光軸。然后利用校準(zhǔn)好的系統(tǒng)對紫外成像系統(tǒng)和電視攝像機光軸平行性進行校準(zhǔn)。

基準(zhǔn)光軸的建立是為了確定校準(zhǔn)設(shè)備的光軸并建立校準(zhǔn)基準(zhǔn)，使校準(zhǔn)設(shè)備的焦點位于接收部件CCD靶面中心?；鶞?zhǔn)光軸的確立通過軸向校準(zhǔn)部件和徑向校準(zhǔn)部件完成。軸向校準(zhǔn)是通過基準(zhǔn)CCD攝像機來實現(xiàn)的，將基準(zhǔn)CCD攝像機14放于出射光前。在調(diào)整光闌孔前后位置的同時觀察接收部件靶面上像斑的大小，當(dāng)像斑尺寸滿足精度要求時，認(rèn)為光闌孔位于系統(tǒng)焦面上。徑向校準(zhǔn)時將平面平晶15放在出射光前，不斷調(diào)整光闌孔的位置，使光源發(fā)出的光束以平行光出射，經(jīng)反射鏡反射后返回并聚焦于光闌孔上。系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 Diagram of working principle 1.主反射鏡； 2.次反射鏡； 3.補償組； 4.調(diào)焦組；5,6.調(diào)焦移動位置； 7.紫外/可見光半透半反鏡； 8,9.紫外/可見光源； 10,11.紫外/可見光擴散板； 12.光闌盤； 13.接收部件；14.基準(zhǔn)CCD攝像機； 15.平面平晶；16.被測系統(tǒng)

系統(tǒng)完成自校準(zhǔn)后，開始進行紫外成像系統(tǒng)和電視攝像機光軸校準(zhǔn)。打開相應(yīng)光源，分別將透紫外半透半反鏡和可見光半透半反鏡放置在光路中，使紫外目標(biāo)靶板成像在紫外成像系統(tǒng)CCD顯示器上，可見光目標(biāo)靶板的像成在電視攝像機顯示器上。將紫外成像系統(tǒng)的光軸與校準(zhǔn)設(shè)備光軸對中，此時，紫外成像系統(tǒng)與校準(zhǔn)設(shè)備光軸一致。通過軟件計算可見光目標(biāo)靶板十字像中心位置與電視攝像機顯示器像素中心位置的偏離程度，即得到紫外成像系統(tǒng)與電視攝像機光軸的偏離程度。

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計要求

系統(tǒng)采用768×494陣列的紫外CCD探測器，像元尺寸為8.4 μm×9.8 μm；可見光部分選用1.27 cm(1/2英寸)CCD，像元尺寸為8.6 μm×8.3 μm。確定光學(xué)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如、所示。

表1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)Table 1 System technical specification

2.2 光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到本系統(tǒng)特點是大口徑長焦距，選取卡塞格林系統(tǒng)進行設(shè)計，對主、次鏡離軸以避免中心遮攔。非球面近年來在光學(xué)系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，相比球面系統(tǒng)，成像質(zhì)量更好，體積小，質(zhì)量輕。在校正像差方面，非球面光學(xué)零件比球面光學(xué)零件有更多的自由度。為了簡化光學(xué)系統(tǒng)，在光學(xué)系統(tǒng)中可以用一個非球面代替多個球面來校正像差，由于工藝技術(shù)上的進步，目前在光學(xué)系統(tǒng)中采用非球面光學(xué)零件越來越普通。本設(shè)計在經(jīng)典的卡塞格林系統(tǒng)上，將主鏡和次鏡都做成高次曲面，代替原來的二次曲面。因系統(tǒng)需要調(diào)焦，故在次鏡后加入調(diào)焦組及補償組，用來調(diào)焦并補償像差。

2.2.1 初始結(jié)構(gòu)選型

圖2 結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Diagram of structural principle

2.2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的確定

在移動鏡組調(diào)焦時，系統(tǒng)的焦距值總會有微小的變化，像面的位置總會產(chǎn)生移動，因此對像面的移動必須加以補償，M3便起到補償像面的作用。因為此光學(xué)系統(tǒng)的相對孔徑與調(diào)焦范圍都比較大，M1和M2組元不可能完全地校正像差,所以M3在像差的校正中應(yīng)該起到一定的作用，因此結(jié)構(gòu)不能過于簡單。

固定組選擇離軸卡塞格林結(jié)構(gòu)，主鏡為拋物面，次鏡為雙曲面，調(diào)焦組選用兩片式結(jié)構(gòu)，可以方便地控制裝置帶動調(diào)焦鏡移動。由于調(diào)焦組M2的結(jié)構(gòu)比較簡單, 因此僅通過前2組鏡組無法很好地校正像差, 所以利用以補償組M3來校正像差?？紤]到無窮遠(yuǎn)還需校準(zhǔn)平行性，且紫外和可見光光程不同，故采用不同的補償組來進行補償。在兩條光路中，調(diào)焦組保持不變，紫外和可見光選取不同的材料組合作為補償組，以補償因光路不同而造成的像移。

3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果及像質(zhì)評價

3.1 紫外部分光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

確定了各鏡組的初始結(jié)構(gòu)后, 將他們組合成物鏡系統(tǒng)進行總體優(yōu)化。由2個反射鏡組成的固定組有6個變量, 當(dāng)對無窮遠(yuǎn)物體消球差、彗差與色差時，只需用3個變量, 因此利用3個變量來提高近距離物體的成像質(zhì)量。如果光闌位置處存在球差，那么物距改變后，系統(tǒng)的畸變也會產(chǎn)生差異。對于組合起來的物鏡系統(tǒng)，為了對不同視距下的成像質(zhì)量能夠同時加以控制，采用多重數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計，對視距為無窮遠(yuǎn)和近距離3 種結(jié)構(gòu)同時進行優(yōu)化。系統(tǒng)調(diào)焦位置如圖1所示，視距為∞時調(diào)焦鏡處于位置4，隨著物距的變小逐漸向左移動，150 m時位于位置5，70 m時位于位置6。

由于受紫外材料的限制，因此僅部分進行重點分析考慮。其中，調(diào)焦組材料MGF2和QUARTZ，結(jié)構(gòu)形式采用雙分離形式。補償組材料為光學(xué)性能優(yōu)良的CAF2和SILICA，也采用雙分離形式。經(jīng)過多次優(yōu)化后得到系統(tǒng)最終結(jié)構(gòu)由2片反射鏡和4片透鏡構(gòu)成。此外，為了提高成像質(zhì)量，在系統(tǒng)中加入了2個衍射面和4個非球面。主鏡和次鏡均使用高次非球面來簡化系統(tǒng)體積，經(jīng)過反復(fù)的組合優(yōu)化，最終確定第6面和第7面為非球面，第4面和第9面為衍射面。設(shè)計結(jié)果表明：加入了衍射面和非球面后極大地減小了系統(tǒng)的球差，衍射面和非球面的組合使用也使系統(tǒng)的色差得到了明顯改善。為了綜合控制物鏡在不同視距下的成像質(zhì)量，采用光學(xué)設(shè)計軟件( ZEMAX) 中的多重結(jié)構(gòu)(multi-configuration) 設(shè)計方法，分別取視距為∞，150 m，70 m來定義在不同組態(tài)間變化的設(shè)計參數(shù)，構(gòu)建評價函數(shù)，設(shè)置變量進行優(yōu)化，通過優(yōu)化就會生成3個因調(diào)焦鏡位置不同的結(jié)構(gòu)。

下面分別對紫外部分3個結(jié)構(gòu)進行像質(zhì)評價。由于此系統(tǒng)具有大孔徑、小視場的特點， 因此主要對它的球差、彗差以及色差進行校正。

3.2 光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評價

1) 當(dāng)物在無窮遠(yuǎn)時，傳遞函數(shù)在空間頻率為60 lp/mm時，軸上與軸外視場均可達到0.7 以上，像差校正結(jié)果如圖3所示。

圖3 l=∞時光學(xué)系統(tǒng)的點列圖(a)、傳遞函數(shù)(b)和能量圖(c)Fig.3 Spot diagram, MTF and energy diagrams of optical system at l=∞

2) 當(dāng)物距為150 m時，傳遞函數(shù)在空間頻率為60 lp/mm時，軸上與軸外視場均可達到0.8 以上，能量集中度達到90%，整個視場的像質(zhì)均勻，像面清晰，分辨率較高，對其像差的校正結(jié)果如圖4所示。

3) 當(dāng)物距為70 mm時，傳遞函數(shù)在空間頻率為60 lp/mm時，軸上與軸外視場均可達到0.78 以上，能量集中度達到90%，整個視場的像質(zhì)均勻，像面清晰，分辨率較高，對其像差校正結(jié)果如圖5所示。

當(dāng)物距由無窮遠(yuǎn)向近距離變化時, 通過改變調(diào)焦鏡的位置來保證像面位置不變。這里，調(diào)焦鏡沿光軸方向的移動距離稱為調(diào)焦量，因此我們有必要知道對于在調(diào)焦范圍內(nèi)的不同物距下相應(yīng)的調(diào)焦量的值，利用軟件對光學(xué)系統(tǒng)進行分析計算，其結(jié)果如表2所示。

圖4 l=150 m時光學(xué)系統(tǒng)的點列圖(a)、傳遞函數(shù)(b)和能量圖(c)Fig.4 Spot diagram, MTF and energy diagrams of optical system at l=150 m

圖5 l=70 m 時光學(xué)系統(tǒng)的點列圖(a)、傳遞函數(shù)(b)和能量圖(c)Fig.5 Spot diagram, MTF and energy diagrams of optical system at l=70 m

表2 不同視距下的調(diào)焦量Table 2 Focusing values at different viewing distances

由表2可見，當(dāng)物距l(xiāng)變化時,調(diào)焦量Δ的變化開始比較緩慢, 隨后呈現(xiàn)很快的上升趨勢，當(dāng)物距為70 m時，調(diào)焦量為55.2 mm?？梢宰C明，當(dāng)系統(tǒng)在無窮遠(yuǎn)和近距離成像質(zhì)量良好時，該調(diào)焦范圍內(nèi)任意距離處光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)均滿足成像質(zhì)量要求。

3.3 可見光部分光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

在設(shè)計好的紫外系統(tǒng)中更換補償組，其余部分為公共組，采用雙分離形式，材料選為BK7，引入一個衍射面。

當(dāng)物在無窮遠(yuǎn)時，傳遞函數(shù)在空間頻率為60 lp/mm時，軸上與軸外視場均可達到0.58 以上，像差校正結(jié)果如圖6所示。

圖6 l=∞時光學(xué)系統(tǒng)的點列圖(a)、傳遞函數(shù)(b)和能量圖(c)Fig.6 Spot diagram, MTF and energy diagrams of optical system at l=∞

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種紫外和可見光可調(diào)焦校準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在實現(xiàn)紫外與可見光雙光軸平行性校準(zhǔn)的同時，加入了調(diào)焦鏡來實現(xiàn)調(diào)焦功能，可用來檢測近距離物體的成像質(zhì)量。針對傳統(tǒng)內(nèi)調(diào)焦設(shè)計方法中，對于近距離物體成像質(zhì)量難以控制的不足，利用多重結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法從整體上對不同結(jié)構(gòu)同時進行優(yōu)化。在計算并選定了各鏡組的初始結(jié)構(gòu)后從像差校正的角度進行了調(diào)整，通過分析與優(yōu)化，使系統(tǒng)對無窮遠(yuǎn)與近距離目標(biāo)均具有較高的光學(xué)性能和良好的成像質(zhì)量。整個物鏡系統(tǒng)均選用國產(chǎn)玻璃，曲率、厚度等參數(shù)適中，利于加工，確保了鏡頭的可實現(xiàn)性。實際測試表明，該系統(tǒng)工作性能優(yōu)良，測試過程快速穩(wěn)定，測試數(shù)據(jù)可靠準(zhǔn)確，有利于紫外探測系統(tǒng)的調(diào)校，為生產(chǎn)實踐提供了方便，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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