“日盲”紫外信號(hào)目標(biāo)模擬器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王嘉明，陳宇

（長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

“日盲”紫外信號(hào)目標(biāo)模擬器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王嘉明，陳宇

（長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

“日盲”紫外探測(cè)系統(tǒng)由于工作在日盲區(qū)，具有獨(dú)特的探測(cè)優(yōu)勢(shì)，在民用和軍事領(lǐng)域都得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。完成了“日盲”紫外信號(hào)目標(biāo)模擬器光學(xué)系統(tǒng)的研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)?；凇叭彰ぁ弊贤夤庾V特性，研究目標(biāo)模擬器的設(shè)計(jì)的工作原理和設(shè)計(jì)方法，給出了“日盲”紫外信號(hào)目標(biāo)模擬器的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和像差評(píng)價(jià)。設(shè)計(jì)完成了一款焦距500mm、相對(duì)孔徑1/10、波段0.24μm～0.28μm、視場(chǎng)角2°的“日盲”紫外信號(hào)目標(biāo)模擬器系統(tǒng)。系統(tǒng)共采用了4片球面透鏡，由兩種紫外光學(xué)材料組成，光學(xué)系統(tǒng)總長(zhǎng)540mm，光學(xué)傳遞函數(shù)在37lp/mm時(shí)大于0.7，畸變小于0.005%，具有成像質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊的優(yōu)點(diǎn)和很高的應(yīng)用價(jià)值。

紫外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；日盲紫外；信號(hào)目標(biāo)模擬器；公差分析

現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)發(fā)展十分迅速，己廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域［1-4］。紫外光學(xué)技術(shù)作為現(xiàn)代光學(xué)的一個(gè)發(fā)展方向得到了全世界的廣泛關(guān)注，也成為了一個(gè)研究熱點(diǎn)。紫外光學(xué)系統(tǒng)，尤其是中波紫外光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展最快、應(yīng)用也最廣泛最成功。中波紫外具有特殊的性質(zhì)，該波段會(huì)受到臭氧層的強(qiáng)烈吸收，從而形成紫外波段的截止區(qū)，也叫做“日盲”紫外區(qū)。同樣，正是由于中波紫外波段的特點(diǎn)，“日盲”紫外波段探測(cè)技術(shù)顯示了很大的優(yōu)越性，現(xiàn)在也在向光機(jī)電一體化控制系統(tǒng)發(fā)展。

由于紫外輻射的固有特點(diǎn)，紫外輻射越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到紫外信號(hào)目標(biāo)模擬器等領(lǐng)域。與世界其他強(qiáng)國(guó)比較，我國(guó)的紫外光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展相對(duì)較弱，特別是在紫外成像傳感器的系統(tǒng)分辨率和探測(cè)距離的差距較大。因此，對(duì)“日盲”紫外目標(biāo)模擬器光學(xué)系統(tǒng)的研究對(duì)我國(guó)紫外探測(cè)技術(shù)的發(fā)展有很重要的推動(dòng)作用，也是我國(guó)紫外探測(cè)技術(shù)發(fā)展的必經(jīng)之路。采用紫外平行光管光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)紫外目標(biāo)模擬器有著很重要的應(yīng)用［5-8］，因此“日盲”紫外平行光管的設(shè)計(jì)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。本文分析了“日盲”紫外信號(hào)目標(biāo)模擬器光學(xué)系統(tǒng)的工作原理，完成了大相對(duì)孔徑的“日盲”紫外信號(hào)目標(biāo)模擬器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 “日盲”紫外信號(hào)目標(biāo)模擬器系統(tǒng)理論研究

“日盲”紫外輻射源、紫外目標(biāo)模擬器光學(xué)系統(tǒng)、紫外探測(cè)器件、信號(hào)處理單元和信號(hào)接收單元構(gòu)成了“日盲”紫外目標(biāo)模擬器系統(tǒng)，如圖1所示。“日盲”紫外目標(biāo)輻射源信號(hào)經(jīng)紫外目標(biāo)模擬器光學(xué)系統(tǒng)成像后被探測(cè)器件接收，進(jìn)而完成信號(hào)接收和信號(hào)輸出，完成“日盲”紫外信號(hào)目標(biāo)的模擬。其中，“日盲”紫外信號(hào)目標(biāo)模擬器為本文研究的主要內(nèi)容。對(duì)“日盲”紫外目標(biāo)模擬器光學(xué)系統(tǒng)中的平行光管進(jìn)行了研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)。平行光管類型光學(xué)系統(tǒng)是對(duì)“日盲”紫外目標(biāo)模擬器光學(xué)系統(tǒng)的研究方案。

圖1 “日盲”紫外目標(biāo)模擬器系統(tǒng)構(gòu)成

1.1 “日盲”紫外信號(hào)目標(biāo)模擬器工作原理分析

本文采用氘燈作為紫外信號(hào)輻射源，用于“日盲”紫外目標(biāo)信號(hào)的產(chǎn)生，氘燈在日盲波段具有光譜連續(xù)性，能夠使模擬的輻射源具有更高的利用率，滿足“日盲”紫外目標(biāo)模擬器接收單元對(duì)接收能量的要求?！叭彰ぁ弊贤庑盘?hào)目標(biāo)模擬器光學(xué)系統(tǒng)擬采用平行光管類型，設(shè)計(jì)的基本原理為：放置在平行光管的焦平面位置處紫外目標(biāo)輻射源經(jīng)過(guò)平行光管光學(xué)系統(tǒng)后以平行光的形式從紫外目標(biāo)模擬系統(tǒng)的出瞳處射出，完成目標(biāo)輻射源的模擬。綜合“日盲”紫外目標(biāo)模擬光學(xué)系統(tǒng)的系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，紫外平行光管應(yīng)該滿足大相對(duì)口徑、長(zhǎng)焦距等特點(diǎn)，該設(shè)計(jì)具有一定的難度。平行光管常與分劃板配合使用。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選用口徑為17.5mm的分劃板，該紫外平行光管視場(chǎng)角計(jì)算的表達(dá)式為

由公式（1）可以計(jì)算出紫外平行光管的視場(chǎng)角約為2°。

由于紫外平行光管也是成像系統(tǒng)，應(yīng)該滿足分辨率的要求，其口徑大小決定了平行光管的空間分辨率，根據(jù)衍射理論的瑞利判斷可知：

公式（2）中，δ為像面上可以分辨的線對(duì)數(shù)，其倒數(shù)為系統(tǒng)的理論分辨率，單位為lp/mm，即每毫米可分辨的線對(duì)數(shù)；f′為平行光管的焦距；λ為入射波長(zhǎng)；D為光學(xué)系統(tǒng)的入瞳直徑。

1.2 紫外光學(xué)系統(tǒng)材料和探測(cè)器分析

紫外探測(cè)器是紫外探測(cè)技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)的重要保證，常用的紫外探測(cè)器有光電倍增管、第二代增強(qiáng)型電荷耦合器件和電子倍增電荷耦合器件三種。紫外探測(cè)器能精確接收紫外輻射，具有識(shí)別能力強(qiáng)、體積小、重量輕、探測(cè)靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)“日盲”紫外信號(hào)目標(biāo)模擬器光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)探測(cè)器的要求為：

（1）對(duì)于大于280nm小于240nm的光譜無(wú)響應(yīng)；

（2）量子效率和探測(cè)靈敏度比較高；

（3）抗輻射性能和化學(xué)穩(wěn)定性能強(qiáng)；

（4）背景噪聲低；

（5）探測(cè)區(qū)域廣闊。

選取型號(hào)為PIXIS的紫外探測(cè)器，其具體性能如表1所示。

表1 紫外探測(cè)器特性

對(duì)于本設(shè)計(jì)選用常用的紫外光學(xué)材料F_SILICA和CAF2，其光學(xué)性能如表2所示。

表2 日盲紫外材料特性

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)和指標(biāo)要求

基于以上分析，該紫外平行光管的具體設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)如下：

（1）焦距：500mm

（2）視場(chǎng)角：2°

（3）工作波段：240nm～280nm

（4）光學(xué)系統(tǒng)口徑：50mm

（5）探測(cè)器：型號(hào)為PIXIS：2048BUV，空間分辨率在37lp/mm時(shí)MTF值大于0.5。

2 設(shè)計(jì)結(jié)果及像質(zhì)評(píng)價(jià)

平行光管出射平行光束，可以用于無(wú)窮遠(yuǎn)的紫外信號(hào)目標(biāo)的模擬。大口徑長(zhǎng)焦距平行光管由于口徑大、焦距長(zhǎng)，一般釆用反射系統(tǒng)，但反射式系統(tǒng)視場(chǎng)小、有中心遮欄且雜散光較大。因此采用透射式結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)平行光管的優(yōu)化設(shè)計(jì)。選擇合適的初始結(jié)構(gòu)，進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計(jì)。采用ZEMAX軟件完成設(shè)計(jì)優(yōu)化［9，10］后的光學(xué)鏡頭結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如下表所示。

表3 光學(xué)系統(tǒng)鏡頭數(shù)據(jù)

其二維光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

優(yōu)化的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線和在37lp/mm時(shí)的MTF曲線分別如圖3和圖4所示。系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)列圖如圖5所示。

圖3 MTF曲線

圖4 37lp/mm對(duì)應(yīng)的MTF曲線

圖5 點(diǎn)列圖

從點(diǎn)列圖可以看出，該紫外光學(xué)系統(tǒng)的彌散斑均小于艾里斑大小，滿足“日盲”紫外信號(hào)目標(biāo)模擬器光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的要求。

光學(xué)系統(tǒng)的場(chǎng)曲和畸變?nèi)鐖D6所示。

圖6 場(chǎng)曲和畸變

可以看出，系統(tǒng)的場(chǎng)曲和畸變都很小，畸變小于0.005%，幾乎無(wú)畸變，該光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量很好。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)公差設(shè)計(jì)

當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)的口徑為有效口徑時(shí)，半徑和牛頓環(huán)的變化關(guān)系可以表示為光圈，即

其中，N為光圈數(shù)，又稱牛頓環(huán)。D′為有效元件的口徑，λ有效波長(zhǎng)，R2為被檢測(cè)表面的原半徑，R1為增大后的半徑。

根據(jù)上面所述的關(guān)系式，得到的光學(xué)系統(tǒng)的公差數(shù)據(jù)如表4所示。

4 結(jié)論

“日盲”紫外探測(cè)技術(shù)具有探測(cè)精度高、隱身能力強(qiáng)、無(wú)需制冷等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為光電探測(cè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。本文研究了“日盲”紫外目標(biāo)模擬器光學(xué)系統(tǒng)的工作原理，完成了光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析，為紫外技術(shù)的發(fā)展提供了新技術(shù)、新方法。

表4 光學(xué)元件的公差參數(shù)

本文對(duì)“日盲”紫外信號(hào)目標(biāo)模擬器光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，光學(xué)系統(tǒng)均采用球面，通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程校正了系統(tǒng)的各種像差，系統(tǒng)具有大相對(duì)口徑和長(zhǎng)焦距的特點(diǎn)。此外，通過(guò)對(duì)點(diǎn)列圖、點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)、衍射能量曲線圖和MTF曲線圖等評(píng)價(jià)指標(biāo)的分析，結(jié)果表明該光學(xué)系統(tǒng)具有高的能量集中度和小的彌散斑尺寸，最終的MTF曲線也符合設(shè)計(jì)的要求。系統(tǒng)成像質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、易于加工裝調(diào)，具有很高的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)用性。

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Optical Design of Solar Blind Ultraviolet Signal Target Simulator

WANG Jiaming，CHEN Yu
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Solar blind ultraviolet detection system worked in solar blind area has unique advantages，which has been widely used in civil and military fields.In this paper，solar blind ultraviolet signal target simulator optical system has been studied and designed.Based on characteristics of solar blind ultraviolet spectrum，target simulation has been analyzed.A target simulator，blind ultraviolet signal optical system design and the aberration evaluation have been presented.The system is with focal length of 500mm，relative aperture of 1∶10，waveband of 0.24μm～0.28μm and view angle of 2°.System adopts 4 imaging lenses with total length of 540mm，optical transfer function of greater than 0.7 at 37lp/mm，distortion of less than 0.005%，which has good image quality，the advantages of simple and compact structure and high application value.

ultraviolet optical system；solar blind ultraviolet；target signal simulator；tolerance analysis

TB13

A

1672-9870（2017）01-0064-04

2016-09-16

王嘉明（1989-），男，碩士研究生，Email：wjmacm@126.com

陳宇（1978-），男，副教授，E-mail：323111501@qq.com