光學元件缺陷在線檢測光學系統(tǒng)設計分析

孫小龍

摘 要：為了提高望遠鏡的工作效果和使用壽命，有必要對其光學元件進行在線檢測，從而及時發(fā)現(xiàn)其問題。于是文章設計了一種光學元件缺陷在線檢測光學系統(tǒng)，首先通過設計變焦距系統(tǒng)，然后再對系統(tǒng)的設計過程進行分析，其中包含設計指標、設計實例、像素評價和環(huán)境適應性分析。結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較好的成像質(zhì)量，在光學元件缺陷在線檢測中具有較好的應用效果。

關(guān)鍵詞：光學元件;在線檢測;光學系統(tǒng);設計

中圖分類號：TH744 ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1001-5922（2020）10-0145-04

Abstract：In order to improve the working effect and service life of the telescope， it is necessary to perform online inspection of its optical components， so as to discover its problems in time. Therefore， the paper designs an optical system for online detection of optical element defects. First， the zoom system is designed， and then the design process of the system is analyzed， which includes design indicators， design examples， pixel evaluation and environmental adaptability analysis.The results show that the system has good imaging quality and good application effect in the online detection of optical element defects.

Key words：optical components; online inspection; optical system; design

0? ? ?引言

光學元件作為望遠鏡的重要組成部分，雖然在安裝之前，會使用離線檢測方式對光學元件進行檢測是否存在缺陷，但是由于望遠鏡工作一段時間之后，光學元件也可能會出現(xiàn)缺陷，從而影響成像質(zhì)量，于是可以使用在線檢測系統(tǒng)對光學元件進行檢測，從而有助于提高望遠鏡的工作效果[1-2]。然而光學元件在線檢測系統(tǒng)存在一些缺陷，比如不能準確的得到缺陷位置，檢測效率比較低等[3-4]。文章將對在線檢測光學系統(tǒng)進行分析，在系統(tǒng)的設計過程中，大變焦范圍、大視場角的變焦系統(tǒng)非常重要。在系統(tǒng)設計時其焦距系統(tǒng)的調(diào)焦精度提高、成像質(zhì)量提高和結(jié)構(gòu)簡化屬于重難點部分。通過文獻研究的方式，設計了一種檢測光學系統(tǒng)。

1? ? ?變焦距系統(tǒng)的設計

檢測光學元件是否產(chǎn)生缺陷時所使用的方式為通過使用暗場成像的原理，其檢測示意圖如圖1所示[5]。當檢測到的結(jié)果為像面背景顯示黑色，則可以說明此時光學元件沒有缺陷，反之，當有后向散射光時，在相機靶面上就會呈現(xiàn)出光學元件的缺陷區(qū)域[6]。然后再繼續(xù)對缺陷區(qū)域進行分析，從而可以得到在望遠鏡系統(tǒng)中光學元件缺陷的位置和尺寸。

為了使得光學元件缺陷實現(xiàn)等精度高分辨率成像，當物距不同時，需要進行調(diào)整成像焦距操作，從而使其成像系統(tǒng)放大倍率恒定。根據(jù)技術(shù)要求，當工作物距在1.1～5.6m之間時，不同平面鏡進行檢測，其中反面鏡的直徑和各種物距相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示，其中存在的檢測要求為視場范圍時0.1m，另外物方分辨率也要優(yōu)于0.1mm。然后再根據(jù)下面公式能夠計算出半視場角、鏡頭焦距和垂直軸放大倍率，結(jié)果如表1所示。

變焦距系統(tǒng)有不同的類型，如果按照補償方式不同可以分為機械補償變焦和光學補償變焦，其中機械補償變焦是當前使用較為普遍的一種方式，具有成像質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，另外其焦距可以持續(xù)進行改變[7-8]。圖2即為機械補償變焦系統(tǒng)的原理圖，其中主要包含著4個組成部分Z1、Z2、Z3和Z4，分別代表的是固定組、變焦組、補償組和后固定組。

變焦鏡頭具有重要的作用，能夠使得每個焦距具有較好的成像質(zhì)量，還能夠使其后固定組和固定組保持不變。光學元件主要由幾個不同的平面反射鏡構(gòu)成，在缺陷檢測過程中可以根據(jù)記錄各組元的位置從而確定具體出現(xiàn)缺陷的反射鏡，可以實現(xiàn)缺陷定位作用。這種檢測方式最大的優(yōu)勢在于在保證成像質(zhì)量的同時，能夠降低光學系統(tǒng)的復雜性。

2? ? ?設計過程

2.1? ?指標設計

在檢測過程中，需要將光學元件成像面的明亮程度大致相同，則需要保證有充足的光進量。另外還需要使得系統(tǒng)的相對孔徑F不變。然后將相關(guān)指標像素尺寸設置為5.5μm×5.5μm，有效像素元素設置為2048×2048，CCD尺寸設置為11.264mm，該相關(guān)指標的設計能夠使得檢測留有擴展空間。在設計變焦系統(tǒng)時，由于使用的激光光源照明，設計時需要針對某一特定波長的光進行。表2即為在線檢測光學系統(tǒng)的相關(guān)指標設計。

2.2? ?設計實例

在線檢測光學系統(tǒng)選擇Zemax軟件進行設計，因為該軟件能夠處理多重結(jié)構(gòu)的設計和優(yōu)化，應用于文章所研究的系統(tǒng)中能夠滿足需求，并且具有方便快捷的優(yōu)勢。在設計的初步階段，變焦鏡頭的初始結(jié)構(gòu)非常重要。首先需要確定出系統(tǒng)的主要參數(shù)，完成該步驟之后，即可根據(jù)相關(guān)文獻中方式選擇初始結(jié)構(gòu)，然后使用Zemax軟件進行優(yōu)化，優(yōu)化次數(shù)不止一次，在優(yōu)化時需要滿足一定的要求，方可實現(xiàn)優(yōu)化過程，得到如圖3所示的結(jié)構(gòu)圖。

通過優(yōu)化設計之后，能夠得到系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)有：默認溫度為20℃，鏡頭結(jié)構(gòu)總長度為55.31cm，鏡片最大口徑為12.39cm，圖3中一共有6個不同焦距，能夠清晰反應變焦過程中3種不同焦距的成像情況。需要注意的是需要將所有鏡片使用最大口徑值。為了降低系統(tǒng)的設計難度，選擇的球面系統(tǒng)作為鏡片。

望遠鏡系統(tǒng)中存在多個光學元件成像過程，存在多個不同的焦距，需要確定每一個焦距的補償組和變倍組的位置，圖4即為兩者的位置顯示，其中縱坐標顯示兩者相對成像系統(tǒng)第一片透鏡的位置，橫坐標顯示的是成像焦距。從圖中可以分析出補償組呈現(xiàn)的是非線性運動，而另一組屬于呈現(xiàn)的是線性運動，兩組的位移量程分別為39.05mm和79.25mm。

2.3 像素評價

對光學系統(tǒng)進行評價時，一般使用的主要方式為調(diào)制傳遞函數(shù)的值，能夠通過其值放映出系統(tǒng)像素的質(zhì)量。于是可以得到如圖5所示的MTF曲線，分別包含著4種不同焦距的曲線。從圖5中可以看出，曲線的特點是平直且光滑，從而能夠反映出成像質(zhì)量比較好。當焦距處于90mm時，此時屬于小焦距，其成像性能稍稍有所降低，然而，當其MTF在100lp/mm時，OTF的模數(shù)時大于0.3，另外其他的不同焦距下，當MTF為100lp/mm，OTF的模數(shù)均是大約0.4，于是能夠滿足成像像質(zhì)的需求，表3為當焦距不同時不同視場下彌散斑半徑均方根。當處于最小焦距90mm時，其中彌散斑半徑均方根處于最大值4.476，而系統(tǒng)艾里斑半徑是5.189，該值大于彌散斑半徑均方根，于是可以提高衍射能量，并且與其極限相接近。

2.4? ?環(huán)境適應性分析

由于環(huán)境溫度不同時會影響到系統(tǒng)的成像質(zhì)量，檢測系統(tǒng)的工作溫度為-10℃～40℃。由于焦距不同時，對溫度的敏感性也會存在差異，長焦距的敏感性比短焦距更強，文章在分析系統(tǒng)的環(huán)境適應性時以長焦距540mm作為研究對象，另外，對其他不同焦距進行分析時，方式于此一致。在焦距為540mm時，變焦系統(tǒng)的MTF曲線如圖6所示。

從圖中可以看出，MTF曲線下降程度比較大，說明其像素質(zhì)量也有所降低。選擇溫度補償措施從而增加成像質(zhì)量，增加環(huán)境適應性。將20℃作為零點，溫度補償組在-10℃和40℃時的移動距離為-0.7mm和0.5mm，系統(tǒng)的總長度也會發(fā)生一定的變化，由于其變化非常的小，不會超過正負1mm，于是滿足設計指標。經(jīng)過平移補償處理之后，能夠得到如圖7所示的MTF曲線，其成像質(zhì)量優(yōu)良。

表4為當溫度不同時系統(tǒng)在不同視場的彌散斑半徑均方差值，從圖中可以看出，當溫度不斷增加時，彌散斑半徑均方根也在不斷增加。平移補償之后，彌散斑半徑均方根的數(shù)值也在艾里斑半徑之內(nèi)，于是滿足設計要求，并且具有較好的成像質(zhì)量。

3 結(jié)語

文章設計了光學元件缺陷在線檢測光學系統(tǒng)，其中利用的機械變焦形式，能夠?qū)崿F(xiàn)90～54mm的變焦。通過對不同焦距下成像質(zhì)量進行檢測，發(fā)現(xiàn)成像質(zhì)量良好，能夠滿足設計要求。另外，發(fā)現(xiàn)溫度對成像質(zhì)量的影響較大，于是采用溫度補償組對成像質(zhì)量變化進行補償，通過平移補償之后，能夠提高成像質(zhì)量，并且滿足各種指標的需求。

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