外场紫外与可见光双波段可调焦装置校准设计

刘 钧，杨书宁，高 明

(西安工业大学 光电工程学院，陕西 西安710021)

引言

近年来，由于紫外成像系统的逐渐发展，其性能的优劣直接影响到飞机的作战安全，因此需要对其性能进行测试及校准。现有的紫外目标成像探测系统的静态测试和校准通常是在实验室完成的，由于紫外目标成像探测系统的实际工作均在外场进行，在外场条件下，由于温度、湿度对光线的影响会引起光线的漂移，导致光轴的平行性误差[1]，因此直接影响测试设备的工作精度。所以，在科研和生产以及使用维护方面都需要紫外与可见光双光轴平行性校准测试设备，以提高紫外目标成像探测系统的测试精度。

目前国内外对光轴平行性校准日渐成熟，可见光光轴与激光光轴平行性测试的方法很多，2008年10月，丁振勇[2]等人提了一种激光和可见光光轴平行性检测方法，利用CCD器件测量激光测距系统与可见光系统光轴平行性，测量精度达到5″。2009年6月，中国专利公开了一种“可见与红外光波光轴平行度检测仪”，采用中空结构主镜实现可见光与红外光波光轴平行度检测。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所和中国科学院研究生院的史亚莉等[3]采用大口径折反式平行光管设计一个带有CCD检测系统的装调检测辅助系统，其检测准确度可达到5.3″。在美国以及欧洲一些发达国家，性能先进的武器多配备有光轴平行性自动校准设备，如阿帕奇直升机的稳瞄具内就装有激光指示器与瞄准具的光轴自动校准设备。法国霍特导弹使用的VIVIANE稳瞄具内装有一套光轴校准系统，可将瞄准镜、测角仪、热像仪和激光测距机的光轴进行自动校准。虽然在校准光轴平行性方比较成熟，但关于调焦方面的校准还比较少见。目前离轴反射式系统多为焦面调焦，如2012年9月刘磊等人设计的焦面调焦组件可对离轴反射式系统进行调焦[4]。国内在外场环境下的紫外与可见光双光轴平行性校准系统还鲜有报道，且校准系统均无调焦功能，无法检测有限远物体的成像质量。

本文设计了一种外场环境下用来校准紫外与可见光光轴平行性以及可调焦的光学系统，系统采用离轴反射式结构进行设计，主镜为抛物面，次镜为双曲面，并引入高次非球面。在后部添加透镜组，使系统在校准平行性的同时还可用来调焦。其中的自校准部件可以确定校准装置的光轴，保证了校准装置在移动或温度变化后，元件位置发生偏移的随时可校准性。当调焦镜位于初始位置时，出射光为平行光，在此位置进行双光轴平行性校准，校准结束后移动调焦镜便可实现不同视距下成像质量的校准。光路采用折叠设计，整个装置结构紧凑，易于实现轻量化，既可以有效地解决紫外与可见光双光轴平行性失调的问题，还可以检测不同视距下物体的成像质量问题。

1 光学系统的工作原理

本系统需先对校准设备进行自校准，通过自校准建立基准光轴。然后利用校准好的系统对紫外成像系统和电视摄像机光轴平行性进行校准。

基准光轴的建立是为了确定校准设备的光轴并建立校准基准，使校准设备的焦点位于接收部件CCD靶面中心。基准光轴的确立通过轴向校准部件和径向校准部件完成。轴向校准是通过基准CCD摄像机来实现的，将基准CCD摄像机14放于出射光前。在调整光阑孔前后位置的同时观察接收部件靶面上像斑的大小，当像斑尺寸满足精度要求时，认为光阑孔位于系统焦面上。径向校准时将平面平晶15放在出射光前，不断调整光阑孔的位置，使光源发出的光束以平行光出射，经反射镜反射后返回并聚焦于光阑孔上。系统的工作原理如图1所示。

图1 系统工作原理图Fig.1 Diagram of working principle 1.主反射镜； 2.次反射镜； 3.补偿组； 4.调焦组；5,6.调焦移动位置； 7.紫外/可见光半透半反镜； 8,9.紫外/可见光源； 10,11.紫外/可见光扩散板； 12.光阑盘； 13.接收部件；14.基准CCD摄像机； 15.平面平晶；16.被测系统

系统完成自校准后，开始进行紫外成像系统和电视摄像机光轴校准。打开相应光源，分别将透紫外半透半反镜和可见光半透半反镜放置在光路中，使紫外目标靶板成像在紫外成像系统CCD显示器上，可见光目标靶板的像成在电视摄像机显示器上。将紫外成像系统的光轴与校准设备光轴对中，此时，紫外成像系统与校准设备光轴一致。通过软件计算可见光目标靶板十字像中心位置与电视摄像机显示器像素中心位置的偏离程度，即得到紫外成像系统与电视摄像机光轴的偏离程度。

2 光学系统设计

2.1 系统设计要求

系统采用768×494阵列的紫外CCD探测器，像元尺寸为8.4 μm×9.8 μm；可见光部分选用1.27 cm(1/2英寸)CCD，像元尺寸为8.6 μm×8.3 μm。确定光学系统主要技术指标如、所示。

表1 系统技术指标Table 1 System technical specification

2.2 光学系统的结构设计

考虑到本系统特点是大口径长焦距，选取卡塞格林系统进行设计，对主、次镜离轴以避免中心遮拦。非球面近年来在光学系统中得到越来越广泛的应用，相比球面系统，成像质量更好，体积小，质量轻。在校正像差方面，非球面光学零件比球面光学零件有更多的自由度。为了简化光学系统，在光学系统中可以用一个非球面代替多个球面来校正像差，由于工艺技术上的进步，目前在光学系统中采用非球面光学零件越来越普通。本设计在经典的卡塞格林系统上，将主镜和次镜都做成高次曲面，代替原来的二次曲面。因系统需要调焦，故在次镜后加入调焦组及补偿组，用来调焦并补偿像差。

2.2.1 初始结构选型

图2 结构原理图Fig.2 Diagram of structural principle

2.2.2 系统结构的确定

在移动镜组调焦时，系统的焦距值总会有微小的变化，像面的位置总会产生移动，因此对像面的移动必须加以补偿，M3便起到补偿像面的作用。因为此光学系统的相对孔径与调焦范围都比较大，M1和M2组元不可能完全地校正像差,所以M3在像差的校正中应该起到一定的作用，因此结构不能过于简单。

固定组选择离轴卡塞格林结构，主镜为抛物面，次镜为双曲面，调焦组选用两片式结构，可以方便地控制装置带动调焦镜移动。由于调焦组M2的结构比较简单, 因此仅通过前2组镜组无法很好地校正像差, 所以利用以补偿组M3来校正像差。考虑到无穷远还需校准平行性，且紫外和可见光光程不同，故采用不同的补偿组来进行补偿。在两条光路中，调焦组保持不变，紫外和可见光选取不同的材料组合作为补偿组，以补偿因光路不同而造成的像移。

3 光学系统设计结果及像质评价

3.1 紫外部分光学系统设计

确定了各镜组的初始结构后, 将他们组合成物镜系统进行总体优化。由2个反射镜组成的固定组有6个变量, 当对无穷远物体消球差、彗差与色差时，只需用3个变量, 因此利用3个变量来提高近距离物体的成像质量。如果光阑位置处存在球差，那么物距改变后，系统的畸变也会产生差异。对于组合起来的物镜系统，为了对不同视距下的成像质量能够同时加以控制，采用多重数据结构设计，对视距为无穷远和近距离3 种结构同时进行优化。系统调焦位置如图1所示，视距为∞时调焦镜处于位置4，随着物距的变小逐渐向左移动，150 m时位于位置5，70 m时位于位置6。

由于受紫外材料的限制，因此仅部分进行重点分析考虑。其中，调焦组材料MGF2和QUARTZ，结构形式采用双分离形式。补偿组材料为光学性能优良的CAF2和SILICA，也采用双分离形式。经过多次优化后得到系统最终结构由2片反射镜和4片透镜构成。此外，为了提高成像质量，在系统中加入了2个衍射面和4个非球面。主镜和次镜均使用高次非球面来简化系统体积，经过反复的组合优化，最终确定第6面和第7面为非球面，第4面和第9面为衍射面。设计结果表明：加入了衍射面和非球面后极大地减小了系统的球差，衍射面和非球面的组合使用也使系统的色差得到了明显改善。为了综合控制物镜在不同视距下的成像质量，采用光学设计软件( ZEMAX) 中的多重结构(multi-configuration) 设计方法，分别取视距为∞，150 m，70 m来定义在不同组态间变化的设计参数，构建评价函数，设置变量进行优化，通过优化就会生成3个因调焦镜位置不同的结构。

下面分别对紫外部分3个结构进行像质评价。由于此系统具有大孔径、小视场的特点， 因此主要对它的球差、彗差以及色差进行校正。

3.2 光学系统像质评价

1) 当物在无穷远时，传递函数在空间频率为60 lp/mm时，轴上与轴外视场均可达到0.7 以上，像差校正结果如图3所示。

图3 l=∞时光学系统的点列图(a)、传递函数(b)和能量图(c)Fig.3 Spot diagram, MTF and energy diagrams of optical system at l=∞

2) 当物距为150 m时，传递函数在空间频率为60 lp/mm时，轴上与轴外视场均可达到0.8 以上，能量集中度达到90%，整个视场的像质均匀，像面清晰，分辨率较高，对其像差的校正结果如图4所示。

3) 当物距为70 mm时，传递函数在空间频率为60 lp/mm时，轴上与轴外视场均可达到0.78 以上，能量集中度达到90%，整个视场的像质均匀，像面清晰，分辨率较高，对其像差校正结果如图5所示。

当物距由无穷远向近距离变化时, 通过改变调焦镜的位置来保证像面位置不变。这里，调焦镜沿光轴方向的移动距离称为调焦量，因此我们有必要知道对于在调焦范围内的不同物距下相应的调焦量的值，利用软件对光学系统进行分析计算，其结果如表2所示。

图4 l=150 m时光学系统的点列图(a)、传递函数(b)和能量图(c)Fig.4 Spot diagram, MTF and energy diagrams of optical system at l=150 m

图5 l=70 m 时光学系统的点列图(a)、传递函数(b)和能量图(c)Fig.5 Spot diagram, MTF and energy diagrams of optical system at l=70 m

表2 不同视距下的调焦量Table 2 Focusing values at different viewing distances

由表2可见，当物距l变化时,调焦量Δ的变化开始比较缓慢, 随后呈现很快的上升趋势，当物距为70 m时，调焦量为55.2 mm。可以证明，当系统在无穷远和近距离成像质量良好时，该调焦范围内任意距离处光学系统的像质均满足成像质量要求。

3.3 可见光部分光学系统设计

在设计好的紫外系统中更换补偿组，其余部分为公共组，采用双分离形式，材料选为BK7，引入一个衍射面。

当物在无穷远时，传递函数在空间频率为60 lp/mm时，轴上与轴外视场均可达到0.58 以上，像差校正结果如图6所示。

图6 l=∞时光学系统的点列图(a)、传递函数(b)和能量图(c)Fig.6 Spot diagram, MTF and energy diagrams of optical system at l=∞

4 结论

本文设计了一种紫外和可见光可调焦校准光学系统，该系统在实现紫外与可见光双光轴平行性校准的同时，加入了调焦镜来实现调焦功能，可用来检测近距离物体的成像质量。针对传统内调焦设计方法中，对于近距离物体成像质量难以控制的不足，利用多重结构设计的方法从整体上对不同结构同时进行优化。在计算并选定了各镜组的初始结构后从像差校正的角度进行了调整，通过分析与优化，使系统对无穷远与近距离目标均具有较高的光学性能和良好的成像质量。整个物镜系统均选用国产玻璃，曲率、厚度等参数适中，利于加工，确保了镜头的可实现性。实际测试表明，该系统工作性能优良，测试过程快速稳定，测试数据可靠准确，有利于紫外探测系统的调校，为生产实践提供了方便，具有广阔的应用前景。

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