“日盲”紫外信号目标模拟器光学系统设计

王嘉明，陈宇

（长春理工大学光电工程学院，长春 130022）

“日盲”紫外信号目标模拟器光学系统设计

王嘉明，陈宇

（长春理工大学光电工程学院，长春 130022）

“日盲”紫外探测系统由于工作在日盲区，具有独特的探测优势，在民用和军事领域都得到了广泛的关注和应用。完成了“日盲”紫外信号目标模拟器光学系统的研究和优化设计。基于“日盲”紫外光谱特性，研究目标模拟器的设计的工作原理和设计方法，给出了“日盲”紫外信号目标模拟器的光学系统设计和像差评价。设计完成了一款焦距500mm、相对孔径1/10、波段0.24μm～0.28μm、视场角2°的“日盲”紫外信号目标模拟器系统。系统共采用了4片球面透镜，由两种紫外光学材料组成，光学系统总长540mm，光学传递函数在37lp/mm时大于0.7，畸变小于0.005%，具有成像质量好、结构简单紧凑的优点和很高的应用价值。

紫外光学系统设计；日盲紫外；信号目标模拟器；公差分析

现代光学技术发展十分迅速，己广泛应用于军事、工业、农业等领域［1-4］。紫外光学技术作为现代光学的一个发展方向得到了全世界的广泛关注，也成为了一个研究热点。紫外光学系统，尤其是中波紫外光学系统的发展最快、应用也最广泛最成功。中波紫外具有特殊的性质，该波段会受到臭氧层的强烈吸收，从而形成紫外波段的截止区，也叫做“日盲”紫外区。同样，正是由于中波紫外波段的特点，“日盲”紫外波段探测技术显示了很大的优越性，现在也在向光机电一体化控制系统发展。

由于紫外辐射的固有特点，紫外辐射越来越广泛地应用到紫外信号目标模拟器等领域。与世界其他强国比较，我国的紫外光学系统的发展相对较弱，特别是在紫外成像传感器的系统分辨率和探测距离的差距较大。因此，对“日盲”紫外目标模拟器光学系统的研究对我国紫外探测技术的发展有很重要的推动作用，也是我国紫外探测技术发展的必经之路。采用紫外平行光管光学系统实现紫外目标模拟器有着很重要的应用［5-8］，因此“日盲”紫外平行光管的设计具有重要的现实意义和应用价值。本文分析了“日盲”紫外信号目标模拟器光学系统的工作原理，完成了大相对孔径的“日盲”紫外信号目标模拟器光学系统设计。

1 “日盲”紫外信号目标模拟器系统理论研究

“日盲”紫外辐射源、紫外目标模拟器光学系统、紫外探测器件、信号处理单元和信号接收单元构成了“日盲”紫外目标模拟器系统，如图1所示。“日盲”紫外目标辐射源信号经紫外目标模拟器光学系统成像后被探测器件接收，进而完成信号接收和信号输出，完成“日盲”紫外信号目标的模拟。其中，“日盲”紫外信号目标模拟器为本文研究的主要内容。对“日盲”紫外目标模拟器光学系统中的平行光管进行了研究和优化设计。平行光管类型光学系统是对“日盲”紫外目标模拟器光学系统的研究方案。

图1 “日盲”紫外目标模拟器系统构成

1.1 “日盲”紫外信号目标模拟器工作原理分析

本文采用氘灯作为紫外信号辐射源，用于“日盲”紫外目标信号的产生，氘灯在日盲波段具有光谱连续性，能够使模拟的辐射源具有更高的利用率，满足“日盲”紫外目标模拟器接收单元对接收能量的要求。“日盲”紫外信号目标模拟器光学系统拟采用平行光管类型，设计的基本原理为：放置在平行光管的焦平面位置处紫外目标辐射源经过平行光管光学系统后以平行光的形式从紫外目标模拟系统的出瞳处射出，完成目标辐射源的模拟。综合“日盲”紫外目标模拟光学系统的系统的设计要求，紫外平行光管应该满足大相对口径、长焦距等特点，该设计具有一定的难度。平行光管常与分划板配合使用。

本系统的设计选用口径为17.5mm的分划板，该紫外平行光管视场角计算的表达式为

由公式（1）可以计算出紫外平行光管的视场角约为2°。

由于紫外平行光管也是成像系统，应该满足分辨率的要求，其口径大小决定了平行光管的空间分辨率，根据衍射理论的瑞利判断可知：

公式（2）中，δ为像面上可以分辨的线对数，其倒数为系统的理论分辨率，单位为lp/mm，即每毫米可分辨的线对数；f′为平行光管的焦距；λ为入射波长；D为光学系统的入瞳直径。

1.2 紫外光学系统材料和探测器分析

紫外探测器是紫外探测技术得以实现的重要保证，常用的紫外探测器有光电倍增管、第二代增强型电荷耦合器件和电子倍增电荷耦合器件三种。紫外探测器能精确接收紫外辐射，具有识别能力强、体积小、重量轻、探测灵敏度高的优点。针对“日盲”紫外信号目标模拟器光学系统的设计，对探测器的要求为：

（1）对于大于280nm小于240nm的光谱无响应；

（2）量子效率和探测灵敏度比较高；

（3）抗辐射性能和化学稳定性能强；

（4）背景噪声低；

（5）探测区域广阔。

选取型号为PIXIS的紫外探测器，其具体性能如表1所示。

表1 紫外探测器特性

对于本设计选用常用的紫外光学材料F_SILICA和CAF2，其光学性能如表2所示。

表2 日盲紫外材料特性

1.3 系统设计参数和指标要求

基于以上分析，该紫外平行光管的具体设计指标参数如下：

（1）焦距：500mm

（2）视场角：2°

（3）工作波段：240nm～280nm

（4）光学系统口径：50mm

（5）探测器：型号为PIXIS：2048BUV，空间分辨率在37lp/mm时MTF值大于0.5。

2 设计结果及像质评价

平行光管出射平行光束，可以用于无穷远的紫外信号目标的模拟。大口径长焦距平行光管由于口径大、焦距长，一般釆用反射系统，但反射式系统视场小、有中心遮栏且杂散光较大。因此采用透射式结构实现平行光管的优化设计。选择合适的初始结构，进行优化和设计。采用ZEMAX软件完成设计优化［9，10］后的光学镜头结构数据如下表所示。

表3 光学系统镜头数据

其二维光学系统的结构如图2所示。

图2 光学系统结构图

优化的调制传递函数曲线和在37lp/mm时的MTF曲线分别如图3和图4所示。系统对应的点列图如图5所示。

图3 MTF曲线

图4 37lp/mm对应的MTF曲线

图5 点列图

从点列图可以看出，该紫外光学系统的弥散斑均小于艾里斑大小，满足“日盲”紫外信号目标模拟器光学系统成像质量的要求。

光学系统的场曲和畸变如图6所示。

图6 场曲和畸变

可以看出，系统的场曲和畸变都很小，畸变小于0.005%，几乎无畸变，该光学系统的成像质量很好。

3 系统结构公差设计

当光学系统的口径为有效口径时，半径和牛顿环的变化关系可以表示为光圈，即

其中，N为光圈数，又称牛顿环。D′为有效元件的口径，λ有效波长，R2为被检测表面的原半径，R1为增大后的半径。

根据上面所述的关系式，得到的光学系统的公差数据如表4所示。

4 结论

“日盲”紫外探测技术具有探测精度高、隐身能力强、无需制冷等优点，逐渐成为光电探测技术发展的一个重要方向。本文研究了“日盲”紫外目标模拟器光学系统的工作原理，完成了光学系统的设计和优化分析，为紫外技术的发展提供了新技术、新方法。

表4 光学元件的公差参数

本文对“日盲”紫外信号目标模拟器光学系统进行了优化设计，光学系统均采用球面，通过光学设计优化过程校正了系统的各种像差，系统具有大相对口径和长焦距的特点。此外，通过对点列图、点扩散函数、衍射能量曲线图和MTF曲线图等评价指标的分析，结果表明该光学系统具有高的能量集中度和小的弥散斑尺寸，最终的MTF曲线也符合设计的要求。系统成像质量好、结构简单紧凑、易于加工装调，具有很高的应用价值和实用性。

［1］薛春荣，易葵，魏朝阳，等.真空紫外到深紫外波段基底材料的光学特性［J］.强激光与粒子束，2009，21（2）：287-290.

［2］李炳军，梁永辉.紫外告警技术发展现状［J］.激光与红外工程，2007，10（2）：1033-1035.

［3］李霁野，邱柯妮.紫外光通信在军事通信系统中的应用［J］.光学与光电技术，2005，3（4）19-21.

［4］Georgy Karabadzhak.High-sensitive ultraviolet sensors for rocket exhaust plume and shockwaves plasma diagnostics［C］.SPIE，2011（1952）：75-85.

［5］王嘉明.日盲紫外标模拟器光学系统研究［D］.长春：长春理工大学，2016.

［6］Lavigne C，Durand G，Robin A.Ultraviolet light propagation under low visibility atmospheric conditions and its application to aircraft landing aid［J］. Applied Optics，2006，36（45）：9140-9150.

［7］Stergis C G.Atmospheric transmission in the middle ultraviolet［C］.SPIE，1986（68）：2-10

［8］Kolb C E.The chemical physics of ultraviolet rocket plume signature［C］.SPIE，1988（932）：2-21.

［9］Joscph M.Geafy.Introduction to lens design with practical ZEMAX examples［M］.Willmann-Bell，2002.

［10］袁旭沧.光学设计［M］.北京：北京北京理工大学出版社，1988：264-271.

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，硕士研究生，Email：wjmacm@126.com

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