小視場紅外探頭標定用離軸反射式平行光管設計

于劍 ，張國玉 ，2

(1.長春理工大學 光電工程學院，長春 130022；2.光電測控與光信息傳輸技術教育部重點實驗室，長春 130022))

地球張角是衡量準直式紅外地球模擬器精度的重要指標，而小視場紅外探頭是標定地球模擬器張角的關鍵部件，為測試小視場紅外探頭的視場，采用平行光管與兩軸轉臺相結合的方案對其視場進行標定[1]。本文所設計的離軸反射式平行光管僅作為提供光源的一種載體，為標定被測探頭的視場提供準直光源。

1 小視場紅外探頭視場標定原理

視場標定裝置如圖1所示。離軸反射式平行光管1由離軸拋物面鏡6和平面反射鏡5組成，在平行光管的焦點處放置一個小孔光闌3，小孔光闌的后面為調制器2和黑體1，兩者的作用是使光管產生一定張角的調制平行光。在兩軸轉臺7上放置被測小視場紅外探頭8，探頭為紅外望遠鏡頭，平行光在探頭焦面上的熱敏電阻上成像(熱成像)，使探頭輸出電壓信號。當成像在視場邊界上時，輸出值為峰值的50%左右，由此可確定視場邊界。

2 平行光管方案的確定

透射光學系統由于受到光學材料的限制，很難做到大口徑和輕量化設計，反射式系統受材料限制小，便于輕量化，完全沒有色差，各種波長光線所成的像是嚴格一致完全重合的，可以在紫外到紅外的很大波長范圍內工作，傳輸能量大，系統透過率高。所以擬采用反射式系統。

圖1 小視場紅外探頭視場標定裝置Fig.1 The equipment for calibration of small FOV infrared probe

而在球面反射鏡和非球面反射鏡兩種方案中，球面反射鏡僅有一個參數R決定其面形，它在系統中當光闌位于球心時，不產生像散，球差也很小。非球面其面形是由幾個參數決定的，能使平行光束完善地會聚于一點，但加工難度大。由于被測件精度要求較高，所以選用拋物面反射鏡，為保證反射面不變形，中心厚度應取厚一些。

為使拋物面反射鏡的焦點正好在光軸上，同時光管要求在有效孔徑內不能被遮擋，所以要從大的拋物面鏡中偏離光軸切割出所需孔徑，這樣便成為離軸式拋物面反射鏡[2]。

離軸的特點使平行光管成像不會產生很大的模糊，這一特點是非常有價值的，主要是由于發射或接收的信號都沒有被遮攔。偏斜的反射鏡為平板式，對從紅外平行光管出射的光束進行重導，整個反射鏡的光學特性較為成功。

該光管作為準直光源使用，其原理是在光管離軸拋物面反射鏡焦點處放置一光源，其發出的一束光入射到平面反射鏡后，經反射投射到離軸拋物面反射鏡上，然后形成具有一定準直精度的平行光。

實際使用中，紅外光源是不可能放在焦點處的，通常采用在焦點處放置光闌孔，用具有足夠張角的紅外光源照亮，從而形成等效光源。光闌孔的大小就是拋物面反射鏡焦點上的光源直徑的大小，它決定光管出射的平行光的張角。

3 設計思想

根據系統的技術指標，焦距 f=800mm，有效口徑D=160mm，工作波段14～16m，視場0.1°，準直精度30"。因為平行光管的焦距和口徑都已確定，所以在設計過程中要考慮離軸量h的大小，平面反射鏡的大小及其放置的位置。在設計時，可將平行光管作為對無窮遠目標成像系統來考慮，在同一視場內，離軸量h越大，光學系統成像的彌散斑越大，對系統的成像質量有一定的影響；而離軸量h的增大會增加非球面度和母拋物面直徑，從而增加了加工難度和加工周期，所以在設計時，應盡量減小離軸量h的大小，但離軸量h過小會造成平面反射鏡遮擋出射光束的現象。因此平面反射鏡應放置在不遮擋視場邊緣出射光束的位置上，同時距離光源要有一定距離，考慮到平面反射鏡的結構裝卡需要，圖2中的平面反射鏡上端面至系統下方出射光束的距離a應大于2mm，平面反射鏡的下端面至焦點的距離b應大于10mm就可以滿足上述要求[3]。

圖2 離軸反射式平行光管光路圖Fig.2 Optical path of the Off-axis Parabolic Reflective Collimator

軸對稱二次曲面方程一般表示為：

式中，z為曲面上各點沿光軸方向坐標；r為光線與曲面交點高度；c為頂點曲率；k為二次曲面常量，k=1時二次曲面為拋物面。

根據已知數據，應用ZEMAX軟件進行離軸設計，選取主鏡和次鏡的離軸量，在設計過程中對數據進行調整及優化。優化后系統結構參數如表1所示。

將離軸量h與a、b綜合考慮，經過幾次試取h值后，離軸量h=110mm；主鏡與次鏡距離640mm；平面鏡半徑尺寸為16mm；a大約為8.8mm，b大約為66.7mm，滿足a、b距離的要求。

在設計過程中得到以下結論：

(1)當主鏡的離軸量增大時，平面反射鏡的最大尺寸也在增大，而a也在變大，則平面鏡的可調范圍也越大[4]。

(2)由離軸拋物面反射式平行光管的工作原理可以看出，平面反射鏡只是起到了折轉和折疊光路的作用，因此對平面反射鏡位置的恰當放置可以減輕平行光管的體積和重量[5]。

表1 光學結構參數表Tab.1 Optical structure parameters

圖4 系統點列圖Fig.4 The system spot diagram

圖5 系統調制傳遞函數Fig.5 The system MTF

圖6 系統波前圖Fig.6 The system wavefront map

4 像質評價

由準直度與分辨力之間的關系式

式中： 為準直精度；f'為系統焦距；d為系統最小彌散斑直徑。根據上述公式

系統點列圖如圖4所示，系統各視場的衍射光斑彌散點都在艾里斑之內，且各視場的彌散斑直徑均小于技術指標要求的116.355m，由圖5的MTF曲線圖可以看出各視場傳遞函數曲線也基本與衍射極限重合，而圖 6系統波前圖可以看出波前差為0.0878個波長已經達到1/11個波長。綜合以上像質分析，系統成像質量良好，且達到所要求的準直精度。

5 結論

為實現對紅外探頭進行視場標定，本文設計了一種離軸反射式平行光管，根據所提出的技術指標，確定了平行光管的具體結構參數。針對像質分析看出，該系統像差校正良好，且達到了所提出的準直精度要求，設計方案正確可行。

[1]段潔，孫向陽，張國玉，等.衛星實驗用小型地球模擬器張角測試方法的研究[J].儀器儀表用戶，2008，15(6)：8-10.

[2]楊力，吳時彬，高平起，等.420mm離軸拋物面反射鏡的制造[J].光學技術，1998(3)：44-47.

[3]王響.反射式準直系統設計與檢測[D].中國優秀碩士學位論文全文數據庫，2007.

[4]趙茗，黃德修，劉小英，等.離軸拋物面反射式平行光管的結構設計[J].華中科技大學學報，2005，33(4)：67-69.

[5]田海雷，汪岳峰，張偉.離軸拋物面反射式紅外平行光管設計[J].紅外技術，2007，29(12)：701-707.