近紅外勻光照明系統仿真與測試

楊 雙 ， 朱光武 ， 周 順 ， 張 鋆

（1.中國科學院 國家空間科學中心，北京 100190；2.西安工業大學 陜西 西安 710032；3.中國船舶工業集團公司船舶系統工程部 北京 100036）

在有些飛行器的科研試驗中需要在側面安裝具有一定光束發散角的信標系統。當飛行過程中，地面探測跟蹤設備對飛行器上的信標進行探測和捕獲，來確定飛行器的位置和姿態。

為此文中設計了一種以中心波長808 nm的近紅外勻光照明系統，具有結構緊湊、發散角大、光斑均勻性好等特點。

1 近紅外勻光照明系統設計及優化

近紅外勻光照明系統的光源的波長為808 nm，而半導體激光器（Laser Diode）不僅具有重量輕、體積小、設計簡單等特點，而且有單色性高、方向性高的特性，可被作為理想的信標光源。

半導體激光器出射激光經過光纖耦合后的發散角為十幾度，而地面上的探測跟蹤系統需要在距離飛行器一定距離上夠探測到信標，這要求光纖輸出端的光束發散角增大到90°，這就需要在光纖輸出端配合激光擴束鏡頭來實現。

傳統上的激光擴束鏡頭是采用擴大激光束腰直徑的方法，減小激光發散角，提高激光出射的準直度[1]。而本近紅外勻光照明系統中的采用的激光擴束鏡頭主要作用是使得激光出射光束發散，而且為保證光斑的均勻性，擴束鏡頭需要進行像差設計。對于擴束裝置光學系統的像差分析只需考慮其單色像差，包括球差、彗差、像散、場曲和畸變[2-5]，所以方案采用多透鏡組的結構形式，文中選用的是三組四透鏡以矯正光軸上的像差，結構如圖1所示。

圖1 光學鏡頭結構示意圖Fig.1 Structure diagram of optical lens

根據系統的要求，光學系統的物方數值孔徑為NA=0.22，光譜中心波長λ0=808 nm，光譜帶寬為4 nm，即λ=806～810 nm。為了保證系統外形尺寸要求，選擇光學組件物距L0≤25 mm，透鏡最大邊緣尺寸D≤30 mm，系統總長度≤18 mm.因此選擇合理的光學系統結構[6]進行初始設計。由于本系統不同于傳統的光學系統，其出射的光束是發散的，因此不能用ZEMAX軟件默認的優化函數[4]進行設計。系統的光源為從光纖的出射端面，光纖端面出射的光纖在各個方向上可以認為是均勻的，出射光束的均勻度與照明面上光束的空間角度分布有關，根據此特性，采用不同孔徑的出射角作為根本的評價標準，控制光束的發散角，并設置合理的權重進行優化，得到光學系統的結構如圖2所示。

圖2 ZEMAX仿真光源光纖照射示意圖Fig.2 ZEMAX simulation fiber optic light source irradiation diagram

2 近紅外勻光照明系統的測量

近紅外勻光照明系統的測量主要測試出光發散角和光斑的均勻性。對于小發散角的光束發散角和光斑測量方法常用的有 CCD（Charge-coupled Device）成像測量法，優點是能直觀的測試，缺點是缺點是對于發散角很大的鏡頭出射的激光需要重新設計一套廣角鏡頭來配合使用，可能引入誤差，成本升高而且結構復雜。

而對激光器的發散角和光斑均勻性進行測量，可以轉換成測量距離鏡頭一定距離處的功率。半導體激光器的功率測量方法主要有光電型、熱釋電型、熱偶型3種[7]。由于探頭距離發散透鏡較遠，在探頭處的能量是級的，所以結合上面的幾個測量方法，光電型的功率計線性范圍為納瓦至毫瓦級，適合本測試方案。測試方法示意圖如圖3所示。

圖3 鏡頭測試示意圖Fig.3 Lens test diagram

均勻發散鏡頭通過固定支架固定在步進電機驅動的精密轉臺上，而且保證轉臺的轉軸經過鏡頭出射光線反向延長線的焦點。這樣鏡頭在轉動過程中，可以被看做是鏡頭一直繞著這個虛擬出光點來轉動。然后通過水準儀調整鏡頭的光軸跟探測器的中心在一條直線上，保持探測器位置不變，使得均勻發散鏡頭從-50～50°轉動，用探測器探測所在位置的激光強度。這種測量方法相比與CCD測量法，不需要重新設計廣角鏡頭，節省成本且簡化結構。

精密轉臺采用的恒轉矩均勻細分的電機驅動方法。該方法是通過精確控制電機的相電流，使得相電流的合成矢量恒定[8]。例如步進電機在不細分的整步狀態下的步距角為1.8°，若進行了50細分的狀態，步進電機的步距角僅為0.036°。均勻細分的目的是提高點擊的運轉精度，實現電機步距角的高精度細分，而且能減少步進電機運行時的振動，使得轉臺轉動過程中更加平穩。

測試環境是在光學暗室里，配合高精度轉動平臺測量，能很好的模擬使用過程中的測試環境，來達到相應的測試效果。測試方法如下：

1）將鏡頭通過光具座固定在高精度轉動平臺上；

2）調節鏡頭的光軸跟探頭的中心在一個軸上；

3）通過上位機界面控制高精度轉動平臺向左旋轉直至功率計數值為0；

4）開始向右旋轉，每次旋轉0.1度，并記錄功率計的值；

5）測完一組之后，將光具座上的鏡頭在垂直于光軸的面上旋轉 60°和 120°重復 3）～4）的操作。

需要注意的是激光器本身輸出光功率在一段時間內會有一定的波動，在測量過程中，存在讀數不夠準確的情況。因此在試驗中，采用的是最大最小值求平均值的方法以減小誤差。測試結果如表2所示。

表1 ±50°角度內實際測得的照度值Tab.1 Actual measured illuminance value in ±50°angle

將測得的數據繪圖如下圖4所示，橫坐標表示轉動角度為±45°，縱軸表示實際測得的照度值。

圖4 ±45°角度內均勻性曲線Fig.4 Uniformity of the curve in ±45°angle

結果表明發散角大于90度，而且均勻性在±45°角內達到70%。由上圖可以看出功率值并不是關于0°左右對稱的，有點偏心。

在光學測試中，測試方法都不可避免的存在一定的測試誤差，影響測試精度的因素很多，也非常復雜，最主要的有以下幾個方面：

1）調焦誤差：在光學系統的測試過程中，最終測得的功率值隨著離焦量的增大而減小，調焦精度的高低對測量精度有直接影響的。測試系統應保證各個組件的端面平行，而且同軸，使得功率計所在的位置初始位置恰好落在鏡頭光軸的延長線上。整個測試系統的主體在一個水平導軌上，從中心到邊緣依次放置光纖、待測鏡頭、鏡頭支架和功率計。在測試過程中，雖然步進電機采用電流細分微步距運行的，但仍有一定的振動，導致存在一定的對準誤差。

2）功率計影響：系統采用光電的功率計，直徑為10 mm，在5 m外可以近似看作一個點，但功率探頭的靈敏度也存在一定的測量誤差。半導體激光器會有小于3%的紋波波動，導致讀取功率計數值的時候相應的會有個波動。在此采用讀取最大值和最小值然后取平均值的方法，計算得出的平均值仍與真實值有一定的誤差。

3）鏡頭的裝調：光纖的端面處于透鏡組的焦面不一定完全重合從而導致出光的一定的偏差，可以經過裝調優化解決。

3 結 論

文中針對飛行器飛行試驗中需要信標系統供地面設施探測的需求，設計了一種近紅外勻光照明系統，并采用ZEMAX的仿真和優化。比對常用的CCD測量方法，設計了一種大發散角和光斑均勻性的的測量方法，并通過了實驗驗證。理論計算和實驗測試結果表明，該近紅外勻光照明系統發散角優于90°，而且照度均勻性在±45°角內優于70%，并且該照明系統用于某型機載設備上進行測試，滿足系統應用要求。

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