離軸反射式多光軸平行性測試系統設計

賀祥清　段媛　劉志輝

（四川九洲電器集團有限責任公司，四川綿陽　621000）

離軸反射式多光軸平行性測試系統設計

賀祥清段媛劉志輝

（四川九洲電器集團有限責任公司，四川綿陽621000）

基于光電系統多光軸平行性測試需求，提出了一種大口徑離軸反射式多光軸平行性測試系統的設計方案。該系統沒有中心遮擋、透過率高、像質好，結合CCD和圖像采集處理組件，能夠實時采集激光光斑圖像、可見光圖像和紅外圖像，計算出各光軸之間的偏差，實現光電系統可見光、近紅外和遠紅外光軸平行性測試和校準，具有測試波段寬、測試精度高的優點。

離軸反射式多光軸平行性測試

1　引言

光電系統常配置可見光成像裝置、紅外熱像儀和激光測距機等光電傳感器，覆蓋波段寬，存在可見光、遠紅外和近紅外（激光）3個光軸，光軸之間的平行性制約著光電系統的瞄準精度。

目前常用的光軸平行性測試方法主要有：投影靶法、激光相紙檢測法、五棱鏡法、小口徑平行光管法和大口徑平行光管法等［1-4］。投影靶法和激光相紙檢測法結構簡單，成本低，但隨機誤差較大，精度受限；五棱鏡法常用于檢測雙筒望遠鏡光軸平行性，通用性不強；小口徑平行光管法，口徑小，誤差環節較多，精度不高；大口徑平行光管法常采用離軸拋物面反射鏡產生平行光束，具有口徑大，沒有中心遮攔，透過率高、像質好的優點，被廣泛應用于高精度的多光軸平行性檢測和校正系統中。

本文采用大口徑平行光管法，結合光電檢測和數字圖像處理技術，設計了一套離軸反射式多光軸平行性測試系統，該系統具有實用性強、操作簡單、精度高等特點。

圖1　大口徑離軸反射式多光軸平行性測試系統組成

圖2　平行光管示意圖

2　系統組成

離軸反射式多光軸平行性測試系統由大口徑離軸反射式平行光管、圖像采集處理組件和三維調整平臺組成，如圖1所示。其中，大口徑離軸反射式平行光管包括主反射鏡、次反射鏡、多光譜ZnS分光鏡、CCD、十字靶標和光源、衰減片以及用于自準直的平面反射鏡；圖像采集處理組件包括圖像采集卡、計算機及處理軟件。

2.1平行光管

平行光管為測試系統提供無窮遠目標，滿足全波段工作，光束無中心遮攔。為提高測試系統的檢測精度，采用大口徑長焦距設計，其口徑 D=300mm，焦距 f=3600mm，平行光管示意圖如圖2所示。

圖3　靶標支路MTF

圖4　CCD接收支路MTF

圖5　靶標支路點列圖

圖6　CCD接收支路點列圖

在平行光管中，利用45°放置的多光譜ZnS分光鏡形成一對共軛焦面，在其中一個焦面上放置十字靶標，使用鹵素燈照射，形成多光譜光源，另一個焦面上放置CCD，用于檢測激光光斑位置。當用CCD采集激光光斑時，通過該分光鏡可將十字靶標的自準直像反射到CCD上，得到激光的瞄準中心，當通過平行光路發射激光時，該分光鏡反射激光，在CCD上得到激光光斑的圖像。衰減片用于衰減激光測距機發射的脈沖激光能量，避免損壞CCD。平面反射鏡用于反射十字靶標的自準直像，采用K9玻璃，表面鍍銀和介質保護膜。

2.2圖像采集處理組件

圖像采集處理組件由圖像采集卡、計算機及處理軟件組成，能夠實時采集激光光斑圖像、可見光圖像和紅外圖像，計算出各光軸之間的偏差。

3　測量原理

如圖2所示，在平行光管前放置用于自準直的平面反射鏡，將平行光管十字靶標的自準直像反射到CCD上，記錄此時CCD上十字靶標共軛像的中心坐標（1x，1y），移開平面反射鏡。

在檢測多光軸平行性時，需要選定3個光軸之一作為系統基準軸，本系統中，將光電系統可見光光軸作為基準軸。利用升降平臺將平行光管的十字靶標中心和可見光成像裝置的圖像中心調重合，此時，光電系統的可見光光軸與平行光管光軸平行，作為平行性測試系統的基準軸。

由光電系統激光測距機發射激光光束，用圖像采集處理組件測量出CCD上激光光斑的中心位置（2x，2y），可計算出激光光軸（近紅外光軸）與可見光光軸的平行性偏差角，式中 f為大口徑離軸反射式平行光管的焦距。

用光電系統的紅外熱像儀接收平行光管的平行光束，通過圖像采集處理組件測量出紅外熱像儀圖像上的平行光管十字靶標中心與紅外熱像儀的圖像中心的偏移量（3x，3y），可計算出遠紅外光軸與可見光光軸的平行性偏差角，式中f′為光電系統紅外熱像儀的焦距。

調節光電系統紅外熱像儀圖像上的平行光管十字靶標中心與紅外熱像儀的圖像中心重合。由激光測距機發射激光光束，用圖像采集處理組件測量出CCD上激光光斑的中心位置（4x，4y），可計算出近紅外光軸與遠紅外光軸的平行性偏差角

4　離軸反射式平行光管設計

大口徑離軸反射式平行光管口徑 D=3 0 0 m m，焦距f=3600mm，視場 2ω-0.3°，工作波段 λ=0.5μm～10μm，主反射鏡和次反射鏡均為非球面，變量較多，便于優化設計，平行光管光路如圖2所示。本系統中工作波段越長，光學設計越容易達到衍射極限，因此設計過程中主要考慮1.064μm的近紅外激光波段。

調制傳遞函數MTF是光學系統性能判據中最全面的判據，特別是對于成像系統，它能全面定量地反映光學系統的衍射和像差所引起的綜合效應。MTF值（模量傳遞函數）是對鏡頭的銳度、反差和分辨率進行綜合評價的數值，是體現光學系統優劣的一個綜合指標，其值是介于0到1之間的數值，對于紅外系統一般要求探測器截止頻率處的MTF達到衍射極限的70%～80%左右為優。本系統在室溫條件下使用，調制傳遞函數MTF如圖3和圖4所示。

光學像質評價常用點列圖，點列圖中點的分布可以近似地代表像點的能量分布，利用這些點的密集程度能夠衡量系統成像質量的好壞。點列圖的分布密集狀態可以用均方根半徑值來表示，均方根半徑值反映了光能的集中程度，與幾何最大半徑值相比，更能反映系統的成像質量，如果點列圖的均方根半徑值接近或小于愛里斑半徑，則系統接近衍射極限。室溫條件下，1.064μm處的點列圖如圖5和圖6所示。

從靶標支路和CCD接收支路的MTF曲線和點列圖可以看出，測試系統接近衍射極限，光能較為集中，滿足測試系統使用要求。

5　系統誤差分析

測量誤差是評價測試系統能力的一項重要指標，測量誤差越小，測試系統的精度越高。本測試系統的測量誤差主要來源于平行光管的光學系統誤差、CCD采集系統的像元分辨率以及被測光電系統的可見光成像裝置和紅外熱像儀的像元分辨率［5］。

平行光管光學系統誤差主要來源于光學系統衍射條件限制和慧差、像散以及光學加工誤差。光學系統像質受衍射限制，彌散斑為愛里斑，愛里斑直徑為d，對由衍射造成的軸上光線不平行性用光線的發散角θ ′表示，θ1′-arctan（d2f ）×3600′。對于軸外物點，存在慧差1和像散，用弧矢慧差角彌散 θ2′表示，式中：ω 為半視場角，。光學加工誤差造成一定的像差，引起光學系統存在一定的光線平行差。設主反射鏡面形加工誤差為λ，次反射鏡面形加工誤差為λ，由光學加工誤差造成的波像差（1）近紅外與可見光光軸平行性測量誤差。設CCD采集系統的像元尺寸為5.2μm，對于焦距 f=3600mm的平行光管，像元分辨率θ2-0.3′，設可見光成像裝置像元分辨率為 θ3-3′，則近紅外與可見光光軸一致性測量誤差為

Δω-fffff6，光學系統的孔徑角為u-fffff5，光學系統的球差為LA-fffff4，球差引起的光線不平行差θ′-arctan（LA* u f）。經分析3平行光管光學系統誤差為

（2）遠紅外與可見光光軸平行性測量誤差。設紅外熱像儀的像元尺寸為0.03mm，焦距為300mm，則紅外熱像儀的像元分辨率約為20′，通過像元細分技術，可得到45θ′′-的精度，則遠紅外與可見光光軸一致性測量誤差為

（3）近紅外與遠紅外光軸平行性測量誤差。由上面的分析可知，近紅外與遠紅外光軸一致性測量誤差為- ±5.03′。

6　結語

本文基于大口徑離軸反射式平行光管，設計了一套多光軸平行性測試系統，該系統沒有中心遮擋，透過率高、像質好，結合CCD和圖像采集處理組件，能夠實時采集激光光斑圖像、可見光圖像和紅外圖像，計算出各光軸之間的偏差，避免了人眼主觀判斷而引入的誤差。本系統具有測試波段寬、測試精度高、操作簡單等優點，能滿足光電系統多光軸平行性測試要求。

［1］曾嫦娥，張俊生，沙定國，等.脈沖激光測距機接收軸與瞄準軸平行性測試方法研究［J］.光學技術，2005， 31（增刊）：112-117.

［2］黃戰華，廖可，朱猛，等.光電瞄具多光軸平行性檢測系統的設計與研究［J］.激光技術，2013， 37（5）：571-576.

［3］富容國，常本康，錢蕓生，等.激光指示器光軸調校技術［J］.光學技術，2007，33（2）：239-240.

［4］馬世幫，楊紅，楊照金，等.光電系統多光軸平行性校準方法的研究［J］.應用光學，2011， 32（5）：917-921.

［5］黃靜，劉朝暉，折文集，等.室內多波段光電一致性測試系統的設計［J］.應用光學，2007，28（5）：663-666.

賀祥清（1978-），男，四川資陽人，碩士，主任設計師，工程師，研究方向：光電探測。