“日盲”紫外信號目標模擬器光學系統設計

王嘉明，陳宇

（長春理工大學光電工程學院，長春 130022）

“日盲”紫外信號目標模擬器光學系統設計

王嘉明，陳宇

（長春理工大學光電工程學院，長春 130022）

“日盲”紫外探測系統由于工作在日盲區，具有獨特的探測優勢，在民用和軍事領域都得到了廣泛的關注和應用。完成了“日盲”紫外信號目標模擬器光學系統的研究和優化設計?；凇叭彰ぁ弊贤夤庾V特性，研究目標模擬器的設計的工作原理和設計方法，給出了“日盲”紫外信號目標模擬器的光學系統設計和像差評價。設計完成了一款焦距500mm、相對孔徑1/10、波段0.24μm～0.28μm、視場角2°的“日盲”紫外信號目標模擬器系統。系統共采用了4片球面透鏡，由兩種紫外光學材料組成，光學系統總長540mm，光學傳遞函數在37lp/mm時大于0.7，畸變小于0.005%，具有成像質量好、結構簡單緊湊的優點和很高的應用價值。

紫外光學系統設計；日盲紫外；信號目標模擬器；公差分析

現代光學技術發展十分迅速，己廣泛應用于軍事、工業、農業等領域［1-4］。紫外光學技術作為現代光學的一個發展方向得到了全世界的廣泛關注，也成為了一個研究熱點。紫外光學系統，尤其是中波紫外光學系統的發展最快、應用也最廣泛最成功。中波紫外具有特殊的性質，該波段會受到臭氧層的強烈吸收，從而形成紫外波段的截止區，也叫做“日盲”紫外區。同樣，正是由于中波紫外波段的特點，“日盲”紫外波段探測技術顯示了很大的優越性，現在也在向光機電一體化控制系統發展。

由于紫外輻射的固有特點，紫外輻射越來越廣泛地應用到紫外信號目標模擬器等領域。與世界其他強國比較，我國的紫外光學系統的發展相對較弱，特別是在紫外成像傳感器的系統分辨率和探測距離的差距較大。因此，對“日盲”紫外目標模擬器光學系統的研究對我國紫外探測技術的發展有很重要的推動作用，也是我國紫外探測技術發展的必經之路。采用紫外平行光管光學系統實現紫外目標模擬器有著很重要的應用［5-8］，因此“日盲”紫外平行光管的設計具有重要的現實意義和應用價值。本文分析了“日盲”紫外信號目標模擬器光學系統的工作原理，完成了大相對孔徑的“日盲”紫外信號目標模擬器光學系統設計。

1 “日盲”紫外信號目標模擬器系統理論研究

“日盲”紫外輻射源、紫外目標模擬器光學系統、紫外探測器件、信號處理單元和信號接收單元構成了“日盲”紫外目標模擬器系統，如圖1所示?！叭彰ぁ弊贤饽繕溯椛湓葱盘柦涀贤饽繕四M器光學系統成像后被探測器件接收，進而完成信號接收和信號輸出，完成“日盲”紫外信號目標的模擬。其中，“日盲”紫外信號目標模擬器為本文研究的主要內容。對“日盲”紫外目標模擬器光學系統中的平行光管進行了研究和優化設計。平行光管類型光學系統是對“日盲”紫外目標模擬器光學系統的研究方案。

圖1 “日盲”紫外目標模擬器系統構成

1.1 “日盲”紫外信號目標模擬器工作原理分析

本文采用氘燈作為紫外信號輻射源，用于“日盲”紫外目標信號的產生，氘燈在日盲波段具有光譜連續性，能夠使模擬的輻射源具有更高的利用率，滿足“日盲”紫外目標模擬器接收單元對接收能量的要求?！叭彰ぁ弊贤庑盘柲繕四M器光學系統擬采用平行光管類型，設計的基本原理為：放置在平行光管的焦平面位置處紫外目標輻射源經過平行光管光學系統后以平行光的形式從紫外目標模擬系統的出瞳處射出，完成目標輻射源的模擬。綜合“日盲”紫外目標模擬光學系統的系統的設計要求，紫外平行光管應該滿足大相對口徑、長焦距等特點，該設計具有一定的難度。平行光管常與分劃板配合使用。

本系統的設計選用口徑為17.5mm的分劃板，該紫外平行光管視場角計算的表達式為

由公式（1）可以計算出紫外平行光管的視場角約為2°。

由于紫外平行光管也是成像系統，應該滿足分辨率的要求，其口徑大小決定了平行光管的空間分辨率，根據衍射理論的瑞利判斷可知：

公式（2）中，δ為像面上可以分辨的線對數，其倒數為系統的理論分辨率，單位為lp/mm，即每毫米可分辨的線對數；f′為平行光管的焦距；λ為入射波長；D為光學系統的入瞳直徑。

1.2 紫外光學系統材料和探測器分析

紫外探測器是紫外探測技術得以實現的重要保證，常用的紫外探測器有光電倍增管、第二代增強型電荷耦合器件和電子倍增電荷耦合器件三種。紫外探測器能精確接收紫外輻射，具有識別能力強、體積小、重量輕、探測靈敏度高的優點。針對“日盲”紫外信號目標模擬器光學系統的設計，對探測器的要求為：

（1）對于大于280nm小于240nm的光譜無響應；

（2）量子效率和探測靈敏度比較高；

（3）抗輻射性能和化學穩定性能強；

（4）背景噪聲低；

（5）探測區域廣闊。

選取型號為PIXIS的紫外探測器，其具體性能如表1所示。

表1 紫外探測器特性

對于本設計選用常用的紫外光學材料F_SILICA和CAF2，其光學性能如表2所示。

表2 日盲紫外材料特性

1.3 系統設計參數和指標要求

基于以上分析，該紫外平行光管的具體設計指標參數如下：

（1）焦距：500mm

（2）視場角：2°

（3）工作波段：240nm～280nm

（4）光學系統口徑：50mm

（5）探測器：型號為PIXIS：2048BUV，空間分辨率在37lp/mm時MTF值大于0.5。

2 設計結果及像質評價

平行光管出射平行光束，可以用于無窮遠的紫外信號目標的模擬。大口徑長焦距平行光管由于口徑大、焦距長，一般釆用反射系統，但反射式系統視場小、有中心遮欄且雜散光較大。因此采用透射式結構實現平行光管的優化設計。選擇合適的初始結構，進行優化和設計。采用ZEMAX軟件完成設計優化［9，10］后的光學鏡頭結構數據如下表所示。

表3 光學系統鏡頭數據

其二維光學系統的結構如圖2所示。

圖2 光學系統結構圖

優化的調制傳遞函數曲線和在37lp/mm時的MTF曲線分別如圖3和圖4所示。系統對應的點列圖如圖5所示。

圖3 MTF曲線

圖4 37lp/mm對應的MTF曲線

圖5 點列圖

從點列圖可以看出，該紫外光學系統的彌散斑均小于艾里斑大小，滿足“日盲”紫外信號目標模擬器光學系統成像質量的要求。

光學系統的場曲和畸變如圖6所示。

圖6 場曲和畸變

可以看出，系統的場曲和畸變都很小，畸變小于0.005%，幾乎無畸變，該光學系統的成像質量很好。

3 系統結構公差設計

當光學系統的口徑為有效口徑時，半徑和牛頓環的變化關系可以表示為光圈，即

其中，N為光圈數，又稱牛頓環。D′為有效元件的口徑，λ有效波長，R2為被檢測表面的原半徑，R1為增大后的半徑。

根據上面所述的關系式，得到的光學系統的公差數據如表4所示。

4 結論

“日盲”紫外探測技術具有探測精度高、隱身能力強、無需制冷等優點，逐漸成為光電探測技術發展的一個重要方向。本文研究了“日盲”紫外目標模擬器光學系統的工作原理，完成了光學系統的設計和優化分析，為紫外技術的發展提供了新技術、新方法。

表4 光學元件的公差參數

本文對“日盲”紫外信號目標模擬器光學系統進行了優化設計，光學系統均采用球面，通過光學設計優化過程校正了系統的各種像差，系統具有大相對口徑和長焦距的特點。此外，通過對點列圖、點擴散函數、衍射能量曲線圖和MTF曲線圖等評價指標的分析，結果表明該光學系統具有高的能量集中度和小的彌散斑尺寸，最終的MTF曲線也符合設計的要求。系統成像質量好、結構簡單緊湊、易于加工裝調，具有很高的應用價值和實用性。

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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，碩士研究生，Email：wjmacm@126.com

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