長焦距激光光學系統焦距測試方法分析

摘要：為了對長焦距激光光學系統的焦距進行測試，在自準直原理的基礎上對測試精度進行分析，利用分光鏡、精密測角儀以及波前采集系統等對焦距進行測試，通過CCD探測器對自準直點源進行掃描，本文共介紹兩種激光光學系統焦距的測試方式，即掃描定焦法與質心算法，從該測試結果中能夠看出，此種方法十分適用于長焦距激光光學系統焦距的測試。

關鍵詞：長焦距；激光光學系統；測試方法

在系統裝置中，激光光學系統焦距將對整個光路連接起到直接影響，從而影響著激光傳輸的質量以及打靶性能。為了保障激光的傳輸質量，需要對其在傳輸過程中的系統焦距進行嚴格的把控。在以往傳統的焦距測量中，主要采用的是精密測角法，這種方式需要人工讀數，因此存在較大的誤差。本文將在自準直原理的基礎上對測試精度進行分析，利用分光鏡、精密測角儀以及波前采集系統等對焦距進行測試。

1 系統測試的設計

在測試系統的設計中，主要采用分光鏡、精密測角儀、CCD探測器、控制計算機等設備。在以往的測試中，通常利用光纖激光器來確定點源，中心波長為1053nm，輸出部分的光纖類型為單模，芯徑的長度能夠充分符合被測系統的1倍衍射極限。對于平行光管的焦距要求超過被測系統焦距的35倍，因此在研發平行光管時，需要投入較大的經費，并且對環境的要求十分嚴格，后期的維護費用較高。而目前所采用的光纖點源則能夠有效的克服上述問題。

利用光纖點源的方式進行系統測試，通過點源發出的激光在經過系統后的透射波前能夠決定出點源的位置和資源，將點源放置到五維調節機構當中，則對點源姿態和位置的調整能夠使離焦系數變小，進而確定出點源宇被測光學系統的焦點位置。從點源處散發出的激光，經過光學系統之后將被微透鏡矩陣進行分割，對子孔的平均斜率進行計算，在Shouthwell的模型下對被測系統的透射波前進行計算，計算結果中包含著本身系統的透射波前，需要對系統本身的波前進行標記，在使用的過程中將其剔除，然后進行相對測試[1]。

采用長度為5m的平行光管對波前采集系統進行標定，光管中全口徑的波前峰谷數值應保持在105.3nm以內，在縮束系統口徑范圍內，并且波長為1053nm時，平行光管的波前誤差可以不在考慮范圍之內。在測試中，將縮束系統當作為本底，并且進行十次的相對測試，得知波前采集系統的PV平均值保持在0.089λ左右，RMS的數值約為0.011。CCD探測器是根據靶面的大小與量化位數進行選擇的，靶面的大小應與平面反射鏡旋轉過程中最佳角度相適應，利用定焦算法能夠對點源的移動線量進行計算，因此對于CCD來說，量化位數越高則代表測量的效果越好。在本次測試中，探測器的參數為13μm，靶面的大小為13.3mm×13.3mm，量化的數位為16位。

2 系統測試的方法

2.1 掃描定焦法

對圖像是否定焦的主要檢測方式有灰度方差法、能量譜法，在計算的過程中，需要注意算法的使用應做到快速以及實時測量，并且盡量將周圍的噪聲進行控制，以此來減少對測量結果產生的不良影響。在測試的過程中，首先進行大致的掃描對最為良好的像面位置進行確定，然后逐漸縮小長度，通過掃描定焦法的方式來確定最終最佳的鏡面位置[2]。

在具體的測試過程中，首先將CCD探測器放置在電控平移臺中，并將其當前所在位置標記為S0，以步長l對其進行掃描，每步的點源圖像標記為Ii，i的取值范圍在1k之間，測試中使用的是光纖激光器，因此輸出功率具有較強的穩定性，在均方差上總是超過1%，因此點源圖像的灰度數值最大為Mi，并且以此為依據對最終像面的評價值進行掃描和尋找。當掃描到k點時，Mk即為最大值，此時的Sk的數值，則為原始點S0的數值與kl數值相加之和。然后，以Sk所處的位置為中心，逐漸以h比例縮小掃描的范圍，最終利用探測器以步長t對像面進行掃描，使每個點源的子午與弧矢方向被計算出來，將其作為縱坐標，以掃描的距離為橫坐標，當子午與弧矢同時存在峰值的狀況時，二者所處的位置便是最佳的像面位置[3]。

2.2 質心算法

所謂的質心算法其中包括擬合法、加權質心算法以及亞像元相關法。其中，擬合法在使用過程中，受噪音的影響較大，并且計算較為繁瑣。亞像元相關法雖然具有較高的計算精度，但是其計算數量龐大，因此也不是最佳選擇。故而，本文選用加權質心算法來完成測試。由于點源以灰度為確立的標準，灰度的最大值便是中心區域，點源像的分布有強度之分，與高斯分布相類似，由此可用公式表示為：

其中，I0代表的是在時間T范圍內，向CCD探測器中投射進去的光信號總能量；以（xc，yc）來代表點源像能量的具體位置，也可以被看作為質心的位置；σ代表的是高斯彌散的半徑。從上述測試中能夠得知，光信號能量中的大部分都集中在3σ的范圍內，因此應以灰度最大值作為點源的中心，并且選擇適當的窗口對質心的位置進行進一步的確定，公式為：

其中，像元（i，j）中橫坐標與縱坐標的表示方式為Xij與Yij，而Iij代表的則是像元（i，j）中的灰度值，T代表的是背景閾值。

3 結語

綜上所述，本文在自準直原理的基礎上對測試精度進行分析，利用分光鏡、精密測角儀以及波前采集系統等對焦距進行測試，并且介紹了兩種激光光學系統焦距的測試方式，即掃描定焦法與質心算法，有效克服了以往測試過程中在方法上存在的不足，能夠對長焦距光學系統焦距進行準確測試。本文為了對上述測試方法的有效性進行證實，選取7171焦距的光學系統焦距進行測試，通過對測試結果的分析得知，當擴展不確定度k的數值為2時，將達到最佳的測試效果。

參考文獻：

[1]白瑜.長焦距寬光譜紅外雙波段消熱差探測成像光學系統研究[D].電子科技大學，2017.

[2]李響.空間光學遙感器檢測中大口徑平行光管應用技術研究[D].中國科學院研究生院（長春光學精密機械與物理研究所），2014.

[3]馬韜.多層衍射光學元件設計理論及其在混合光學系統中的應用[D].浙江大學，2016.

作者簡介：丁朝俊（1986），男，漢族，深圳人，本科，當前職務：教師，初級職稱，研究方向：激光、光纖、光學器件。