基于日盲紫外像增強器的大孔徑透射式紫外光學系統設計

王淼鑫，程宏昌，李進波

基于日盲紫外像增強器的大孔徑透射式紫外光學系統設計

王淼鑫1,2，程宏昌1,2，李進波1

（1. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2. 微光夜視技術重點實驗室，陜西 西安 710065）

以微光夜視技術重點實驗室研制的AlGaN光陰極日盲紫外像增強器為基礎，設計了一款匹配于日盲紫外像增強器的紫外光學系統，以提升探測器的探測性能。光學系統的工作波段在240～280nm，視場角40°，相對孔徑為1/2.5。系統由5塊標準球面鏡組成，光學系統總長50.74mm；光學傳遞函數在空間頻率為40lp/mm時，軸上不小于0.8，軸外不小于0.6；成像質量良好，結構緊湊，滿足設計要求。

紫外告警系統；日盲紫外；紫外光學設計；像質分析

0 引言

在太陽輻射波段中，受到大氣衰減的影響，200～300nm紫外輻射被臭氧層吸收而無法到達地球表面，被稱為“日盲區”。由于導彈尾部燃料的燃燒，產生的輻射范圍從短波紫外到可見光譜，為紫外告警提供可能。紫外告警技術正是通過對導彈尾焰中“日盲”紫外波段的探測，對目標進行判斷及定位，從而采取有效的規避及攔截手段。紫外告警系統對目標的探測優勢在于：紫外背景輻射較少、被動式探測、結構簡化、可靠性高且兼容性強[1]。

國內的紫外告警技術研究起步較晚，目前國內紫外告警系統的告警距離與國外告警距離存在差距，而光學系統相對孔徑的提高與系統透過率的增大可提高告警系統的告警距離，達到國外告警的距離水平。

紫外告警技術針對光學系統而言，要求光學系統具有大視場與大相對孔徑、結構簡單、光能損失較小等特點。國內已有的紫外光學系統的設計中，文獻[2]中，光學系統由6片透鏡組成，視場8°，系統的相對孔徑為1/3.5，采用標準球面鏡進行設計。文獻[3]中，光學系統由5片透鏡組成，系統的視場為40°，相對孔徑為1/3，系統采用一個衍射元件和兩個非球面校正像差，非標準球面鏡的使用增加了系統加工的難度與成本。文獻[4]中，光學系統由6片透鏡組成，相對孔徑達到1/2，采用標準球面鏡，但是系統視場角較小，僅有10°，滿足長焦距的特點但不滿足大視場要求。同樣在文獻[5]中，光學系統采用了卡塞格林系統，應用于對日盲紫外太陽跟蹤預警系統的研究，視場角只有1°，但滿足長焦距的特點。

本文主要工作是設計工作波段與AlGaN光陰極日盲紫外像增強器光譜響應范圍相匹配的光學系統。與上述已有的光學系統相比，具有大視場，大相對孔徑的特點，對于紫外輻射的會聚能力更強，且系統由5片透鏡構成，減少了光能損失。光學系統的傳遞函數滿足探測器需求，成像質量良好且系統均采用標準球面結構進行設計，更有利于加工，避免了使用非球面與衍射元件為加工帶來的難度。

1 日盲紫外告警系統

日盲紫外告警系統是由光學系統、光電轉換系統、接收系統組成。日盲紫外告警系統工作原理（如圖1所示）是探測導彈尾焰輻射在200～300nm的波段并對其所觀測的空間區域進行成像。由于在太陽輻射波段中，200～300nm的紫外輻射被臭氧層吸收而無法到達地球表面，因此200～300nm的紫外光譜區被稱為“日盲區”，為紫外告警系統提供良好的背景條件[6]。日盲紫外告警系統工作方式是光學系統將所接收到的輻射進行過濾保證進入光學系統的輻射在工作波段內，進入光電陰極引起光譜響應將光子轉換成電子，后經微通道板在高壓加速的情況下倍增的電子轟擊熒光屏后，穿過反射鋁膜激發熒光粉進行發光成像在熒光屏上，并通過光錐耦合將所成的像照射在高靈敏CCD成像傳感器上，目標將以一個點源的形式表征于圖像上，經數字化后根據時間及空間特性進行信號處理，實時探測并判斷精確方向得出位置并進行距離的估算。本文采用日盲紫外像增強器進行成像，紫外告警系統是以紫外探測器件為核心，接受來自目標或者目標反射的紫外輻射信號，經過紫外探測成像器件進行光電轉換，電子倍增，信號轉換以后進行輸出[7]。

圖1 紫外告警系統原理圖

2 光學系統設計

2.1 光學系統的設計指標

工作波段：240～280nm

視場角：2＝40°

焦距：￠＝21.22mm

探測器像元尺寸為：11.9mm×11.9mm

2.2 光學系統的選型與初始結構的確定

紫外光學系統分為折射式光學系統、反射式光學系統和折返式光學系統。折射式光學系統具有大視場、透過率高等特點，但基本結構形式選擇取決于多方面因素影響，且像差校正較難。由于本文設計的是大視場光學系統，反射式光學系統在實現大視場時，結構尺寸以及遮攔都比較大，系統的布局困難，成像質量較好但對雜散輻射較為敏感，有較大的能量損失。折反式系統可采用球面鏡作為主鏡減少加工難度，滿足高分辨率及相對孔徑大的要求，但是中心存在遮攔，檢驗裝調比較復雜。由于探測波段在紫外的日盲波段，能量低，為保證能量盡可能被探測到，選擇折射式光學系統。

在光組的設計中，初始結構的確定一般分為解析法（PW法）與縮放法兩種情況，因此需要根據實際情況選擇合適的方法，再利用相關軟件進行分析。對于像差的校正與優化通常是通過透鏡的厚度、透鏡的曲率、透鏡材料等相關因素的相互配合完成，通常也會采取其他方法如改變面形與增加多重結構等。根據設計要求，查閱相關文件，確定初始結構參數為：工作波長為240～280nm，視場角為10°，焦距為126.8mm，相對孔徑為1/4的鏡頭作為本設計的初始結構。

2.3 光學系統的設計難點

紫外光學系統設計中需對系統的像差進行校正，對于紫外系統而言，影響系統最大像差是色差的影響。校正色差的方法是選擇兩種阿貝數差異較大的玻璃進行雙膠合或者雙分離透鏡的設計。但在紫外波段中，光學玻璃材料的選擇性不大且色散系數的差別較小，因此紫外光學系統的色差校正較為困難。而系統相對孔徑較大，意味著光學材料的折射率更高，但是紫外玻璃選擇十分有限，折射率小于1.46，因此在設計中會導致透鏡數量的增加或者透鏡厚度的變大，降低光學系統的透過率，增大設計難度。

2.4 光學系統的設計過程

因此，本文的設計思路是根據選擇的初始結構，將其各尺寸乘以縮放比先進行縮放，得到所要求的結構。縮放后的結構，其視場角和相對孔徑的大小不符合設計要求，因此在后期優化中不斷提高視場角和相對孔徑的大小，其中視場角的大小按照10°、20°、30°、40°遞增，相對孔徑的大小按照1/4、1/3、1/2.5增加。對于縮放后的初始結構的優化按照塞得和數系數對光學系統的影響進行優化。進行縮放焦距后，控制曲率半徑與透鏡間隔進行優化，提高成像質量并避免透鏡表面進行重疊失形，進而對鏡片厚度進行控制，確保系統的合理性。增大視場時考慮邊緣視場的像差影響，設置合理的漸暈攔截掉邊緣不利于成像的光線。

為了保證進入系統的波長在工作波段范圍內，需要在設計過程中在光學系統前端增加一個濾光片。又由于光學系統是基于AlGaN光陰極日盲紫外像增強器的基礎上進行設計的，因此光學系統成像的像面應該是日盲紫外像增強器的光電陰極表面，由于光電陰極存在一層窗口玻璃基底，因此需要成像在光電陰極窗口玻璃的后端。在光學系統結構設計合理后，加入窗口玻璃的模型，進而對系統繼續優化，以保證成像質量。經過選型，擴大視場角與增大相對孔徑，加入濾光片與光電陰極的窗口玻璃優化后，得到最終的光學系統。由5片透鏡組成，其中第一片、第三片與第四片材料為CaF2，第二片和第五片的材料為紫外熔石英。完成設計后的光學系統二維結構如圖2所示。

2.5 像質評價

紫外告警系統中的紫外光學系統不僅要對目標輻射的能量進行收集探測，還需進行精確成像。因此不能僅僅只用傳統評價光學系統成像質量的光學傳遞函數曲線作為絕對指標來評價，還需要結合光學系統的衍射能量分布曲線圖等來共同評判其成像質量的優劣。本文采用了像點衍射能量分布圖、點列圖、點擴散函數圖、光學系統的相對照度圖及光學傳遞函數曲線圖（modulation transfer function，MTF）等共同作為紫外光學系統的評價標準。

圖2 優化后的光學系統二維結構圖

圖3為光學系統的衍射能量分布圖，是以離主光線或物點的像的重心的距離為函數的包圍能量圈占總能量的百分比。由圖3可看出像素點大小在7mm時，各個視場的衍射的包圍能量圈能夠達到80%；像素點大小在8mm時，各個視場的衍射的包圍能量圈能夠達到90%；10mm時各個視場已逐漸接近衍射極限，說明此時光線基本成像的范圍在10mm，滿足成像在一個像元大小內。

圖3 衍射能量分布圖

圖4所示為光學系統的點列圖。點列圖形成原因是在光線成像的過程中，由一點發出的許多光線經過光學系統成像以后，由于像差存在導致光線與像面不會交于一點而是分布在一定范圍內的彌散斑圖形。由圖4可知，彌散斑的半徑約7.54mm，實驗室使用的CCD像元面積約11.9mm，滿足設計要求。

圖5為光學系統的點擴散函數圖，點擴散函數是指一個理想的幾何物點，經過光學系統后其像點的能量展開情況。利用快速傅里葉變換的方法近似計算衍射的點擴散函數。由圖5可知，對于經過光學系統會聚在像點的光強能量展開較少，能量集中度較好。

圖6為光學系統的相對照度圖，是像面單位面積的響度強度，是計算以徑向視場坐標為函數的相對照度。由圖6可知，整個像面照度均勻，在0.7視場即對應圖中14°時的能量達到80%；邊緣視場的照度值達到50%。由于設置漸暈，邊緣視場相對于中心視場的照度下降幅度較大，但整體比較均勻。

圖4 光學系統的點列圖

圖5 光學系統點擴散函數圖

圖6 光學系統的相對照度圖

圖7為光學系統的光學傳遞函數圖（MTF圖），反映了光學系統對不同頻率成分的傳遞能力。由光學傳遞函數圖（MTF圖）可知系統內各個視場的MTF曲線平直，系統的0.7視場與邊緣視場均具備良好的成像質量。在空間頻率為40lp/mm時，軸上不小于0.8，軸外不小于0.6，滿足探測器需求，成像質量良好。

3 總結

本文根據日盲紫外告警系統的特點設計了滿足探測要求的紫外光學系統。該系統的工作波段在240～280nm，采用5片透鏡組成，且結構均為標準球面鏡，透鏡材料為氟化鈣和紫外熔石英，成像在日盲紫外像增強器的光電陰極的窗口玻璃后，具有大相對孔徑的特點。焦距為21.22mm，視場角為40°，相對孔徑為1/2.5。從系統的點列圖、能量分布曲線圖、MTF曲線圖分析可知，光學系統的成像質量好、結構簡單緊湊、易于加工，具有很高的應用價值和實用性，滿足導彈告警系統的使用要求。

圖7 光學系統的光學傳遞函數圖

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Design of Large Aperture Transmission Ultraviolet Optical System Based on Solar-blind Ultraviolet Image Intensifier

WANG Miaoxin1,2，CHENG Hongchang1,2，LI Jinbo1

(1.,650223,;2.,710065,)

Based on the AlGaN photocathode solar-blind UV image intensifier developed by the Science and Technology on Low-Light-Level Night Vision Laboratory, this study designs a UV optical system that matches the solar-blind UV image intensifier to improve the detection performance of the detector. The working wavelength of the optical system is 240-280nm, the field of view is 40°, and the relative aperture is 1/2.5. The system consists of five lenses that are all spherical mirrors, and the total length of the optical system is 50.74mm. When the optical transfer function is 40lp/mm, the on- and off-axes are greater than or equal to 0.8 and 0.6, respectively. The imaging quality is good, and the structure is compact to meet the design requirements.

ultraviolet warning system, solar blind ultraviolet, optical design, image quality analysis

TN23

A

1001-8891(2021)02-0127-04

2020-12-24；

2021-01-19.

王淼鑫（1996-），男，碩士研究生，主要從事紫外探測方面研究。E-mail：wmxin24@163.com。

程宏昌（1974-），男，研究員級高工，主要從事微光夜視器件、紫外成像器件等研究。E-mail：chh600@163.com。