楊 雙 ， 朱光武 ， 周 順 ， 張 鋆

（1.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190；2.西安工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710032；3.中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司船舶系統(tǒng)工程部 北京 100036）

在有些飛行器的科研試驗(yàn)中需要在側(cè)面安裝具有一定光束發(fā)散角的信標(biāo)系統(tǒng)。當(dāng)飛行過程中，地面探測(cè)跟蹤設(shè)備對(duì)飛行器上的信標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和捕獲，來確定飛行器的位置和姿態(tài)。

為此文中設(shè)計(jì)了一種以中心波長(zhǎng)808 nm的近紅外勻光照明系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、發(fā)散角大、光斑均勻性好等特點(diǎn)。

1 近紅外勻光照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

近紅外勻光照明系統(tǒng)的光源的波長(zhǎng)為808 nm，而半導(dǎo)體激光器（Laser Diode）不僅具有重量輕、體積小、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，而且有單色性高、方向性高的特性，可被作為理想的信標(biāo)光源。

半導(dǎo)體激光器出射激光經(jīng)過光纖耦合后的發(fā)散角為十幾度，而地面上的探測(cè)跟蹤系統(tǒng)需要在距離飛行器一定距離上夠探測(cè)到信標(biāo)，這要求光纖輸出端的光束發(fā)散角增大到90°，這就需要在光纖輸出端配合激光擴(kuò)束鏡頭來實(shí)現(xiàn)。

傳統(tǒng)上的激光擴(kuò)束鏡頭是采用擴(kuò)大激光束腰直徑的方法，減小激光發(fā)散角，提高激光出射的準(zhǔn)直度[1]。而本近紅外勻光照明系統(tǒng)中的采用的激光擴(kuò)束鏡頭主要作用是使得激光出射光束發(fā)散，而且為保證光斑的均勻性，擴(kuò)束鏡頭需要進(jìn)行像差設(shè)計(jì)。對(duì)于擴(kuò)束裝置光學(xué)系統(tǒng)的像差分析只需考慮其單色像差，包括球差、彗差、像散、場(chǎng)曲和畸變[2-5]，所以方案采用多透鏡組的結(jié)構(gòu)形式，文中選用的是三組四透鏡以矯正光軸上的像差，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光學(xué)鏡頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of optical lens

根據(jù)系統(tǒng)的要求，光學(xué)系統(tǒng)的物方數(shù)值孔徑為NA=0.22，光譜中心波長(zhǎng)λ0=808 nm，光譜帶寬為4 nm，即λ=806～810 nm。為了保證系統(tǒng)外形尺寸要求，選擇光學(xué)組件物距L0≤25 mm，透鏡最大邊緣尺寸D≤30 mm，系統(tǒng)總長(zhǎng)度≤18 mm.因此選擇合理的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[6]進(jìn)行初始設(shè)計(jì)。由于本系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)，其出射的光束是發(fā)散的，因此不能用ZEMAX軟件默認(rèn)的優(yōu)化函數(shù)[4]進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的光源為從光纖的出射端面，光纖端面出射的光纖在各個(gè)方向上可以認(rèn)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(guān)，根據(jù)此特性，采用不同孔徑的出射角作為根本的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，控制光束的發(fā)散角，并設(shè)置合理的權(quán)重進(jìn)行優(yōu)化，得到光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(tǒng)的測(cè)量

近紅外勻光照明系統(tǒng)的測(cè)量主要測(cè)試出光發(fā)散角和光斑的均勻性。對(duì)于小發(fā)散角的光束發(fā)散角和光斑測(cè)量方法常用的有 CCD（Charge-coupled Device）成像測(cè)量法，優(yōu)點(diǎn)是能直觀的測(cè)試，缺點(diǎn)是缺點(diǎn)是對(duì)于發(fā)散角很大的鏡頭出射的激光需要重新設(shè)計(jì)一套廣角鏡頭來配合使用，可能引入誤差，成本升高而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

而對(duì)激光器的發(fā)散角和光斑均勻性進(jìn)行測(cè)量，可以轉(zhuǎn)換成測(cè)量距離鏡頭一定距離處的功率。半導(dǎo)體激光器的功率測(cè)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(fā)散透鏡較遠(yuǎn)，在探頭處的能量是級(jí)的，所以結(jié)合上面的幾個(gè)測(cè)量方法，光電型的功率計(jì)線性范圍為納瓦至毫瓦級(jí)，適合本測(cè)試方案。測(cè)試方法示意圖如圖3所示。

圖3 鏡頭測(cè)試示意圖Fig.3 Lens test diagram

均勻發(fā)散鏡頭通過固定支架固定在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密轉(zhuǎn)臺(tái)上，而且保證轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)軸經(jīng)過鏡頭出射光線反向延長(zhǎng)線的焦點(diǎn)。這樣鏡頭在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，可以被看做是鏡頭一直繞著這個(gè)虛擬出光點(diǎn)來轉(zhuǎn)動(dòng)。然后通過水準(zhǔn)儀調(diào)整鏡頭的光軸跟探測(cè)器的中心在一條直線上，保持探測(cè)器位置不變，使得均勻發(fā)散鏡頭從-50～50°轉(zhuǎn)動(dòng)，用探測(cè)器探測(cè)所在位置的激光強(qiáng)度。這種測(cè)量方法相比與CCD測(cè)量法，不需要重新設(shè)計(jì)廣角鏡頭，節(jié)省成本且簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。

精密轉(zhuǎn)臺(tái)采用的恒轉(zhuǎn)矩均勻細(xì)分的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方法。該方法是通過精確控制電機(jī)的相電流，使得相電流的合成矢量恒定[8]。例如步進(jìn)電機(jī)在不細(xì)分的整步狀態(tài)下的步距角為1.8°，若進(jìn)行了50細(xì)分的狀態(tài)，步進(jìn)電機(jī)的步距角僅為0.036°。均勻細(xì)分的目的是提高點(diǎn)擊的運(yùn)轉(zhuǎn)精度，實(shí)現(xiàn)電機(jī)步距角的高精度細(xì)分，而且能減少步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)，使得轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中更加平穩(wěn)。

測(cè)試環(huán)境是在光學(xué)暗室里，配合高精度轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)測(cè)量，能很好的模擬使用過程中的測(cè)試環(huán)境，來達(dá)到相應(yīng)的測(cè)試效果。測(cè)試方法如下：

1）將鏡頭通過光具座固定在高精度轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上；

2）調(diào)節(jié)鏡頭的光軸跟探頭的中心在一個(gè)軸上；

3）通過上位機(jī)界面控制高精度轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)向左旋轉(zhuǎn)直至功率計(jì)數(shù)值為0；

4）開始向右旋轉(zhuǎn)，每次旋轉(zhuǎn)0.1度，并記錄功率計(jì)的值；

5）測(cè)完一組之后，將光具座上的鏡頭在垂直于光軸的面上旋轉(zhuǎn) 60°和 120°重復(fù) 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(shí)間內(nèi)會(huì)有一定的波動(dòng)，在測(cè)量過程中，存在讀數(shù)不夠準(zhǔn)確的情況。因此在試驗(yàn)中，采用的是最大最小值求平均值的方法以減小誤差。測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表1 ±50°角度內(nèi)實(shí)際測(cè)得的照度值Tab.1 Actual measured illuminance value in ±50°angle

將測(cè)得的數(shù)據(jù)繪圖如下圖4所示，橫坐標(biāo)表示轉(zhuǎn)動(dòng)角度為±45°，縱軸表示實(shí)際測(cè)得的照度值。

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

結(jié)果表明發(fā)散角大于90度，而且均勻性在±45°角內(nèi)達(dá)到70%。由上圖可以看出功率值并不是關(guān)于0°左右對(duì)稱的，有點(diǎn)偏心。

在光學(xué)測(cè)試中，測(cè)試方法都不可避免的存在一定的測(cè)試誤差，影響測(cè)試精度的因素很多，也非常復(fù)雜，最主要的有以下幾個(gè)方面：

1）調(diào)焦誤差：在光學(xué)系統(tǒng)的測(cè)試過程中，最終測(cè)得的功率值隨著離焦量的增大而減小，調(diào)焦精度的高低對(duì)測(cè)量精度有直接影響的。測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)保證各個(gè)組件的端面平行，而且同軸，使得功率計(jì)所在的位置初始位置恰好落在鏡頭光軸的延長(zhǎng)線上。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的主體在一個(gè)水平導(dǎo)軌上，從中心到邊緣依次放置光纖、待測(cè)鏡頭、鏡頭支架和功率計(jì)。在測(cè)試過程中，雖然步進(jìn)電機(jī)采用電流細(xì)分微步距運(yùn)行的，但仍有一定的振動(dòng)，導(dǎo)致存在一定的對(duì)準(zhǔn)誤差。

2）功率計(jì)影響：系統(tǒng)采用光電的功率計(jì)，直徑為10 mm，在5 m外可以近似看作一個(gè)點(diǎn)，但功率探頭的靈敏度也存在一定的測(cè)量誤差。半導(dǎo)體激光器會(huì)有小于3%的紋波波動(dòng)，導(dǎo)致讀取功率計(jì)數(shù)值的時(shí)候相應(yīng)的會(huì)有個(gè)波動(dòng)。在此采用讀取最大值和最小值然后取平均值的方法，計(jì)算得出的平均值仍與真實(shí)值有一定的誤差。

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

3 結(jié) 論

文中針對(duì)飛行器飛行試驗(yàn)中需要信標(biāo)系統(tǒng)供地面設(shè)施探測(cè)的需求，設(shè)計(jì)了一種近紅外勻光照明系統(tǒng)，并采用ZEMAX的仿真和優(yōu)化。比對(duì)常用的CCD測(cè)量方法，設(shè)計(jì)了一種大發(fā)散角和光斑均勻性的的測(cè)量方法，并通過了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，該近紅外勻光照明系統(tǒng)發(fā)散角優(yōu)于90°，而且照度均勻性在±45°角內(nèi)優(yōu)于70%，并且該照明系統(tǒng)用于某型機(jī)載設(shè)備上進(jìn)行測(cè)試，滿足系統(tǒng)應(yīng)用要求。

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