賀祥清　段媛　劉志輝

（四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川綿陽　621000）

離軸反射式多光軸平行性測試系統(tǒng)設(shè)計

賀祥清段媛劉志輝

（四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川綿陽621000）

基于光電系統(tǒng)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(tǒng)的設(shè)計方案。該系統(tǒng)沒有中心遮擋、透過率高、像質(zhì)好，結(jié)合CCD和圖像采集處理組件，能夠?qū)崟r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(shí)現(xiàn)光電系統(tǒng)可見光、近紅外和遠(yuǎn)紅外光軸平行性測試和校準(zhǔn)，具有測試波段寬、測試精度高的優(yōu)點(diǎn)。

離軸反射式多光軸平行性測試

1　引言

光電系統(tǒng)常配置可見光成像裝置、紅外熱像儀和激光測距機(jī)等光電傳感器，覆蓋波段寬，存在可見光、遠(yuǎn)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(tǒng)的瞄準(zhǔn)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(jié)構(gòu)簡單，成本低，但隨機(jī)誤差較大，精度受限；五棱鏡法常用于檢測雙筒望遠(yuǎn)鏡光軸平行性，通用性不強(qiáng)；小口徑平行光管法，口徑小，誤差環(huán)節(jié)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(chǎn)生平行光束，具有口徑大，沒有中心遮攔，透過率高、像質(zhì)好的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于高精度的多光軸平行性檢測和校正系統(tǒng)中。

本文采用大口徑平行光管法，結(jié)合光電檢測和數(shù)字圖像處理技術(shù)，設(shè)計了一套離軸反射式多光軸平行性測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有實(shí)用性強(qiáng)、操作簡單、精度高等特點(diǎn)。

圖1　大口徑離軸反射式多光軸平行性測試系統(tǒng)組成

圖2　平行光管示意圖

2　系統(tǒng)組成

離軸反射式多光軸平行性測試系統(tǒng)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(diào)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(biāo)和光源、衰減片以及用于自準(zhǔn)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(jī)及處理軟件。

2.1平行光管

平行光管為測試系統(tǒng)提供無窮遠(yuǎn)目標(biāo)，滿足全波段工作，光束無中心遮攔。為提高測試系統(tǒng)的檢測精度，采用大口徑長焦距設(shè)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(biāo)支路MTF

圖4　CCD接收支路MTF

圖5　靶標(biāo)支路點(diǎn)列圖

圖6　CCD接收支路點(diǎn)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(biāo)，使用鹵素?zé)粽丈?，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(dāng)用CCD采集激光光斑時，通過該分光鏡可將十字靶標(biāo)的自準(zhǔn)直像反射到CCD上，得到激光的瞄準(zhǔn)中心，當(dāng)通過平行光路發(fā)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(jī)發(fā)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(biāo)的自準(zhǔn)直像，采用K9玻璃，表面鍍銀和介質(zhì)保護(hù)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(jī)及處理軟件組成，能夠?qū)崟r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(zhǔn)直的平面反射鏡，將平行光管十字靶標(biāo)的自準(zhǔn)直像反射到CCD上，記錄此時CCD上十字靶標(biāo)共軛像的中心坐標(biāo)（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(tǒng)基準(zhǔn)軸，本系統(tǒng)中，將光電系統(tǒng)可見光光軸作為基準(zhǔn)軸。利用升降平臺將平行光管的十字靶標(biāo)中心和可見光成像裝置的圖像中心調(diào)重合，此時，光電系統(tǒng)的可見光光軸與平行光管光軸平行，作為平行性測試系統(tǒng)的基準(zhǔn)軸。

由光電系統(tǒng)激光測距機(jī)發(fā)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(tǒng)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(biāo)中心與紅外熱像儀的圖像中心的偏移量（3x，3y），可計算出遠(yuǎn)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(tǒng)紅外熱像儀的焦距。

調(diào)節(jié)光電系統(tǒng)紅外熱像儀圖像上的平行光管十字靶標(biāo)中心與紅外熱像儀的圖像中心重合。由激光測距機(jī)發(fā)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(yuǎn)紅外光軸的平行性偏差角

4　離軸反射式平行光管設(shè)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(yōu)化設(shè)計，平行光管光路如圖2所示。本系統(tǒng)中工作波段越長，光學(xué)設(shè)計越容易達(dá)到衍射極限，因此設(shè)計過程中主要考慮1.064μm的近紅外激光波段。

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

光學(xué)像質(zhì)評價常用點(diǎn)列圖，點(diǎn)列圖中點(diǎn)的分布可以近似地代表像點(diǎn)的能量分布，利用這些點(diǎn)的密集程度能夠衡量系統(tǒng)成像質(zhì)量的好壞。點(diǎn)列圖的分布密集狀態(tài)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(tǒng)的成像質(zhì)量，如果點(diǎn)列圖的均方根半徑值接近或小于愛里斑半徑，則系統(tǒng)接近衍射極限。室溫條件下，1.064μm處的點(diǎn)列圖如圖5和圖6所示。

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

5　系統(tǒng)誤差分析

測量誤差是評價測試系統(tǒng)能力的一項重要指標(biāo)，測量誤差越小，測試系統(tǒng)的精度越高。本測試系統(tǒng)的測量誤差主要來源于平行光管的光學(xué)系統(tǒng)誤差、CCD采集系統(tǒng)的像元分辨率以及被測光電系統(tǒng)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(xué)系統(tǒng)誤差主要來源于光學(xué)系統(tǒng)衍射條件限制和慧差、像散以及光學(xué)加工誤差。光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)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(fā)散角θ ′表示，θ1′-arctan（d2f ）×3600′。對于軸外物點(diǎn)，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(xué)加工誤差造成一定的像差，引起光學(xué)系統(tǒng)存在一定的光線平行差。設(shè)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(xué)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(shè)CCD采集系統(tǒng)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(shè)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(xué)系統(tǒng)的孔徑角為u-fffff5，光學(xué)系統(tǒng)的球差為LA-fffff4，球差引起的光線不平行差θ′-arctan（LA* u f）。經(jīng)分析3平行光管光學(xué)系統(tǒng)誤差為

（2）遠(yuǎn)紅外與可見光光軸平行性測量誤差。設(shè)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(xì)分技術(shù)，可得到45θ′′-的精度，則遠(yuǎn)紅外與可見光光軸一致性測量誤差為

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

6　結(jié)語

本文基于大口徑離軸反射式平行光管，設(shè)計了一套多光軸平行性測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)沒有中心遮擋，透過率高、像質(zhì)好，結(jié)合CCD和圖像采集處理組件，能夠?qū)崟r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(tǒng)具有測試波段寬、測試精度高、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，能滿足光電系統(tǒng)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(jī)接收軸與瞄準(zhǔn)軸平行性測試方法研究［J］.光學(xué)技術(shù)，2005， 31（增刊）：112-117.

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

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

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

［5］黃靜，劉朝暉，折文集，等.室內(nèi)多波段光電一致性測試系統(tǒng)的設(shè)計［J］.應(yīng)用光學(xué)，2007，28（5）：663-666.

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