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(tǒng)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(tǒng)由于工作在日盲區(qū)，具有獨特的探測優(yōu)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(tǒng)的研究和優(yōu)化設計。基于“日盲”紫外光譜特性，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(tǒng)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(tǒng)。系統(tǒng)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(tǒng)總長540mm，光學傳遞函數(shù)在37lp/mm時大于0.7，畸變小于0.005%，具有成像質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)簡單緊湊的優(yōu)點和很高的應用價值。

紫外光學系統(tǒng)設計；日盲紫外；信號目標模擬器；公差分析

現(xiàn)代光學技術發(fā)展十分迅速，己廣泛應用于軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等領域［1-4］。紫外光學技術作為現(xiàn)代光學的一個發(fā)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(tǒng)，尤其是中波紫外光學系統(tǒng)的發(fā)展最快、應用也最廣泛最成功。中波紫外具有特殊的性質(zhì)，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(qū)，也叫做“日盲”紫外區(qū)。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(yōu)越性，現(xiàn)在也在向光機電一體化控制系統(tǒng)發(fā)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(tǒng)的發(fā)展相對較弱，特別是在紫外成像傳感器的系統(tǒng)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(tǒng)的研究對我國紫外探測技術的發(fā)展有很重要的推動作用，也是我國紫外探測技術發(fā)展的必經(jīng)之路。采用紫外平行光管光學系統(tǒng)實現(xiàn)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(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)設計。

1 “日盲”紫外信號目標模擬器系統(tǒng)理論研究

“日盲”紫外輻射源、紫外目標模擬器光學系統(tǒng)、紫外探測器件、信號處理單元和信號接收單元構(gòu)成了“日盲”紫外目標模擬器系統(tǒng)，如圖1所示。“日盲”紫外目標輻射源信號經(jīng)紫外目標模擬器光學系統(tǒng)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(nèi)容。對“日盲”紫外目標模擬器光學系統(tǒng)中的平行光管進行了研究和優(yōu)化設計。平行光管類型光學系統(tǒng)是對“日盲”紫外目標模擬器光學系統(tǒng)的研究方案。

圖1 “日盲”紫外目標模擬器系統(tǒng)構(gòu)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(chǎn)生，氘燈在日盲波段具有光譜連續(xù)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。“日盲”紫外信號目標模擬器光學系統(tǒng)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(jīng)過平行光管光學系統(tǒng)后以平行光的形式從紫外目標模擬系統(tǒng)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(tǒng)的系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)，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(jù)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(shù)，其倒數(shù)為系統(tǒng)的理論分辨率，單位為lp/mm，即每毫米可分辨的線對數(shù)；f′為平行光管的焦距；λ為入射波長；D為光學系統(tǒng)的入瞳直徑。

1.2 紫外光學系統(tǒng)材料和探測器分析

紫外探測器是紫外探測技術得以實現(xiàn)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(yōu)點。針對“日盲”紫外信號目標模擬器光學系統(tǒng)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(wěn)定性能強；

（4）背景噪聲低；

（5）探測區(qū)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(tǒng)設計參數(shù)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(shù)如下：

（1）焦距：500mm

（2）視場角：2°

（3）工作波段：240nm～280nm

（4）光學系統(tǒng)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(jié)果及像質(zhì)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(tǒng)，但反射式系統(tǒng)視場小、有中心遮欄且雜散光較大。因此采用透射式結(jié)構(gòu)實現(xiàn)平行光管的優(yōu)化設計。選擇合適的初始結(jié)構(gòu)，進行優(yōu)化和設計。采用ZEMAX軟件完成設計優(yōu)化［9，10］后的光學鏡頭結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)如下表所示。

表3 光學系統(tǒng)鏡頭數(shù)據(jù)

其二維光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

優(yōu)化的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線和在37lp/mm時的MTF曲線分別如圖3和圖4所示。系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)成像質(zhì)量的要求。

光學系統(tǒng)的場曲和畸變?nèi)鐖D6所示。

圖6 場曲和畸變

可以看出，系統(tǒng)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(tǒng)的成像質(zhì)量很好。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)公差設計

當光學系統(tǒng)的口徑為有效口徑時，半徑和牛頓環(huán)的變化關系可以表示為光圈，即

其中，N為光圈數(shù)，又稱牛頓環(huán)。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(jù)上面所述的關系式，得到的光學系統(tǒng)的公差數(shù)據(jù)如表4所示。

4 結(jié)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(yōu)點，逐漸成為光電探測技術發(fā)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(tǒng)的工作原理，完成了光學系統(tǒng)的設計和優(yōu)化分析，為紫外技術的發(fā)展提供了新技術、新方法。

表4 光學元件的公差參數(shù)

本文對“日盲”紫外信號目標模擬器光學系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計，光學系統(tǒng)均采用球面，通過光學設計優(yōu)化過程校正了系統(tǒng)的各種像差，系統(tǒng)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(shù)、衍射能量曲線圖和MTF曲線圖等評價指標的分析，結(jié)果表明該光學系統(tǒng)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(tǒng)成像質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、易于加工裝調(diào)，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