孫小龍

摘 要：為了提高望遠(yuǎn)鏡的工作效果和使用壽命，有必要對(duì)其光學(xué)元件進(jìn)行在線檢測(cè)，從而及時(shí)發(fā)現(xiàn)其問題。于是文章設(shè)計(jì)了一種光學(xué)元件缺陷在線檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)，首先通過設(shè)計(jì)變焦距系統(tǒng)，然后再對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行分析，其中包含設(shè)計(jì)指標(biāo)、設(shè)計(jì)實(shí)例、像素評(píng)價(jià)和環(huán)境適應(yīng)性分析。結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較好的成像質(zhì)量，在光學(xué)元件缺陷在線檢測(cè)中具有較好的應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：光學(xué)元件;在線檢測(cè);光學(xué)系統(tǒng);設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TH744 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1001-5922（2020）10-0145-04

Abstract：In order to improve the working effect and service life of the telescope， it is necessary to perform online inspection of its optical components， so as to discover its problems in time. Therefore， the paper designs an optical system for online detection of optical element defects. First， the zoom system is designed， and then the design process of the system is analyzed， which includes design indicators， design examples， pixel evaluation and environmental adaptability analysis.The results show that the system has good imaging quality and good application effect in the online detection of optical element defects.

Key words：optical components; online inspection; optical system; design

0? ? ?引言

光學(xué)元件作為望遠(yuǎn)鏡的重要組成部分，雖然在安裝之前，會(huì)使用離線檢測(cè)方式對(duì)光學(xué)元件進(jìn)行檢測(cè)是否存在缺陷，但是由于望遠(yuǎn)鏡工作一段時(shí)間之后，光學(xué)元件也可能會(huì)出現(xiàn)缺陷，從而影響成像質(zhì)量，于是可以使用在線檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)光學(xué)元件進(jìn)行檢測(cè)，從而有助于提高望遠(yuǎn)鏡的工作效果[1-2]。然而光學(xué)元件在線檢測(cè)系統(tǒng)存在一些缺陷，比如不能準(zhǔn)確的得到缺陷位置，檢測(cè)效率比較低等[3-4]。文章將對(duì)在線檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行分析，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，大變焦范圍、大視場(chǎng)角的變焦系統(tǒng)非常重要。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)其焦距系統(tǒng)的調(diào)焦精度提高、成像質(zhì)量提高和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化屬于重難點(diǎn)部分。通過文獻(xiàn)研究的方式，設(shè)計(jì)了一種檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)。

1? ? ?變焦距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

檢測(cè)光學(xué)元件是否產(chǎn)生缺陷時(shí)所使用的方式為通過使用暗場(chǎng)成像的原理，其檢測(cè)示意圖如圖1所示[5]。當(dāng)檢測(cè)到的結(jié)果為像面背景顯示黑色，則可以說明此時(shí)光學(xué)元件沒有缺陷，反之，當(dāng)有后向散射光時(shí)，在相機(jī)靶面上就會(huì)呈現(xiàn)出光學(xué)元件的缺陷區(qū)域[6]。然后再繼續(xù)對(duì)缺陷區(qū)域進(jìn)行分析，從而可以得到在望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中光學(xué)元件缺陷的位置和尺寸。

為了使得光學(xué)元件缺陷實(shí)現(xiàn)等精度高分辨率成像，當(dāng)物距不同時(shí)，需要進(jìn)行調(diào)整成像焦距操作，從而使其成像系統(tǒng)放大倍率恒定。根據(jù)技術(shù)要求，當(dāng)工作物距在1.1～5.6m之間時(shí)，不同平面鏡進(jìn)行檢測(cè)，其中反面鏡的直徑和各種物距相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示，其中存在的檢測(cè)要求為視場(chǎng)范圍時(shí)0.1m，另外物方分辨率也要優(yōu)于0.1mm。然后再根據(jù)下面公式能夠計(jì)算出半視場(chǎng)角、鏡頭焦距和垂直軸放大倍率，結(jié)果如表1所示。

變焦距系統(tǒng)有不同的類型，如果按照補(bǔ)償方式不同可以分為機(jī)械補(bǔ)償變焦和光學(xué)補(bǔ)償變焦，其中機(jī)械補(bǔ)償變焦是當(dāng)前使用較為普遍的一種方式，具有成像質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，另外其焦距可以持續(xù)進(jìn)行改變[7-8]。圖2即為機(jī)械補(bǔ)償變焦系統(tǒng)的原理圖，其中主要包含著4個(gè)組成部分Z1、Z2、Z3和Z4，分別代表的是固定組、變焦組、補(bǔ)償組和后固定組。

變焦鏡頭具有重要的作用，能夠使得每個(gè)焦距具有較好的成像質(zhì)量，還能夠使其后固定組和固定組保持不變。光學(xué)元件主要由幾個(gè)不同的平面反射鏡構(gòu)成，在缺陷檢測(cè)過程中可以根據(jù)記錄各組元的位置從而確定具體出現(xiàn)缺陷的反射鏡，可以實(shí)現(xiàn)缺陷定位作用。這種檢測(cè)方式最大的優(yōu)勢(shì)在于在保證成像質(zhì)量的同時(shí)，能夠降低光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性。

2? ? ?設(shè)計(jì)過程

2.1? ?指標(biāo)設(shè)計(jì)

在檢測(cè)過程中，需要將光學(xué)元件成像面的明亮程度大致相同，則需要保證有充足的光進(jìn)量。另外還需要使得系統(tǒng)的相對(duì)孔徑F不變。然后將相關(guān)指標(biāo)像素尺寸設(shè)置為5.5μm×5.5μm，有效像素元素設(shè)置為2048×2048，CCD尺寸設(shè)置為11.264mm，該相關(guān)指標(biāo)的設(shè)計(jì)能夠使得檢測(cè)留有擴(kuò)展空間。在設(shè)計(jì)變焦系統(tǒng)時(shí)，由于使用的激光光源照明，設(shè)計(jì)時(shí)需要針對(duì)某一特定波長(zhǎng)的光進(jìn)行。表2即為在線檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的相關(guān)指標(biāo)設(shè)計(jì)。

2.2? ?設(shè)計(jì)實(shí)例

在線檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)選擇Zemax軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，因?yàn)樵撥浖軌蛱幚矶嘀亟Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，應(yīng)用于文章所研究的系統(tǒng)中能夠滿足需求，并且具有方便快捷的優(yōu)勢(shì)。在設(shè)計(jì)的初步階段，變焦鏡頭的初始結(jié)構(gòu)非常重要。首先需要確定出系統(tǒng)的主要參數(shù)，完成該步驟之后，即可根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)中方式選擇初始結(jié)構(gòu)，然后使用Zemax軟件進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化次數(shù)不止一次，在優(yōu)化時(shí)需要滿足一定的要求，方可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化過程，得到如圖3所示的結(jié)構(gòu)圖。

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，能夠得到系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)有：默認(rèn)溫度為20℃，鏡頭結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)度為55.31cm，鏡片最大口徑為12.39cm，圖3中一共有6個(gè)不同焦距，能夠清晰反應(yīng)變焦過程中3種不同焦距的成像情況。需要注意的是需要將所有鏡片使用最大口徑值。為了降低系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，選擇的球面系統(tǒng)作為鏡片。

望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中存在多個(gè)光學(xué)元件成像過程，存在多個(gè)不同的焦距，需要確定每一個(gè)焦距的補(bǔ)償組和變倍組的位置，圖4即為兩者的位置顯示，其中縱坐標(biāo)顯示兩者相對(duì)成像系統(tǒng)第一片透鏡的位置，橫坐標(biāo)顯示的是成像焦距。從圖中可以分析出補(bǔ)償組呈現(xiàn)的是非線性運(yùn)動(dòng)，而另一組屬于呈現(xiàn)的是線性運(yùn)動(dòng)，兩組的位移量程分別為39.05mm和79.25mm。

2.3 像素評(píng)價(jià)

對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，一般使用的主要方式為調(diào)制傳遞函數(shù)的值，能夠通過其值放映出系統(tǒng)像素的質(zhì)量。于是可以得到如圖5所示的MTF曲線，分別包含著4種不同焦距的曲線。從圖5中可以看出，曲線的特點(diǎn)是平直且光滑，從而能夠反映出成像質(zhì)量比較好。當(dāng)焦距處于90mm時(shí)，此時(shí)屬于小焦距，其成像性能稍稍有所降低，然而，當(dāng)其MTF在100lp/mm時(shí)，OTF的模數(shù)時(shí)大于0.3，另外其他的不同焦距下，當(dāng)MTF為100lp/mm，OTF的模數(shù)均是大約0.4，于是能夠滿足成像像質(zhì)的需求，表3為當(dāng)焦距不同時(shí)不同視場(chǎng)下彌散斑半徑均方根。當(dāng)處于最小焦距90mm時(shí)，其中彌散斑半徑均方根處于最大值4.476，而系統(tǒng)艾里斑半徑是5.189，該值大于彌散斑半徑均方根，于是可以提高衍射能量，并且與其極限相接近。

2.4? ?環(huán)境適應(yīng)性分析

由于環(huán)境溫度不同時(shí)會(huì)影響到系統(tǒng)的成像質(zhì)量，檢測(cè)系統(tǒng)的工作溫度為-10℃～40℃。由于焦距不同時(shí)，對(duì)溫度的敏感性也會(huì)存在差異，長(zhǎng)焦距的敏感性比短焦距更強(qiáng)，文章在分析系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性時(shí)以長(zhǎng)焦距540mm作為研究對(duì)象，另外，對(duì)其他不同焦距進(jìn)行分析時(shí)，方式于此一致。在焦距為540mm時(shí)，變焦系統(tǒng)的MTF曲線如圖6所示。

從圖中可以看出，MTF曲線下降程度比較大，說明其像素質(zhì)量也有所降低。選擇溫度補(bǔ)償措施從而增加成像質(zhì)量，增加環(huán)境適應(yīng)性。將20℃作為零點(diǎn)，溫度補(bǔ)償組在-10℃和40℃時(shí)的移動(dòng)距離為-0.7mm和0.5mm，系統(tǒng)的總長(zhǎng)度也會(huì)發(fā)生一定的變化，由于其變化非常的小，不會(huì)超過正負(fù)1mm，于是滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)。經(jīng)過平移補(bǔ)償處理之后，能夠得到如圖7所示的MTF曲線，其成像質(zhì)量?jī)?yōu)良。

表4為當(dāng)溫度不同時(shí)系統(tǒng)在不同視場(chǎng)的彌散斑半徑均方差值，從圖中可以看出，當(dāng)溫度不斷增加時(shí)，彌散斑半徑均方根也在不斷增加。平移補(bǔ)償之后，彌散斑半徑均方根的數(shù)值也在艾里斑半徑之內(nèi)，于是滿足設(shè)計(jì)要求，并且具有較好的成像質(zhì)量。

3 結(jié)語(yǔ)

文章設(shè)計(jì)了光學(xué)元件缺陷在線檢測(cè)光學(xué)系統(tǒng)，其中利用的機(jī)械變焦形式，能夠?qū)崿F(xiàn)90～54mm的變焦。通過對(duì)不同焦距下成像質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)成像質(zhì)量良好，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。另外，發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)成像質(zhì)量的影響較大，于是采用溫度補(bǔ)償組對(duì)成像質(zhì)量變化進(jìn)行補(bǔ)償，通過平移補(bǔ)償之后，能夠提高成像質(zhì)量，并且滿足各種指標(biāo)的需求。

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