張戰(zhàn)飛，黃潔，宋強(qiáng)*，封斐，丁建文

（1.中國科學(xué)院 西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，陜西 西安 710119；2.中國空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心超高速所，四川 綿陽 621000）

1 引言

序列前光成像，顧名思義就是對物體的光照面進(jìn)行序列成像，可應(yīng)用于瞬態(tài)條件的高速拍攝。高速成像系統(tǒng)是測量超快物理過程重要的技術(shù)手段，在激光、等離子體與物質(zhì)相互作用［1-7］、爆轟與沖擊實(shí)驗(yàn)研究［8-12］、高能強(qiáng)流電子束束流參數(shù)測量［13］、高能量脈沖技術(shù)研究［14］、高電壓放電技術(shù)研究［15］、微波武器的基礎(chǔ)理論研究方面發(fā)揮著重要作用。相對于單傳感器高速相機(jī)和機(jī)械轉(zhuǎn)鏡式分幅相機(jī)，數(shù)字分幅相機(jī)具有更高的時(shí)間和空間分辨率，這對需要進(jìn)行高分辨測量的工作顯得尤為重要［16-18］。

國內(nèi)外有多家單位和廠商在高速分幅成像系統(tǒng)領(lǐng)域進(jìn)行了研究工作，較早的有英國的Hadland 光學(xué)公司、CORDIN 公司以及英國Specialised Imaging 公司的SIMX 系列分幅相機(jī)；另外具有代表性的有美國DRS 公司的Ultra4，Ultra8、imacon200 系列和德國PCO公司的HSFC系列。國內(nèi)高速成像技術(shù)及系統(tǒng)的研制始于上世紀(jì)五十年代，目前主要研究單位有西安光機(jī)所、深圳大學(xué)、中國工程物理研究院流體物理研究所等。由深圳大學(xué)研制的超高速光電分幅相機(jī)，其最高攝影頻率可達(dá)1×108frame/s［13］；國家流體物理研究所在高速攝影技術(shù)方面不斷深化研究，其研制的高性能分幅相機(jī)，曝光時(shí)間可以達(dá)到約3 ns 的水平［19］；西安光機(jī)所是國內(nèi)高速攝影研究較早的單位［20］，其研制的像增強(qiáng)型選通分幅相機(jī)可在納秒級快門時(shí)間下實(shí)現(xiàn)皮秒級幀間精度的連續(xù)拍攝。

就分幅方式而言，高速分幅成像系統(tǒng)主要分為分光棱鏡分光和棱錐分光，棱錐分光系統(tǒng)雖然整體結(jié)構(gòu)簡單、但對加工要求很高，另外會(huì)產(chǎn)生視場的分割［18］。分光棱鏡通過1∶1 分光，采用多個(gè)數(shù)量的棱鏡即可實(shí)現(xiàn)多路分光，分光方式簡單，同時(shí)可獲得多幅完整且光照度均勻的圖像。而在棱鏡分光系統(tǒng)當(dāng)中，平行光束分光方式相對于匯聚分光方式在系統(tǒng)焦距上不受限制，更有利于系統(tǒng)優(yōu)化。另一方面，目前針對銜接系統(tǒng)物距變化的設(shè)計(jì)，常見的方法是將物鏡組設(shè)計(jì)為可更換式，這會(huì)帶來系統(tǒng)在分辨率甚至視場上的較大差異，使系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程變得復(fù)雜，因此，本文提出直接按照相同的前端物鏡設(shè)計(jì)間距可調(diào)光路，實(shí)現(xiàn)不同物距場景下圖像的穩(wěn)定一致輸出。

基于以上所述，本文從序列前光成像系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)際出發(fā)，設(shè)計(jì)了一種基于棱鏡分光、適用于不同物距的四分幅序列前光成像光學(xué)系統(tǒng)，包括物鏡組、場鏡和準(zhǔn)直鏡組、分光鏡組和匯聚鏡組。對系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了闡述，并進(jìn)一步介紹設(shè)計(jì)實(shí)例，包括各分鏡組及整體光路的設(shè)計(jì)。研制的四分幅光學(xué)系統(tǒng)核心指標(biāo)經(jīng)實(shí)驗(yàn)室檢測均滿足要求，現(xiàn)場試驗(yàn)效果表現(xiàn)良好。

2 設(shè)計(jì)原理與方法

圖1 為基于平行光束分光的分幅成像系統(tǒng)原理圖。

圖1 分幅成像系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of framing imaging system

分幅成像系統(tǒng)由多個(gè)成像通道組成。各通道光路中，首先由前端鏡組接收入射光束，并將光束進(jìn)行準(zhǔn)直形成平行光束，平行光束經(jīng)過分光系統(tǒng)后被分為多路，并由多個(gè)匯聚鏡組將光束成像于接收靶面，最終實(shí)現(xiàn)分幅成像。該類系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)過程分為以下5 步：

（1）系統(tǒng)及分鏡組光學(xué)參數(shù)分析與計(jì)算；

（2）設(shè)計(jì)合理的初始結(jié)構(gòu)；

（3）根據(jù)視場角、分辨率等參數(shù)及匹配關(guān)系，對分鏡組進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化；

（4）在分鏡組像差獨(dú)立校正的基礎(chǔ)上進(jìn)行銜接，整合優(yōu)化形成單通道成像光路系統(tǒng)；

（5）以單通道為基準(zhǔn)，合理布局，形成多通道光路。

由于光線傳輸路徑、器件加工與裝調(diào)導(dǎo)致的差異，分幅系統(tǒng)各通道的成像并不是完全一致的，因此需要對其影響因素進(jìn)行分析。另外，分幅系統(tǒng)往往所占空間較大，因此合理的系統(tǒng)布局則顯得尤為重要，需要對其進(jìn)行充分考慮。

2.1 像面差異分析

在光學(xué)系統(tǒng)像差中，畸變會(huì)導(dǎo)致不同視場的放大率有所不同，使得不同通道在對同一物點(diǎn)成像時(shí)，像點(diǎn)位置有所不同，進(jìn)而產(chǎn)生不同通道畫面不一致的現(xiàn)象。因此在進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，畸變應(yīng)進(jìn)行校正。為保證最終序列成像效果，將系統(tǒng)畸變控制在1% 以內(nèi)。對于光學(xué)系統(tǒng)而言，中心視場和邊緣視場的照度滿足如下關(guān)系式［21］：

其中：軸外視場的照度為E′，中心視場的照度為E0，像方半視場角為ω′/2。系統(tǒng)視場增大后，照度隨之減小，在規(guī)定物方視場的情況下，通過減小軸外像方視場的角度來減小照度差異。

為避免系統(tǒng)的橫向尺寸過大，利用分光棱鏡進(jìn)行分光后，再通過反射鏡對光束進(jìn)行反射，然后由匯聚鏡組將光束傳至數(shù)字相機(jī)。因反射鏡反射率的存在，有反射鏡通道的透過率將與無反射鏡通道的透過率不同，這也直接體現(xiàn)為像面照度的差異，因此，反射鏡的反射率應(yīng)盡量高。

2.2 光路結(jié)構(gòu)與布局

為使整體系統(tǒng)更為緊湊，在部分通道中利用反射鏡對光路進(jìn)行轉(zhuǎn)折，改變光束傳輸路徑，優(yōu)化系統(tǒng)布局。

在圖1 所示的原理光路中，沿水平方向傳播、無光束折轉(zhuǎn)的光路為基準(zhǔn)光路，a為物面到前端鏡組的光程、b為前端鏡組到分光系統(tǒng)的光程、c為分光系統(tǒng)所經(jīng)歷的光程、d為分光系統(tǒng)到匯聚鏡組的光程、en為各路匯聚鏡組之間的距離，fn為各路匯聚鏡組到相機(jī)的光程，k為不小于1 的系數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)通道數(shù)較多時(shí)，前端鏡組到匯聚鏡組之間距離b+c+d應(yīng)盡量大，從而給分光系統(tǒng)留下足夠空間。光路中各通道的光程L滿足以下關(guān)系：

各通道所成像要取得良好一致性，光程L則應(yīng)保持相同。為了讓各通道中不同組件的口徑一致，降低裝調(diào)難度，可使匯聚鏡組之前各通道光程一致，即各通道L-fn-1的值相同。而為了提升通光量，則系統(tǒng)孔徑相對較大，設(shè)匯聚鏡組的直徑為m，若要使匯聚鏡組之間有一定的橫向距離從而不發(fā)生干涉，則en-1應(yīng)滿足：

另外，若要提升各通道及整個(gè)系統(tǒng)的規(guī)整度和美觀度，可使：

為了探究遙測儀的最低檢測下限，將100×10-6m 的H2S 氣體充入氣體管。以上文H2S 氣體的Allan 方差計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，將積分時(shí)間設(shè)置為4 s，即對2f 信號做20 次平均處理并采集。

5.3 系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間分析

首先對光學(xué)系統(tǒng)及其分鏡組進(jìn)行參數(shù)計(jì)算和分析。系統(tǒng)要求像面大小設(shè)為13～15 mm，設(shè)像面為14 mm（這里指全像面對角尺寸），相機(jī)選擇SVS-VISTEK 的HR 系列工業(yè)相機(jī)，其像元大小5.5 μm，靶面尺寸26.93×17.95 mm，對于該系統(tǒng)的應(yīng)用而言，靶面比設(shè)計(jì)像面大是為了不丟失目標(biāo)信息。系統(tǒng)視場角ω 要求為13～17°，將其設(shè)為15°，因此成像系統(tǒng)焦距f為：

理想成像光斑半徑δ和系統(tǒng)F數(shù)有如下關(guān)系：

因此對于所選相機(jī)，為充分利用其像素，系統(tǒng)的F數(shù)應(yīng)滿足：

即F＜8.2，對應(yīng)系統(tǒng)孔徑應(yīng)大于6.4 mm。

根據(jù)上文所述的設(shè)計(jì)原理，首先應(yīng)通過一組物鏡將目標(biāo)光進(jìn)行準(zhǔn)直，當(dāng)物距比較大時(shí)，這組物鏡則相當(dāng)于一個(gè)倒置望遠(yuǎn)鏡，在其內(nèi)部包括了物鏡組和準(zhǔn)直鏡組。為了縮小系統(tǒng)口徑，減小系統(tǒng)體積與重量，提升光能利用率，在物鏡組和準(zhǔn)直鏡組之間加入場鏡。從成像角度而言，場鏡則是為了使物鏡組的出瞳和準(zhǔn)直鏡組的入瞳形成物像關(guān)系［21］，兩者在互相銜接的情況下可提升成像光束的利用率及像面均勻性。光束經(jīng)準(zhǔn)直變?yōu)槠叫泄夂?，再?jīng)分光鏡組分為四路，最后每一路光經(jīng)過匯聚鏡組后將目標(biāo)信息成像于相機(jī)之上。

為增大通光量，取入瞳直徑大于系統(tǒng)孔徑，設(shè)為12 mm，即物鏡組的入瞳直徑為12 mm，而系統(tǒng)對于一次像面的要求是不小于10 mm，這里取21 mm，因此，物鏡組焦距為：

入射光束經(jīng)過物鏡組后進(jìn)行一次成像，并通過準(zhǔn)直形成平行光，實(shí)際上，在此過程中物鏡組、場鏡和準(zhǔn)直鏡組也共同實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)束的功能，以場鏡和準(zhǔn)直鏡組組成的后組焦距f后和物鏡組代表的前組焦距f前應(yīng)滿足：

其中：M為光斑擴(kuò)束比。為了避免擴(kuò)束后光斑過大，同時(shí)達(dá)到準(zhǔn)直效果，將擴(kuò)束比M設(shè)為2.2，則：

因此，場鏡和準(zhǔn)直鏡組的組合焦距為176 mm，出射光瞳直徑為2.2×12=26.4 mm，這同樣也是匯聚鏡組的入射光瞳直徑。

對于倒置望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，角放大率為：

其中：ω前和ω后分別為前組和后組的半視場角。由于ω前為15°/2=7.5°，因此ω后=3.4°，即場鏡和準(zhǔn)直鏡組的出射視場角和匯聚鏡組的入射視場角為3.4°×2=6.8°。由系統(tǒng)像面大小和匯聚鏡組半視場角可計(jì)算得到匯聚鏡組焦距為：

3.1 針對物距變化的調(diào)節(jié)光路設(shè)計(jì)

為了使系統(tǒng)在不同物距下保持光線的正常傳輸和良好的光學(xué)特性，避免物鏡組的更換以及變焦過程帶來的成像差異，設(shè)計(jì)時(shí)需在系統(tǒng)中增加可調(diào)環(huán)節(jié)。對于物鏡組所成的一次像面，若因物距改變而發(fā)生位置變化，則會(huì)使得光線經(jīng)過物鏡組和準(zhǔn)直鏡組的平行度受到影響，并導(dǎo)致匯聚鏡組的入射光束發(fā)生變化，對整體光學(xué)特性產(chǎn)生影響，增加系統(tǒng)裝調(diào)難度。因此，為使一次像面的位置不變，同時(shí)保持物鏡組和準(zhǔn)直鏡組各自良好的成像特性，將物鏡組和準(zhǔn)直鏡組兩個(gè)獨(dú)立鏡組之間設(shè)計(jì)為可調(diào)區(qū)域，如圖2（a）所示，并設(shè)計(jì)手輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)。另外，為了對物距變化產(chǎn)生的像質(zhì)影響做進(jìn)一步補(bǔ)償，將可調(diào)量放在整個(gè)系統(tǒng)的后截距處，如圖2（b）所示，通過調(diào)節(jié)手輪即可進(jìn)行系統(tǒng)成像面位置的調(diào)節(jié)，保證最終的像質(zhì)。初次使用，通過兩個(gè)位置的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)清晰成像，之后則只需調(diào)區(qū)域1 位置。調(diào)節(jié)光路如圖2 所示。

圖2 大物距范圍調(diào)節(jié)光路示意圖Fig.2 Schematic diagram of optical path for large object distance adjustment

圖2（a）所示光路即是物鏡組光路，其作用是將目標(biāo)成像于場鏡之上，形成一次像面，并以此作為準(zhǔn)直鏡組的物。為了便于調(diào)節(jié)，同時(shí)簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用成熟的柯克式三片物鏡作為初始結(jié)構(gòu)，孔徑光闌設(shè)置于后兩片透鏡之間，將視場角設(shè)在所要求范圍內(nèi)，控制焦距、成像分辨率等參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)物鏡組的設(shè)計(jì)。主要光學(xué)參數(shù)及性能如下：

（1）總長：118～133 mm；

（2）全視場角：14.4°；

（3）焦距：83 mm；

（4）像高：10.41 mm。

設(shè)計(jì)得到的物距在無窮遠(yuǎn)和0.5 m 時(shí)，可調(diào)區(qū)域間距的變化量為15.22 mm，兩種物距下對應(yīng)的MTF 曲線如圖3 所示。

圖3 物距無窮遠(yuǎn)時(shí)物鏡組MTF 曲線Fig.3 MTF curve of objective group at infinite distance

圖4 物距500mm 時(shí)物鏡組MTF 曲線Fig.4 MTF curve of objective group at 500mm distance

根據(jù)上文提到的相機(jī)像元大小，并考慮成像系統(tǒng)的像素利用率以及設(shè)計(jì)難度，將系統(tǒng)成像分辨率率目標(biāo)設(shè)為40 lp/mm 以上，而對于各分鏡組組，分辨率則應(yīng)不小于40 lp/mm。從以上結(jié)果可以看出，增加可間距可調(diào)環(huán)節(jié)后，不同物距下物鏡組MTF 在60 lp/mm 時(shí)均達(dá)到了0.4 以上。

3.2 場鏡與準(zhǔn)直鏡組設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，光線經(jīng)過物鏡組和準(zhǔn)直鏡組后為平行光，此時(shí)光路應(yīng)有足夠長度以設(shè)置分光系統(tǒng)。上文提到，場鏡可有效解決長光路導(dǎo)致的鏡片口徑過大的問題。其結(jié)構(gòu)形式選擇為裝調(diào)方便的平凸結(jié)構(gòu)，并將場鏡平面位置靠近物鏡組一次像面處。裝調(diào)過程中，一次像面附近放置十字絲，聯(lián)合光路中平行光位置的十字絲，利用經(jīng)緯儀對其進(jìn)行觀察，以實(shí)現(xiàn)光路同軸度的調(diào)節(jié)。

為了減小準(zhǔn)直光束的橫向尺寸，其出射視場角要盡量小，因此準(zhǔn)直鏡組的焦距相對物鏡組更大。為方便設(shè)計(jì)，將場鏡和準(zhǔn)直鏡組合在一起同時(shí)校正像差。出于簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的考慮，準(zhǔn)直鏡組采用膠合加單片透鏡的初始結(jié)構(gòu)，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后最終光路如圖5 所示。

圖5 準(zhǔn)直鏡組與場鏡光路示意圖Fig.5 Optical path diagram of collimator group and field group

以上光路為倒置結(jié)構(gòu)，準(zhǔn)直鏡和場鏡組主要光學(xué)參數(shù)及性能如下：

（1）總長：221 mm；

（2）焦距：180 mm；

（3）視場角：6.9°

（4）MTF 曲線如圖6 所示。

圖6 準(zhǔn)直鏡組與場鏡MTF 曲線Fig.6 MTF curves of collimator group and field mirror

可以看到，成像MTF 在50 lp/mm 時(shí)達(dá)到了0.3，像差校正較好。

3.3 匯聚鏡組設(shè)計(jì)

光線經(jīng)物鏡組、場鏡與準(zhǔn)直鏡組后將以平行狀態(tài)依次通過分光鏡組和匯聚鏡組。為了保證準(zhǔn)直鏡組和匯聚鏡組的銜接，使匯聚鏡組光闌和準(zhǔn)直鏡組光闌重合，合理控制準(zhǔn)直鏡組和匯聚鏡組之間的距離，以滿足多通道分光對空間的要求。由2.1 節(jié)可知，軸外光束像方視場角越小，則像面照度差異越小，因此設(shè)計(jì)中對軸外視場光束像方視場角進(jìn)行約束。匯聚鏡組采用4 片分離式結(jié)構(gòu)，設(shè)定像面大小后，將物距設(shè)為無窮遠(yuǎn)，視場角與準(zhǔn)直鏡組的出射視場角匹配，最終設(shè)計(jì)的光路如圖7 所示。

圖7 匯聚鏡組光路示意圖Fig.7 Schematic diagram of optical path of convergence mirror

其主要光學(xué)參數(shù)及性能如下：

（1）總長：170 mm；

（2）像高：14 mm；

（3）焦距：122 mm；

（4）像方視場角：4°；

（4）MTF 曲線如圖8 所示。

圖8 匯聚鏡組MTF 曲線Fig.8 MTF curve of convergence mirror group

圖中40 lp/mm 對應(yīng)MTF 大于0.3，像差校正較好。

因?yàn)閰R聚鏡組與前方鏡組經(jīng)過了銜接設(shè)計(jì)，因此，在實(shí)際應(yīng)用過程中，用戶可根據(jù)需要對匯聚鏡組和相機(jī)組成的接收端進(jìn)行直接替換。

分鏡組設(shè)計(jì)完成后，對各鏡組進(jìn)行整合優(yōu)化，得到單通道光路即基準(zhǔn)光路，如圖9 所示。

圖9 單通道成像光路Fig.9 Single channel imaging optical path

主要光學(xué)參數(shù)與性能如下：

（1）光路總長：924 mm；

（2）視場角：14.4°；

（3）像面大小：Φ14 mm；

（4）有效物距：0.5m～∞；

（5）MTF 曲線及畸變曲線如圖10 所示。

圖10 單通道MTF 曲線Fig.10 Single channel MTF curve

圖11 畸變曲線Fig.11 Distortion curve

可以看到，成像MTF 在40 lp/mm 時(shí)大于0.3，畸變在視場范圍內(nèi)小1%，像差校正較好。

以單通道光路為基準(zhǔn)通道，加入三個(gè)分光棱鏡和兩個(gè)反射鏡，最終設(shè)計(jì)得到四通道光學(xué)系統(tǒng)。

圖12 中，未經(jīng)折反的光路為基準(zhǔn)光路。物鏡組將目標(biāo)成像于場鏡前表面后，目標(biāo)光束經(jīng)過場鏡組和準(zhǔn)直鏡組形成平行光，此時(shí)準(zhǔn)直鏡組入瞳和物鏡組出瞳成互相共軛的關(guān)系，保證系統(tǒng)的良好銜接。平行光束經(jīng)過分光棱鏡和反射鏡后，分為四路光，并由匯聚鏡組將光束成像于相機(jī)。各通道中匯聚鏡組采用同樣的設(shè)計(jì)，光學(xué)性能相同，此處不再贅述。

圖12 四通道分幅光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.12 Structure of four-channel amplitude-framing optical system

本系統(tǒng)還具備一定的拓展應(yīng)用。經(jīng)過物鏡組、場鏡組和準(zhǔn)直鏡組的銜接設(shè)計(jì)，出射光束具有良好準(zhǔn)直性及較小視場角，在實(shí)現(xiàn)三次分光的基礎(chǔ)上，具備更多次分光的能力。而要實(shí)現(xiàn)三次以上結(jié)構(gòu)，需在準(zhǔn)直鏡組到匯聚鏡組之間再加入分光器件，還要適當(dāng)增大準(zhǔn)直鏡組到匯聚鏡組的間距，降低其對各通道成像質(zhì)量的影響。

圖13 和圖14 為八通道（7 次分光）光路結(jié)構(gòu)示意圖。

圖13 八通道分幅光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（正面）Fig.13 Structure of eight-channel amplitude-framing optical system（front）

圖14 八通道分幅光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（側(cè)面）Fig.14 Structure of eight-channel amplitude-framing optical system（side）

圖16 光學(xué)部件各通道視場一致性檢測圖Fig.16 Filed consistency test diagram of each channel of optical component

光束經(jīng)過準(zhǔn)直鏡組之后，通過兩組分光棱鏡將光束分為沿光軸傳輸和沿垂直于光軸方向傳輸，沿光軸傳輸?shù)墓馐^續(xù)通到三次分光，形成四個(gè)成像通道，垂直于光軸方向傳輸?shù)墓馐韧ㄟ^反射鏡將光束進(jìn)行轉(zhuǎn)折，然后再通過三次分光形成四個(gè)分光通道，這樣便形成了八通道成像光路。本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，分光鏡組已預(yù)留了拓展接口。

另一方面，光線在像增強(qiáng)器傳輸過程中，由于熒光屏的存在，導(dǎo)致系統(tǒng)最終分辨率有所下降，因此，對于一些微秒級的曝光現(xiàn)象，可去除像增強(qiáng)器和相機(jī)，更換微秒級工業(yè)相機(jī)直接成像，以最大限度利用光學(xué)系統(tǒng)的高分辨率特點(diǎn)。

4 檢測與試驗(yàn)

4.1 指標(biāo)檢測

4.1.1 光學(xué)部件各通道視場一致性

檢測方法：

以其中一個(gè)通道為例（有限遠(yuǎn)模式下測試）：在物面放置帶有標(biāo)記的同物方視場大小的同心圓，將成像系統(tǒng)對準(zhǔn)物方成像，在光學(xué)系統(tǒng)像面位置處放置探測器，前后調(diào)焦直至圖像清晰，觀察圖像位置及大小，記錄圖像質(zhì)心位置坐標(biāo)（Xi，Yi）。其余三個(gè)通道測試方法同上，以四個(gè)通道質(zhì)心坐標(biāo)平均值（XA，YA）為基準(zhǔn)，計(jì)算每個(gè)通道相對基準(zhǔn)通道的偏差值△=（|Xi-XA|，|Yi-YA|），按公式（13），（14）分別計(jì)算圖像X向、Y向重合度αX，αY：

其中，i=1，2，3，4。

檢測結(jié)果：通道1：αx=97.2%，αy=99.9%；通 道2：αx=99.8%，αy=98.7%；通 道3：αx=99.5%，αy=98.1%；通 道4：αx=97.5%，αy=99.5%。

從以上結(jié)果可以看到，各通道具有很好的成像一致性。

4.1.2 各通道像面照度偏差

檢測方法：

首先將被測通道置于均勻光源（積分球）前，物方朝向均勻光源出光口［22］，均勻光充滿被測通道光學(xué)系統(tǒng)的整個(gè)視場，開啟均勻光源預(yù)熱20 min，將探測器置于被測通道像面處，保證均勻光完全被探測器接收，記錄探測器的讀數(shù)A1。將探測器分別移動(dòng)至其他三個(gè)通道像面處，按照上述步驟分別測試、讀取各個(gè)通道的像面照度A2，A3，A4。以A0（平均值）為參照，計(jì)算各個(gè)通道的像面照度偏差σ，即：

檢測結(jié)果：通道1：-0.5%；通道2：-0.4%；通道3：-1.9%；通道4：2.8%。

圖17 為檢測現(xiàn)場圖。

圖17 利用積分球檢測各通道照度偏差Fig.17 Uniformity of illumination of each channel measured by integrating sphere

圖18 系統(tǒng)整機(jī)均勻性檢測圖Fig.18 Uniformity test picture of the whole system

圖19 光學(xué)部件各通道分辨率檢測圖Fig.19 Resolution test diagram of each channel of optical component

圖20 光學(xué)部件各通道畸變檢測圖Fig.20 Disrortion test diagram of each channel of optical component

從以上結(jié)果可以看到，各通道之間的照度偏差較小，滿足序列成像需求。

4.1.3 光學(xué)部件各通道分辨率

檢測方法：將1951USAF 標(biāo)準(zhǔn)分辨率測試板放置在物面處，在光學(xué)系統(tǒng)像面處放置探測器/讀數(shù)顯微系統(tǒng)，調(diào)整分辨率板姿態(tài)使其清晰成像在探測器或讀數(shù)顯微系統(tǒng)上，觀察分辨率測試板像的圖案，由疏到密一組一組按順序判讀，直到兩個(gè)方向剛好能分辨開的那一組，查看1951USAF 分辨力測試圖，得到其對應(yīng)的分辨率。其余三個(gè)通道測試方法與此相同。

檢測結(jié)果：通道1：72 lp/mm；通道2：71.8 lp/mm；通道3：72 lp/mm；通道4：72 lp/mm。

可以看到，各通道成像分辨率滿完全滿足拍攝需求。

4.1.4 光學(xué)部件各通道畸變

檢測方法：

以其中一個(gè)通道為例（有限遠(yuǎn)模式下測試）：

在物面處放置網(wǎng)格板，網(wǎng)格板經(jīng)過被測光學(xué)系統(tǒng)成像至探測器，保存圖像，再將網(wǎng)格板方位、俯仰方向傾斜一個(gè)小角度，保存圖像，由Imatest圖像分析軟件分析，計(jì)算其畸變大小。其余三個(gè)通道測試方法同上。

檢測結(jié)果：通道1：-0.9%；通道2：-0.7%；通道3：-0.8%；通道4：0.9%。

從以上結(jié)果可以看到，各通道成像畸變控制合理。

通道4：相較通道3延遲75 μs，脈寬10 μs，增益0。

拍攝圖片如圖21 所示。

圖21 現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)拍攝圖片F(xiàn)ig.21 Pictures taken in the field experiment

從拍攝圖片可以看出，系統(tǒng)在與激光器協(xié)同的基礎(chǔ)上，各通道在不同時(shí)刻拍攝的高速模型圖像質(zhì)量及一致性良好，可滿足高速現(xiàn)場序列拍攝需求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種四通道分幅光學(xué)系統(tǒng)，分析了平行分光分幅系統(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵，并在光路系統(tǒng)計(jì)算的基礎(chǔ)上完成了設(shè)計(jì)實(shí)例?；谙嗤镧R組，設(shè)計(jì)可調(diào)環(huán)節(jié)，在保證一次像面位置不變的情況下，通過特定位置的間距調(diào)整獲取不同物距下目標(biāo)的高一致性圖像。通過像差獨(dú)立校正和銜接完成分鏡組設(shè)計(jì)，整合分鏡組并優(yōu)化形成單通道光路，加入分光鏡組后合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局，形成四通道光學(xué)系統(tǒng)。對裝調(diào)后的整機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)室測試，成像一致性大于98%，各通道實(shí)際分辨率達(dá)到了72 lp/mm，可在工業(yè)現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的序列拍攝。該系統(tǒng)有望在高速目標(biāo)的測量與相關(guān)產(chǎn)品的工程研制方面發(fā)揮重要作用。