小视场红外探头标定用离轴反射式平行光管设计

于剑 ，张国玉 ，2

(1.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；2.光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室，长春 130022))

地球张角是衡量准直式红外地球模拟器精度的重要指标，而小视场红外探头是标定地球模拟器张角的关键部件，为测试小视场红外探头的视场，采用平行光管与两轴转台相结合的方案对其视场进行标定[1]。本文所设计的离轴反射式平行光管仅作为提供光源的一种载体，为标定被测探头的视场提供准直光源。

1 小视场红外探头视场标定原理

视场标定装置如图1所示。离轴反射式平行光管1由离轴抛物面镜6和平面反射镜5组成，在平行光管的焦点处放置一个小孔光阑3，小孔光阑的后面为调制器2和黑体1，两者的作用是使光管产生一定张角的调制平行光。在两轴转台7上放置被测小视场红外探头8，探头为红外望远镜头，平行光在探头焦面上的热敏电阻上成像(热成像)，使探头输出电压信号。当成像在视场边界上时，输出值为峰值的50%左右，由此可确定视场边界。

2 平行光管方案的确定

透射光学系统由于受到光学材料的限制，很难做到大口径和轻量化设计，反射式系统受材料限制小，便于轻量化，完全没有色差，各种波长光线所成的像是严格一致完全重合的，可以在紫外到红外的很大波长范围内工作，传输能量大，系统透过率高。所以拟采用反射式系统。

图1 小视场红外探头视场标定装置Fig.1 The equipment for calibration of small FOV infrared probe

而在球面反射镜和非球面反射镜两种方案中，球面反射镜仅有一个参数R决定其面形，它在系统中当光阑位于球心时，不产生像散，球差也很小。非球面其面形是由几个参数决定的，能使平行光束完善地会聚于一点，但加工难度大。由于被测件精度要求较高，所以选用抛物面反射镜，为保证反射面不变形，中心厚度应取厚一些。

为使抛物面反射镜的焦点正好在光轴上，同时光管要求在有效孔径内不能被遮挡，所以要从大的抛物面镜中偏离光轴切割出所需孔径，这样便成为离轴式抛物面反射镜[2]。

离轴的特点使平行光管成像不会产生很大的模糊，这一特点是非常有价值的，主要是由于发射或接收的信号都没有被遮拦。偏斜的反射镜为平板式，对从红外平行光管出射的光束进行重导，整个反射镜的光学特性较为成功。

该光管作为准直光源使用，其原理是在光管离轴抛物面反射镜焦点处放置一光源，其发出的一束光入射到平面反射镜后，经反射投射到离轴抛物面反射镜上，然后形成具有一定准直精度的平行光。

实际使用中，红外光源是不可能放在焦点处的，通常采用在焦点处放置光阑孔，用具有足够张角的红外光源照亮，从而形成等效光源。光阑孔的大小就是抛物面反射镜焦点上的光源直径的大小，它决定光管出射的平行光的张角。

3 设计思想

根据系统的技术指标，焦距 f=800mm，有效口径D=160mm，工作波段14～16m，视场0.1°，准直精度30"。因为平行光管的焦距和口径都已确定，所以在设计过程中要考虑离轴量h的大小，平面反射镜的大小及其放置的位置。在设计时，可将平行光管作为对无穷远目标成像系统来考虑，在同一视场内，离轴量h越大，光学系统成像的弥散斑越大，对系统的成像质量有一定的影响；而离轴量h的增大会增加非球面度和母抛物面直径，从而增加了加工难度和加工周期，所以在设计时，应尽量减小离轴量h的大小，但离轴量h过小会造成平面反射镜遮挡出射光束的现象。因此平面反射镜应放置在不遮挡视场边缘出射光束的位置上，同时距离光源要有一定距离，考虑到平面反射镜的结构装卡需要，图2中的平面反射镜上端面至系统下方出射光束的距离a应大于2mm，平面反射镜的下端面至焦点的距离b应大于10mm就可以满足上述要求[3]。

图2 离轴反射式平行光管光路图Fig.2 Optical path of the Off-axis Parabolic Reflective Collimator

轴对称二次曲面方程一般表示为：

式中，z为曲面上各点沿光轴方向坐标；r为光线与曲面交点高度；c为顶点曲率；k为二次曲面常量，k=1时二次曲面为抛物面。

根据已知数据，应用ZEMAX软件进行离轴设计，选取主镜和次镜的离轴量，在设计过程中对数据进行调整及优化。优化后系统结构参数如表1所示。

将离轴量h与a、b综合考虑，经过几次试取h值后，离轴量h=110mm；主镜与次镜距离640mm；平面镜半径尺寸为16mm；a大约为8.8mm，b大约为66.7mm，满足a、b距离的要求。

在设计过程中得到以下结论：

(1)当主镜的离轴量增大时，平面反射镜的最大尺寸也在增大，而a也在变大，则平面镜的可调范围也越大[4]。

(2)由离轴抛物面反射式平行光管的工作原理可以看出，平面反射镜只是起到了折转和折叠光路的作用，因此对平面反射镜位置的恰当放置可以减轻平行光管的体积和重量[5]。

表1 光学结构参数表Tab.1 Optical structure parameters

图4 系统点列图Fig.4 The system spot diagram

图5 系统调制传递函数Fig.5 The system MTF

图6 系统波前图Fig.6 The system wavefront map

4 像质评价

由准直度与分辨力之间的关系式

式中： 为准直精度；f'为系统焦距；d为系统最小弥散斑直径。根据上述公式

系统点列图如图4所示，系统各视场的衍射光斑弥散点都在艾里斑之内，且各视场的弥散斑直径均小于技术指标要求的116.355m，由图5的MTF曲线图可以看出各视场传递函数曲线也基本与衍射极限重合，而图 6系统波前图可以看出波前差为0.0878个波长已经达到1/11个波长。综合以上像质分析，系统成像质量良好，且达到所要求的准直精度。

5 结论

为实现对红外探头进行视场标定，本文设计了一种离轴反射式平行光管，根据所提出的技术指标，确定了平行光管的具体结构参数。针对像质分析看出，该系统像差校正良好，且达到了所提出的准直精度要求，设计方案正确可行。

[1]段洁，孙向阳，张国玉，等.卫星实验用小型地球模拟器张角测试方法的研究[J].仪器仪表用户，2008，15(6)：8-10.

[2]杨力，吴时彬，高平起，等.420mm离轴抛物面反射镜的制造[J].光学技术，1998(3)：44-47.

[3]王响.反射式准直系统设计与检测[D].中国优秀硕士学位论文全文数据库，2007.

[4]赵茗，黄德修，刘小英，等.离轴抛物面反射式平行光管的结构设计[J].华中科技大学学报，2005，33(4)：67-69.

[5]田海雷，汪岳峰，张伟.离轴抛物面反射式红外平行光管设计[J].红外技术，2007，29(12)：701-707.