近红外匀光照明系统仿真与测试

杨 双 ， 朱光武 ， 周 顺 ， 张 鋆

（1.中国科学院 国家空间科学中心，北京 100190；2.西安工业大学 陕西 西安 710032；3.中国船舶工业集团公司船舶系统工程部 北京 100036）

在有些飞行器的科研试验中需要在侧面安装具有一定光束发散角的信标系统。当飞行过程中，地面探测跟踪设备对飞行器上的信标进行探测和捕获，来确定飞行器的位置和姿态。

为此文中设计了一种以中心波长808 nm的近红外匀光照明系统，具有结构紧凑、发散角大、光斑均匀性好等特点。

1 近红外匀光照明系统设计及优化

近红外匀光照明系统的光源的波长为808 nm，而半导体激光器（Laser Diode）不仅具有重量轻、体积小、设计简单等特点，而且有单色性高、方向性高的特性，可被作为理想的信标光源。

半导体激光器出射激光经过光纤耦合后的发散角为十几度，而地面上的探测跟踪系统需要在距离飞行器一定距离上够探测到信标，这要求光纤输出端的光束发散角增大到90°，这就需要在光纤输出端配合激光扩束镜头来实现。

传统上的激光扩束镜头是采用扩大激光束腰直径的方法，减小激光发散角，提高激光出射的准直度[1]。而本近红外匀光照明系统中的采用的激光扩束镜头主要作用是使得激光出射光束发散，而且为保证光斑的均匀性，扩束镜头需要进行像差设计。对于扩束装置光学系统的像差分析只需考虑其单色像差，包括球差、彗差、像散、场曲和畸变[2-5]，所以方案采用多透镜组的结构形式，文中选用的是三组四透镜以矫正光轴上的像差，结构如图1所示。

图1 光学镜头结构示意图Fig.1 Structure diagram of optical lens

根据系统的要求，光学系统的物方数值孔径为NA=0.22，光谱中心波长λ0=808 nm，光谱带宽为4 nm，即λ=806～810 nm。为了保证系统外形尺寸要求，选择光学组件物距L0≤25 mm，透镜最大边缘尺寸D≤30 mm，系统总长度≤18 mm.因此选择合理的光学系统结构[6]进行初始设计。由于本系统不同于传统的光学系统，其出射的光束是发散的，因此不能用ZEMAX软件默认的优化函数[4]进行设计。系统的光源为从光纤的出射端面，光纤端面出射的光纤在各个方向上可以认为是均匀的，出射光束的均匀度与照明面上光束的空间角度分布有关，根据此特性，采用不同孔径的出射角作为根本的评价标准，控制光束的发散角，并设置合理的权重进行优化，得到光学系统的结构如图2所示。

图2 ZEMAX仿真光源光纤照射示意图Fig.2 ZEMAX simulation fiber optic light source irradiation diagram

2 近红外匀光照明系统的测量

近红外匀光照明系统的测量主要测试出光发散角和光斑的均匀性。对于小发散角的光束发散角和光斑测量方法常用的有 CCD（Charge-coupled Device）成像测量法，优点是能直观的测试，缺点是缺点是对于发散角很大的镜头出射的激光需要重新设计一套广角镜头来配合使用，可能引入误差，成本升高而且结构复杂。

而对激光器的发散角和光斑均匀性进行测量，可以转换成测量距离镜头一定距离处的功率。半导体激光器的功率测量方法主要有光电型、热释电型、热偶型3种[7]。由于探头距离发散透镜较远，在探头处的能量是级的，所以结合上面的几个测量方法，光电型的功率计线性范围为纳瓦至毫瓦级，适合本测试方案。测试方法示意图如图3所示。

图3 镜头测试示意图Fig.3 Lens test diagram

均匀发散镜头通过固定支架固定在步进电机驱动的精密转台上，而且保证转台的转轴经过镜头出射光线反向延长线的焦点。这样镜头在转动过程中，可以被看做是镜头一直绕着这个虚拟出光点来转动。然后通过水准仪调整镜头的光轴跟探测器的中心在一条直线上，保持探测器位置不变，使得均匀发散镜头从-50～50°转动，用探测器探测所在位置的激光强度。这种测量方法相比与CCD测量法，不需要重新设计广角镜头，节省成本且简化结构。

精密转台采用的恒转矩均匀细分的电机驱动方法。该方法是通过精确控制电机的相电流，使得相电流的合成矢量恒定[8]。例如步进电机在不细分的整步状态下的步距角为1.8°，若进行了50细分的状态，步进电机的步距角仅为0.036°。均匀细分的目的是提高点击的运转精度，实现电机步距角的高精度细分，而且能减少步进电机运行时的振动，使得转台转动过程中更加平稳。

测试环境是在光学暗室里，配合高精度转动平台测量，能很好的模拟使用过程中的测试环境，来达到相应的测试效果。测试方法如下：

1）将镜头通过光具座固定在高精度转动平台上；

2）调节镜头的光轴跟探头的中心在一个轴上；

3）通过上位机界面控制高精度转动平台向左旋转直至功率计数值为0；

4）开始向右旋转，每次旋转0.1度，并记录功率计的值；

5）测完一组之后，将光具座上的镜头在垂直于光轴的面上旋转 60°和 120°重复 3）～4）的操作。

需要注意的是激光器本身输出光功率在一段时间内会有一定的波动，在测量过程中，存在读数不够准确的情况。因此在试验中，采用的是最大最小值求平均值的方法以减小误差。测试结果如表2所示。

表1 ±50°角度内实际测得的照度值Tab.1 Actual measured illuminance value in ±50°angle

将测得的数据绘图如下图4所示，横坐标表示转动角度为±45°，纵轴表示实际测得的照度值。

图4 ±45°角度内均匀性曲线Fig.4 Uniformity of the curve in ±45°angle

结果表明发散角大于90度，而且均匀性在±45°角内达到70%。由上图可以看出功率值并不是关于0°左右对称的，有点偏心。

在光学测试中，测试方法都不可避免的存在一定的测试误差，影响测试精度的因素很多，也非常复杂，最主要的有以下几个方面：

1）调焦误差：在光学系统的测试过程中，最终测得的功率值随着离焦量的增大而减小，调焦精度的高低对测量精度有直接影响的。测试系统应保证各个组件的端面平行，而且同轴，使得功率计所在的位置初始位置恰好落在镜头光轴的延长线上。整个测试系统的主体在一个水平导轨上，从中心到边缘依次放置光纤、待测镜头、镜头支架和功率计。在测试过程中，虽然步进电机采用电流细分微步距运行的，但仍有一定的振动，导致存在一定的对准误差。

2）功率计影响：系统采用光电的功率计，直径为10 mm，在5 m外可以近似看作一个点，但功率探头的灵敏度也存在一定的测量误差。半导体激光器会有小于3%的纹波波动，导致读取功率计数值的时候相应的会有个波动。在此采用读取最大值和最小值然后取平均值的方法，计算得出的平均值仍与真实值有一定的误差。

3）镜头的装调：光纤的端面处于透镜组的焦面不一定完全重合从而导致出光的一定的偏差，可以经过装调优化解决。

3 结 论

文中针对飞行器飞行试验中需要信标系统供地面设施探测的需求，设计了一种近红外匀光照明系统，并采用ZEMAX的仿真和优化。比对常用的CCD测量方法，设计了一种大发散角和光斑均匀性的的测量方法，并通过了实验验证。理论计算和实验测试结果表明，该近红外匀光照明系统发散角优于90°，而且照度均匀性在±45°角内优于70%，并且该照明系统用于某型机载设备上进行测试，满足系统应用要求。

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