离轴反射式多光轴平行性测试系统设计

贺祥清　段媛　刘志辉

（四川九洲电器集团有限责任公司，四川绵阳　621000）

离轴反射式多光轴平行性测试系统设计

贺祥清段媛刘志辉

（四川九洲电器集团有限责任公司，四川绵阳621000）

基于光电系统多光轴平行性测试需求，提出了一种大口径离轴反射式多光轴平行性测试系统的设计方案。该系统没有中心遮挡、透过率高、像质好，结合CCD和图像采集处理组件，能够实时采集激光光斑图像、可见光图像和红外图像，计算出各光轴之间的偏差，实现光电系统可见光、近红外和远红外光轴平行性测试和校准，具有测试波段宽、测试精度高的优点。

离轴反射式多光轴平行性测试

1　引言

光电系统常配置可见光成像装置、红外热像仪和激光测距机等光电传感器，覆盖波段宽，存在可见光、远红外和近红外（激光）3个光轴，光轴之间的平行性制约着光电系统的瞄准精度。

目前常用的光轴平行性测试方法主要有：投影靶法、激光相纸检测法、五棱镜法、小口径平行光管法和大口径平行光管法等［1-4］。投影靶法和激光相纸检测法结构简单，成本低，但随机误差较大，精度受限；五棱镜法常用于检测双筒望远镜光轴平行性，通用性不强；小口径平行光管法，口径小，误差环节较多，精度不高；大口径平行光管法常采用离轴抛物面反射镜产生平行光束，具有口径大，没有中心遮拦，透过率高、像质好的优点，被广泛应用于高精度的多光轴平行性检测和校正系统中。

本文采用大口径平行光管法，结合光电检测和数字图像处理技术，设计了一套离轴反射式多光轴平行性测试系统，该系统具有实用性强、操作简单、精度高等特点。

图1　大口径离轴反射式多光轴平行性测试系统组成

图2　平行光管示意图

2　系统组成

离轴反射式多光轴平行性测试系统由大口径离轴反射式平行光管、图像采集处理组件和三维调整平台组成，如图1所示。其中，大口径离轴反射式平行光管包括主反射镜、次反射镜、多光谱ZnS分光镜、CCD、十字靶标和光源、衰减片以及用于自准直的平面反射镜；图像采集处理组件包括图像采集卡、计算机及处理软件。

2.1平行光管

平行光管为测试系统提供无穷远目标，满足全波段工作，光束无中心遮拦。为提高测试系统的检测精度，采用大口径长焦距设计，其口径 D=300mm，焦距 f=3600mm，平行光管示意图如图2所示。

图3　靶标支路MTF

图4　CCD接收支路MTF

图5　靶标支路点列图

图6　CCD接收支路点列图

在平行光管中，利用45°放置的多光谱ZnS分光镜形成一对共轭焦面，在其中一个焦面上放置十字靶标，使用卤素灯照射，形成多光谱光源，另一个焦面上放置CCD，用于检测激光光斑位置。当用CCD采集激光光斑时，通过该分光镜可将十字靶标的自准直像反射到CCD上，得到激光的瞄准中心，当通过平行光路发射激光时，该分光镜反射激光，在CCD上得到激光光斑的图像。衰减片用于衰减激光测距机发射的脉冲激光能量，避免损坏CCD。平面反射镜用于反射十字靶标的自准直像，采用K9玻璃，表面镀银和介质保护膜。

2.2图像采集处理组件

图像采集处理组件由图像采集卡、计算机及处理软件组成，能够实时采集激光光斑图像、可见光图像和红外图像，计算出各光轴之间的偏差。

3　测量原理

如图2所示，在平行光管前放置用于自准直的平面反射镜，将平行光管十字靶标的自准直像反射到CCD上，记录此时CCD上十字靶标共轭像的中心坐标（1x，1y），移开平面反射镜。

在检测多光轴平行性时，需要选定3个光轴之一作为系统基准轴，本系统中，将光电系统可见光光轴作为基准轴。利用升降平台将平行光管的十字靶标中心和可见光成像装置的图像中心调重合，此时，光电系统的可见光光轴与平行光管光轴平行，作为平行性测试系统的基准轴。

由光电系统激光测距机发射激光光束，用图像采集处理组件测量出CCD上激光光斑的中心位置（2x，2y），可计算出激光光轴（近红外光轴）与可见光光轴的平行性偏差角，式中 f为大口径离轴反射式平行光管的焦距。

用光电系统的红外热像仪接收平行光管的平行光束，通过图像采集处理组件测量出红外热像仪图像上的平行光管十字靶标中心与红外热像仪的图像中心的偏移量（3x，3y），可计算出远红外光轴与可见光光轴的平行性偏差角，式中f′为光电系统红外热像仪的焦距。

调节光电系统红外热像仪图像上的平行光管十字靶标中心与红外热像仪的图像中心重合。由激光测距机发射激光光束，用图像采集处理组件测量出CCD上激光光斑的中心位置（4x，4y），可计算出近红外光轴与远红外光轴的平行性偏差角

4　离轴反射式平行光管设计

大口径离轴反射式平行光管口径 D=3 0 0 m m，焦距f=3600mm，视场 2ω-0.3°，工作波段 λ=0.5μm～10μm，主反射镜和次反射镜均为非球面，变量较多，便于优化设计，平行光管光路如图2所示。本系统中工作波段越长，光学设计越容易达到衍射极限，因此设计过程中主要考虑1.064μm的近红外激光波段。

调制传递函数MTF是光学系统性能判据中最全面的判据，特别是对于成像系统，它能全面定量地反映光学系统的衍射和像差所引起的综合效应。MTF值（模量传递函数）是对镜头的锐度、反差和分辨率进行综合评价的数值，是体现光学系统优劣的一个综合指标，其值是介于0到1之间的数值，对于红外系统一般要求探测器截止频率处的MTF达到衍射极限的70%～80%左右为优。本系统在室温条件下使用，调制传递函数MTF如图3和图4所示。

光学像质评价常用点列图，点列图中点的分布可以近似地代表像点的能量分布，利用这些点的密集程度能够衡量系统成像质量的好坏。点列图的分布密集状态可以用均方根半径值来表示，均方根半径值反映了光能的集中程度，与几何最大半径值相比，更能反映系统的成像质量，如果点列图的均方根半径值接近或小于爱里斑半径，则系统接近衍射极限。室温条件下，1.064μm处的点列图如图5和图6所示。

从靶标支路和CCD接收支路的MTF曲线和点列图可以看出，测试系统接近衍射极限，光能较为集中，满足测试系统使用要求。

5　系统误差分析

测量误差是评价测试系统能力的一项重要指标，测量误差越小，测试系统的精度越高。本测试系统的测量误差主要来源于平行光管的光学系统误差、CCD采集系统的像元分辨率以及被测光电系统的可见光成像装置和红外热像仪的像元分辨率［5］。

平行光管光学系统误差主要来源于光学系统衍射条件限制和慧差、像散以及光学加工误差。光学系统像质受衍射限制，弥散斑为爱里斑，爱里斑直径为d，对由衍射造成的轴上光线不平行性用光线的发散角θ ′表示，θ1′-arctan（d2f ）×3600′。对于轴外物点，存在慧差1和像散，用弧矢慧差角弥散 θ2′表示，式中：ω 为半视场角，。光学加工误差造成一定的像差，引起光学系统存在一定的光线平行差。设主反射镜面形加工误差为λ，次反射镜面形加工误差为λ，由光学加工误差造成的波像差（1）近红外与可见光光轴平行性测量误差。设CCD采集系统的像元尺寸为5.2μm，对于焦距 f=3600mm的平行光管，像元分辨率θ2-0.3′，设可见光成像装置像元分辨率为 θ3-3′，则近红外与可见光光轴一致性测量误差为

Δω-fffff6，光学系统的孔径角为u-fffff5，光学系统的球差为LA-fffff4，球差引起的光线不平行差θ′-arctan（LA* u f）。经分析3平行光管光学系统误差为

（2）远红外与可见光光轴平行性测量误差。设红外热像仪的像元尺寸为0.03mm，焦距为300mm，则红外热像仪的像元分辨率约为20′，通过像元细分技术，可得到45θ′′-的精度，则远红外与可见光光轴一致性测量误差为

（3）近红外与远红外光轴平行性测量误差。由上面的分析可知，近红外与远红外光轴一致性测量误差为- ±5.03′。

6　结语

本文基于大口径离轴反射式平行光管，设计了一套多光轴平行性测试系统，该系统没有中心遮挡，透过率高、像质好，结合CCD和图像采集处理组件，能够实时采集激光光斑图像、可见光图像和红外图像，计算出各光轴之间的偏差，避免了人眼主观判断而引入的误差。本系统具有测试波段宽、测试精度高、操作简单等优点，能满足光电系统多光轴平行性测试要求。

［1］曾嫦娥，张俊生，沙定国，等.脉冲激光测距机接收轴与瞄准轴平行性测试方法研究［J］.光学技术，2005， 31（增刊）：112-117.

［2］黄战华，廖可，朱猛，等.光电瞄具多光轴平行性检测系统的设计与研究［J］.激光技术，2013， 37（5）：571-576.

［3］富容国，常本康，钱芸生，等.激光指示器光轴调校技术［J］.光学技术，2007，33（2）：239-240.

［4］马世帮，杨红，杨照金，等.光电系统多光轴平行性校准方法的研究［J］.应用光学，2011， 32（5）：917-921.

［5］黄静，刘朝晖，折文集，等.室内多波段光电一致性测试系统的设计［J］.应用光学，2007，28（5）：663-666.

贺祥清（1978-），男，四川资阳人，硕士，主任设计师，工程师，研究方向：光电探测。