长焦距激光光学系统焦距测试方法分析

摘要：为了对长焦距激光光学系统的焦距进行测试，在自准直原理的基础上对测试精度进行分析，利用分光镜、精密测角仪以及波前采集系统等对焦距进行测试，通过CCD探测器对自准直点源进行扫描，本文共介绍两种激光光学系统焦距的测试方式，即扫描定焦法与质心算法，从该测试结果中能够看出，此种方法十分适用于长焦距激光光学系统焦距的测试。

关键词：长焦距；激光光学系统；测试方法

在系统装置中，激光光学系统焦距将对整个光路连接起到直接影响，从而影响着激光传输的质量以及打靶性能。为了保障激光的传输质量，需要对其在传输过程中的系统焦距进行严格的把控。在以往传统的焦距测量中，主要采用的是精密测角法，这种方式需要人工读数，因此存在较大的误差。本文将在自准直原理的基础上对测试精度进行分析，利用分光镜、精密测角仪以及波前采集系统等对焦距进行测试。

1 系统测试的设计

在测试系统的设计中，主要采用分光镜、精密测角仪、CCD探测器、控制计算机等设备。在以往的测试中，通常利用光纤激光器来确定点源，中心波长为1053nm，输出部分的光纤类型为单模，芯径的长度能够充分符合被测系统的1倍衍射极限。对于平行光管的焦距要求超过被测系统焦距的35倍，因此在研发平行光管时，需要投入较大的经费，并且对环境的要求十分严格，后期的维护费用较高。而目前所采用的光纤点源则能够有效的克服上述问题。

利用光纤点源的方式进行系统测试，通过点源发出的激光在经过系统后的透射波前能够决定出点源的位置和资源，将点源放置到五维调节机构当中，则对点源姿态和位置的调整能够使离焦系数变小，进而确定出点源宇被测光学系统的焦点位置。从点源处散发出的激光，经过光学系统之后将被微透镜矩阵进行分割，对子孔的平均斜率进行计算，在Shouthwell的模型下对被测系统的透射波前进行计算，计算结果中包含着本身系统的透射波前，需要对系统本身的波前进行标记，在使用的过程中将其剔除，然后进行相对测试[1]。

采用长度为5m的平行光管对波前采集系统进行标定，光管中全口径的波前峰谷数值应保持在105.3nm以内，在缩束系统口径范围内，并且波长为1053nm时，平行光管的波前误差可以不在考虑范围之内。在测试中，将缩束系统当作为本底，并且进行十次的相对测试，得知波前采集系统的PV平均值保持在0.089λ左右，RMS的数值约为0.011。CCD探测器是根據靶面的大小与量化位数进行选择的，靶面的大小应与平面反射镜旋转过程中最佳角度相适应，利用定焦算法能够对点源的移动线量进行计算，因此对于CCD来说，量化位数越高则代表测量的效果越好。在本次测试中，探测器的参数为13μm，靶面的大小为13.3mm×13.3mm，量化的数位为16位。

2 系统测试的方法

2.1 扫描定焦法

对图像是否定焦的主要检测方式有灰度方差法、能量谱法，在计算的过程中，需要注意算法的使用应做到快速以及实时测量，并且尽量将周围的噪声进行控制，以此来减少对测量结果产生的不良影响。在测试的过程中，首先进行大致的扫描对最为良好的像面位置进行确定，然后逐渐缩小长度，通过扫描定焦法的方式来确定最终最佳的镜面位置[2]。

在具体的测试过程中，首先将CCD探测器放置在电控平移台中，并将其当前所在位置标记为S0，以步长l对其进行扫描，每步的点源图像标记为Ii，i的取值范围在1k之间，测试中使用的是光纤激光器，因此输出功率具有较强的稳定性，在均方差上总是超过1%，因此点源图像的灰度数值最大为Mi，并且以此为依据对最终像面的评价值进行扫描和寻找。当扫描到k点时，Mk即为最大值，此时的Sk的数值，则为原始点S0的数值与kl数值相加之和。然后，以Sk所处的位置为中心，逐渐以h比例缩小扫描的范围，最终利用探测器以步长t对像面进行扫描，使每个点源的子午与弧矢方向被计算出来，将其作为纵坐标，以扫描的距离为横坐标，当子午与弧矢同时存在峰值的状况时，二者所处的位置便是最佳的像面位置[3]。

2.2 质心算法

所谓的质心算法其中包括拟合法、加权质心算法以及亚像元相关法。其中，拟合法在使用过程中，受噪音的影响较大，并且计算较为繁琐。亚像元相关法虽然具有较高的计算精度，但是其计算数量庞大，因此也不是最佳选择。故而，本文选用加权质心算法来完成测试。由于点源以灰度为确立的标准，灰度的最大值便是中心区域，点源像的分布有强度之分，与高斯分布相类似，由此可用公式表示为：

其中，I0代表的是在时间T范围内，向CCD探测器中投射进去的光信号总能量；以（xc，yc）来代表点源像能量的具体位置，也可以被看作为质心的位置；σ代表的是高斯弥散的半径。从上述测试中能够得知，光信号能量中的大部分都集中在3σ的范围内，因此应以灰度最大值作为点源的中心，并且选择适当的窗口对质心的位置进行进一步的确定，公式为：

其中，像元（i，j）中横坐标与纵坐标的表示方式为Xij与Yij，而Iij代表的则是像元（i，j）中的灰度值，T代表的是背景阈值。

3 结语

综上所述，本文在自准直原理的基础上对测试精度进行分析，利用分光镜、精密测角仪以及波前采集系统等对焦距进行测试，并且介绍了两种激光光学系统焦距的测试方式，即扫描定焦法与质心算法，有效克服了以往测试过程中在方法上存在的不足，能够对长焦距光学系统焦距进行准确测试。本文为了对上述测试方法的有效性进行证实，选取7171焦距的光学系统焦距进行测试，通过对测试结果的分析得知，当扩展不确定度k的数值为2时，将达到最佳的测试效果。

参考文献：

[1]白瑜.长焦距宽光谱红外双波段消热差探测成像光学系统研究[D].电子科技大学，2017.

[2]李响.空间光学遥感器检测中大口径平行光管应用技术研究[D].中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所），2014.

[3]马韬.多层衍射光学元件设计理论及其在混合光学系统中的应用[D].浙江大学，2016.

作者简介：丁朝俊（1986），男，汉族，深圳人，本科，当前职务：教师，初级职称，研究方向：激光、光纤、光学器件。