空间频率
系统测试方案-王羲之字帖
2023年3月19日发(作者：基层管理)一种提高四杆靶标空间频率的光学系统设计
宋佩珊;白廷柱;徐长彬;夏寅辉;邵龙
【摘要】Becausethesmall-sizedfour-bartargetsusedinhigh-
performanceinfraredimagingsystemMRTDtestingaredifficulttoprocess
andevenimpossibletoprocessundertheexistingmachiningprocessing
level,anoff-axisthree-mirrorimagingopticalsystemwasdesignedby
gingopticalsystemismadeupofthree
ulationresultsshow
thattheimagingqualityofthedesignedop-ticalsystemisgoodand
closestothediffractionlimit,andthisopticalsystemcanmeettheMRTD
testingrequirementsofthehigh-resolutioninfraredimagingsystem.%针对
高性能红外成像系统MRTD测试用的小尺寸四杆靶标加工难度大,甚至以现有加工
水平根本无法加工的问题,采用ZEMAX软件设计了一款离轴全反射成像光学系统.
系统由三个非球面反射镜组成,放大倍数为0.4.仿真结果表明,本文设计的光学系统
成像质量良好,接近衍射极限,加入现有的测试系统中可以满足高分辨率红外成像系
统MRTD测试需求.
【期刊名称】《激光与红外》
【年(卷),期】2017(047)004
【总页数】5页(P490-494)
【关键词】四杆靶标;空间分辨率;光学成像;离轴三反
【作者】宋佩珊;白廷柱;徐长彬;夏寅辉;邵龙
【作者单位】北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室,北京
100081;北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室,北京
100081;华北光电技术研究所,北京100015;华北光电技术研究所,北京100015;北
京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室,北京100081
【正文语种】中文
【中图分类】TN214;TH74
红外成像系统的多项性能指标中,最小可分辨温差(MinimumResolvable
TemperatureDifference,MRTD)是红外成像系统温度分辨率和空间分辨率的综合
评价参数,在对MRTD进行测试时,需要将不同空间频率且高宽比为7∶1的四杆靶
标作为探测目标,最小可分辨温差能同时反映系统的温度灵敏度和空间分辨力,它融
合了系统的成像质量与观察者的主观因素,是评价红外成像系统性能的一个重要参
数。
自20世纪70年代,国外先后提出了几种红外成像系统的性能测试原理,并在此基础
上实现了实验室测试[1]。现在研制生产红外成像测试设备的公司有美国的SBIR公
司和EOI公司、波兰的Inframat公司以及以色列的CI-Systems公司等。对
MRTD进行实验室测试时,需要利用黑体辐射源和一系列不同空间频率的标准四杆
靶标,通过改变辐射源温度来获得稳定的背景与目标温差[2]。测量时需要根据被测
成像系统的特征频率来选取靶标,一般选择空间频率为0.2f0、0.5f0、1.0f0、1.2f0,
其中,f0为被测红外成像系统的特征频率。当对高性能的红外成像系统进行MRTD
测试时,需要相应空间频率的四杆靶标,但是由于制作工艺的局限性,四杆靶标的可实
现尺寸有限,无法满足高性能红外成像系统的测试需求。
为实现对高性能红外成像系统的MRTD测试,本文采用ZEMAX软件设计了一款离
轴全反射成像光学系统对靶标进行缩小成像,整个系统由三个非球面反射镜组成。
该系统无色差,可以满足宽波段测试要求,透过率高并且没有中心遮拦,减少了能量损
失,可以大大改善系统的成像质量[3]。仿真结果表明该系统成像质量良好,可以满足
高分辨率红外成像系统MRTD测试要求。
MRTD的实验室测试系统如图1所示,该测试系统由黑体辐射源、标准四杆靶标、
离轴反射式平行光管、精密转台和计算机控制系统组成。通过改变黑体的温度来获
得目标与背景的高精度温差,通常要求在环境温度20～25℃时,温度变化精度小于
0.02℃[4],四杆靶标安装在靶标轮上,使用时通过旋转靶标轮切换测试靶标,将测试
的靶标置于平行光管的焦平面处。光线经由平行光管在出瞳口以平行光出射,借以
模拟无穷远目标,精密转台使红外成像系统光轴与平行光管光轴保持一致。
MRTD是目标的空间频率和目标与背景温差的连续函数,测量时一般选择空间频率
为0.2f0、0.5f0、1.0f0、1.2f0的四杆靶标依次进行测试,其中,f0为红外成像系统
的特征频率1/[2×DAS](DAS是红外成像系统探测器的像元对其物镜的张角)。
MRTD的测试需要多个不同频率的四杆靶完成包含低频、中频和高频点的测试。
对于高分辨率的红外成像系统,像元尺寸一般很小,其特征频率相对较高,相应的四杆
靶标的尺寸要加工到很小,这就对靶标的制作工艺提出了相当高要求,甚至无法制作
加工。此外,对于所用透射式靶标,当杆间缝隙过小时,红外辐射能量透过靶标时将有
一定程度的衰减,影响测量精度。为了满足MRTD测试对空间频率的要求,本文设计
了一款提高四杆靶标空间频率的光学系统设计,通过成像的方式“缩小”靶标,提高
四杆靶标空间频率。
3.1系统参数
系统设计的指标参数如表1所示。光学系统的波长范围应至少包含被测成像系统
的光谱范围,波长设定为3～5μm、8～12μm；将靶标置于物面,光学系统物高为
实际靶标直径；为提高测试结果的精度,应尽量减少能量损失,提高系统透过率,实际
情况表明,镀膜后透过率一般可大于90%；测试目标为空间频率为40lp/mrad的
某红外成像系统,其像元尺寸为15μm,现有四杆靶标的空间频率为20lp/mrad,为
满足在1.2f0处的测试要求,测试靶标空间频率应为48lp/mrad,由此确定放大倍
数为0.4；焦距确定了光学系统的大小体积,F数是光学系统焦距与孔径的比值,低F
数可以减小光学系统的尺寸,但降低了整个光学系统的热稳定性,并且增大离轴目标
的几何像差,使图像更加模糊[5],综合考虑,将系统焦距设为600mm。
3.2系统结构
红外光学系统结构主要可分为反射式和透射式,与透射系统相比,全反射系统具有无
色差、系统透过率高等优势,能满足红外测试系统的波段范围宽、能量基本无损失
的要求,离轴系统能够消除中心遮拦对入瞳能量的影响,提高系统成像质量。文献[6]
指出,根据初级像差理论,为了校正偏心或倾斜系统在中心视场的彗差和像散,应至少
采用三面球面反射镜。而由实际光路计算表明,为了消除整个视场内的像差,应对反
射面进行适当非球面化[7]。综上,系统采用三反离轴成像结构,并对反射面进行非球
面化。
3.3系统设计
离轴三反式光学系统是在同轴三反的基础上将光学系统进行光阑离轴或者视场离轴
得到的,因此,离轴三反系统设计时应先对同轴系统的初始结构进行求解。根据反射
镜成像理论,当物距大于2倍焦距时,可成倒立缩小的实像,如图2所示,像面位于一
倍焦距与二倍焦距之间,且物距越大,像越小,当物距为无穷大时,像无限靠近焦点。
根据上述原理,可以计算得到单个反射镜成像结构,优化后数据如表2所示,放大倍数
为0.45。
利用单个凹面反射镜进行成像时,离轴后系统像差很大,彗差和像散明显,成像质量很
差,且可优化变量较少。如本文3.2节所述,为了平衡像差,提高系统的成像质量,在此
基础上增加反射镜数量,组成三反结构,如图3所示,其中M1、M2和M3分别为主
镜、次镜和三镜,M2和M3使M1所成的中间像二次成像于物面。增加反射镜可
引入多个变量,满足校正彗差、像散、场曲等系统性能和像质的要求外,还可以对系
统的结构布局进行整体优化设计。
由反射镜成像理论可知,当物距等于二倍焦距时成等大倒立的实像,因此为了保证系
统的放大系数满足要求,将M1所成像面置于M2的2倍焦距处,即令D2=R2。长
焦距系统对系统长度有一定要求,因此一般将D2、D3和D4作为限定条件[8],此处
令D2=D3=D4,规定光线自左向右为正,则有D20,D4<0。
将初始数据输入到ZEMAX中进行适当优化,优化后的数据如表3所示。
同轴系统设计优化初步完成后,将M1离轴,编辑评价函数,对整个系统进行优化,优
化时为了保证系统结构,只能对镜面间距进行局部优化,将曲率半径和二次曲面系数
作为变量进行优化,本文在光学系统的优化过程中引入了高次非球面系数,此外,在优
化过程中应注意观察系统结构图,当发现镜面对光线造成遮拦时,应增大离轴量并重
新优化。对M1优化完成后,将M2和M3按上述方法依次进行离轴并优化,表4为
该离轴系统的结构参数,此时的放大倍数为0.4。
设计好的光学系统结构如图4所示,第一、三反射镜与第二反射镜在沿轴方向的距
离相近,系统结构紧凑,且中心无遮拦。实际使用装置如图5所示,将像面置于平行光
管焦平面处,经平行光管形成平行光出射。
对本文光学系统进行像差分析,如图6所示,图6(a)和图6(b)为系统对应的点列图和
MTF曲线,点列图中的圆环为波长为4μm时的艾里斑,由此图可以看出,除边缘视
场外,成像质量均接近衍射极限。图6(c)为网格畸变图。从图中可以看出,系统失真
度小,最大畸变值为0.635%。
为检测光学系统成像效果,对四杆靶标图进行成像仿真,如图7所示,其中图7(a)为源
图像,图7(b)为经光学系统成像缩小后的模拟图,为了更加直观地体现系统放大倍数,
将源图像与仿真图像中每个像素所代表实际高度进行统一。四杆靶标空间频率为
20lp/mrad时,所使用平行光管焦距为3m,此时靶标宽度为0.075mm,为了查看
源靶标图像在此频率处的成像效果,将像高设为0.525mm,仿真图中,像面大小为
0.2179mm(W)×0.2179mm(H),此时靶标宽度为0.03mm,空间频率为50
lp/mrad,满足MRTD测试需求。
对源图像和仿真图像求灰度均值并绘制灰度曲线,如图8(a)和8(b)所示,其中横坐标
为截取像素区域的距离坐标,纵坐标为灰度值。结果表明,源图像和仿真图像的灰度
均值分别为175.3090和170.9246,通过光学系统的能量基本无损失。
如图7(b)所示,由于光学系统存在衍射和像差,导致像面模糊,边缘对比度降低,在高
频处表现更为明显。由图8(b)的灰度变化曲线可以看出,仿真图像与源图像相比,在
杆的边缘处灰度值有一定变化,但灰度变化曲线斜率较大,相邻位置的灰度差异较大,
黑色区域经过4个像素的宽度可以完全过渡到白色区域,可见黑白边界清晰度较高。
高性能红外成像技术发展迅速,针对用于高性能的红外成像系统MRTD测试的小尺
寸靶标不易制作的问题,在单凹面反射镜成像原理的基础上,利用ZEMAX软件设计
了一款离轴三反射式成像光学系统,对靶标进行缩小成像来提高测试系统的空间频
率。根据实际测试需求,本文设定放大倍数为0.4。仿真结果表明系统成像质量良好,
可以满足高性能红外成像系统MRTD的测试需求。
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