基于日盲紫外像增強(qiáng)器的大孔徑透射式紫外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王淼鑫，程宏昌，李進(jìn)波

基于日盲紫外像增強(qiáng)器的大孔徑透射式紫外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王淼鑫1,2，程宏昌1,2，李進(jìn)波1

（1. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2. 微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

以微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的AlGaN光陰極日盲紫外像增強(qiáng)器為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一款匹配于日盲紫外像增強(qiáng)器的紫外光學(xué)系統(tǒng)，以提升探測(cè)器的探測(cè)性能。光學(xué)系統(tǒng)的工作波段在240～280nm，視場(chǎng)角40°，相對(duì)孔徑為1/2.5。系統(tǒng)由5塊標(biāo)準(zhǔn)球面鏡組成，光學(xué)系統(tǒng)總長(zhǎng)50.74mm；光學(xué)傳遞函數(shù)在空間頻率為40lp/mm時(shí)，軸上不小于0.8，軸外不小于0.6；成像質(zhì)量良好，結(jié)構(gòu)緊湊，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

紫外告警系統(tǒng)；日盲紫外；紫外光學(xué)設(shè)計(jì)；像質(zhì)分析

0 引言

在太陽(yáng)輻射波段中，受到大氣衰減的影響，200～300nm紫外輻射被臭氧層吸收而無(wú)法到達(dá)地球表面，被稱(chēng)為“日盲區(qū)”。由于導(dǎo)彈尾部燃料的燃燒，產(chǎn)生的輻射范圍從短波紫外到可見(jiàn)光譜，為紫外告警提供可能。紫外告警技術(shù)正是通過(guò)對(duì)導(dǎo)彈尾焰中“日盲”紫外波段的探測(cè)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行判斷及定位，從而采取有效的規(guī)避及攔截手段。紫外告警系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)優(yōu)勢(shì)在于：紫外背景輻射較少、被動(dòng)式探測(cè)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、可靠性高且兼容性強(qiáng)[1]。

國(guó)內(nèi)的紫外告警技術(shù)研究起步較晚，目前國(guó)內(nèi)紫外告警系統(tǒng)的告警距離與國(guó)外告警距離存在差距，而光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)孔徑的提高與系統(tǒng)透過(guò)率的增大可提高告警系統(tǒng)的告警距離，達(dá)到國(guó)外告警的距離水平。

紫外告警技術(shù)針對(duì)光學(xué)系統(tǒng)而言，要求光學(xué)系統(tǒng)具有大視場(chǎng)與大相對(duì)孔徑、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、光能損失較小等特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)已有的紫外光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，文獻(xiàn)[2]中，光學(xué)系統(tǒng)由6片透鏡組成，視場(chǎng)8°，系統(tǒng)的相對(duì)孔徑為1/3.5，采用標(biāo)準(zhǔn)球面鏡進(jìn)行設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[3]中，光學(xué)系統(tǒng)由5片透鏡組成，系統(tǒng)的視場(chǎng)為40°，相對(duì)孔徑為1/3，系統(tǒng)采用一個(gè)衍射元件和兩個(gè)非球面校正像差，非標(biāo)準(zhǔn)球面鏡的使用增加了系統(tǒng)加工的難度與成本。文獻(xiàn)[4]中，光學(xué)系統(tǒng)由6片透鏡組成，相對(duì)孔徑達(dá)到1/2，采用標(biāo)準(zhǔn)球面鏡，但是系統(tǒng)視場(chǎng)角較小，僅有10°，滿(mǎn)足長(zhǎng)焦距的特點(diǎn)但不滿(mǎn)足大視場(chǎng)要求。同樣在文獻(xiàn)[5]中，光學(xué)系統(tǒng)采用了卡塞格林系統(tǒng)，應(yīng)用于對(duì)日盲紫外太陽(yáng)跟蹤預(yù)警系統(tǒng)的研究，視場(chǎng)角只有1°，但滿(mǎn)足長(zhǎng)焦距的特點(diǎn)。

本文主要工作是設(shè)計(jì)工作波段與AlGaN光陰極日盲紫外像增強(qiáng)器光譜響應(yīng)范圍相匹配的光學(xué)系統(tǒng)。與上述已有的光學(xué)系統(tǒng)相比，具有大視場(chǎng)，大相對(duì)孔徑的特點(diǎn)，對(duì)于紫外輻射的會(huì)聚能力更強(qiáng)，且系統(tǒng)由5片透鏡構(gòu)成，減少了光能損失。光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)滿(mǎn)足探測(cè)器需求，成像質(zhì)量良好且系統(tǒng)均采用標(biāo)準(zhǔn)球面結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，更有利于加工，避免了使用非球面與衍射元件為加工帶來(lái)的難度。

1 日盲紫外告警系統(tǒng)

日盲紫外告警系統(tǒng)是由光學(xué)系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、接收系統(tǒng)組成。日盲紫外告警系統(tǒng)工作原理（如圖1所示）是探測(cè)導(dǎo)彈尾焰輻射在200～300nm的波段并對(duì)其所觀(guān)測(cè)的空間區(qū)域進(jìn)行成像。由于在太陽(yáng)輻射波段中，200～300nm的紫外輻射被臭氧層吸收而無(wú)法到達(dá)地球表面，因此200～300nm的紫外光譜區(qū)被稱(chēng)為“日盲區(qū)”，為紫外告警系統(tǒng)提供良好的背景條件[6]。日盲紫外告警系統(tǒng)工作方式是光學(xué)系統(tǒng)將所接收到的輻射進(jìn)行過(guò)濾保證進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的輻射在工作波段內(nèi)，進(jìn)入光電陰極引起光譜響應(yīng)將光子轉(zhuǎn)換成電子，后經(jīng)微通道板在高壓加速的情況下倍增的電子轟擊熒光屏后，穿過(guò)反射鋁膜激發(fā)熒光粉進(jìn)行發(fā)光成像在熒光屏上，并通過(guò)光錐耦合將所成的像照射在高靈敏CCD成像傳感器上，目標(biāo)將以一個(gè)點(diǎn)源的形式表征于圖像上，經(jīng)數(shù)字化后根據(jù)時(shí)間及空間特性進(jìn)行信號(hào)處理，實(shí)時(shí)探測(cè)并判斷精確方向得出位置并進(jìn)行距離的估算。本文采用日盲紫外像增強(qiáng)器進(jìn)行成像，紫外告警系統(tǒng)是以紫外探測(cè)器件為核心，接受來(lái)自目標(biāo)或者目標(biāo)反射的紫外輻射信號(hào)，經(jīng)過(guò)紫外探測(cè)成像器件進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，電子倍增，信號(hào)轉(zhuǎn)換以后進(jìn)行輸出[7]。

圖1 紫外告警系統(tǒng)原理圖

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)

工作波段：240～280nm

視場(chǎng)角：2＝40°

焦距：￠＝21.22mm

探測(cè)器像元尺寸為：11.9mm×11.9mm

2.2 光學(xué)系統(tǒng)的選型與初始結(jié)構(gòu)的確定

紫外光學(xué)系統(tǒng)分為折射式光學(xué)系統(tǒng)、反射式光學(xué)系統(tǒng)和折返式光學(xué)系統(tǒng)。折射式光學(xué)系統(tǒng)具有大視場(chǎng)、透過(guò)率高等特點(diǎn)，但基本結(jié)構(gòu)形式選擇取決于多方面因素影響，且像差校正較難。由于本文設(shè)計(jì)的是大視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)，反射式光學(xué)系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)時(shí)，結(jié)構(gòu)尺寸以及遮攔都比較大，系統(tǒng)的布局困難，成像質(zhì)量較好但對(duì)雜散輻射較為敏感，有較大的能量損失。折反式系統(tǒng)可采用球面鏡作為主鏡減少加工難度，滿(mǎn)足高分辨率及相對(duì)孔徑大的要求，但是中心存在遮攔，檢驗(yàn)裝調(diào)比較復(fù)雜。由于探測(cè)波段在紫外的日盲波段，能量低，為保證能量盡可能被探測(cè)到，選擇折射式光學(xué)系統(tǒng)。

在光組的設(shè)計(jì)中，初始結(jié)構(gòu)的確定一般分為解析法（PW法）與縮放法兩種情況，因此需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的方法，再利用相關(guān)軟件進(jìn)行分析。對(duì)于像差的校正與優(yōu)化通常是通過(guò)透鏡的厚度、透鏡的曲率、透鏡材料等相關(guān)因素的相互配合完成，通常也會(huì)采取其他方法如改變面形與增加多重結(jié)構(gòu)等。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，查閱相關(guān)文件，確定初始結(jié)構(gòu)參數(shù)為：工作波長(zhǎng)為240～280nm，視場(chǎng)角為10°，焦距為126.8mm，相對(duì)孔徑為1/4的鏡頭作為本設(shè)計(jì)的初始結(jié)構(gòu)。

2.3 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)

紫外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需對(duì)系統(tǒng)的像差進(jìn)行校正，對(duì)于紫外系統(tǒng)而言，影響系統(tǒng)最大像差是色差的影響。校正色差的方法是選擇兩種阿貝數(shù)差異較大的玻璃進(jìn)行雙膠合或者雙分離透鏡的設(shè)計(jì)。但在紫外波段中，光學(xué)玻璃材料的選擇性不大且色散系數(shù)的差別較小，因此紫外光學(xué)系統(tǒng)的色差校正較為困難。而系統(tǒng)相對(duì)孔徑較大，意味著光學(xué)材料的折射率更高，但是紫外玻璃選擇十分有限，折射率小于1.46，因此在設(shè)計(jì)中會(huì)導(dǎo)致透鏡數(shù)量的增加或者透鏡厚度的變大，降低光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率，增大設(shè)計(jì)難度。

2.4 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程

因此，本文的設(shè)計(jì)思路是根據(jù)選擇的初始結(jié)構(gòu)，將其各尺寸乘以縮放比先進(jìn)行縮放，得到所要求的結(jié)構(gòu)?？s放后的結(jié)構(gòu)，其視場(chǎng)角和相對(duì)孔徑的大小不符合設(shè)計(jì)要求，因此在后期優(yōu)化中不斷提高視場(chǎng)角和相對(duì)孔徑的大小，其中視場(chǎng)角的大小按照10°、20°、30°、40°遞增，相對(duì)孔徑的大小按照1/4、1/3、1/2.5增加。對(duì)于縮放后的初始結(jié)構(gòu)的優(yōu)化按照塞得和數(shù)系數(shù)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響進(jìn)行優(yōu)化。進(jìn)行縮放焦距后，控制曲率半徑與透鏡間隔進(jìn)行優(yōu)化，提高成像質(zhì)量并避免透鏡表面進(jìn)行重疊失形，進(jìn)而對(duì)鏡片厚度進(jìn)行控制，確保系統(tǒng)的合理性。增大視場(chǎng)時(shí)考慮邊緣視場(chǎng)的像差影響，設(shè)置合理的漸暈攔截掉邊緣不利于成像的光線(xiàn)。

為了保證進(jìn)入系統(tǒng)的波長(zhǎng)在工作波段范圍內(nèi)，需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中在光學(xué)系統(tǒng)前端增加一個(gè)濾光片。又由于光學(xué)系統(tǒng)是基于A(yíng)lGaN光陰極日盲紫外像增強(qiáng)器的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)的，因此光學(xué)系統(tǒng)成像的像面應(yīng)該是日盲紫外像增強(qiáng)器的光電陰極表面，由于光電陰極存在一層窗口玻璃基底，因此需要成像在光電陰極窗口玻璃的后端。在光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理后，加入窗口玻璃的模型，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)繼續(xù)優(yōu)化，以保證成像質(zhì)量。經(jīng)過(guò)選型，擴(kuò)大視場(chǎng)角與增大相對(duì)孔徑，加入濾光片與光電陰極的窗口玻璃優(yōu)化后，得到最終的光學(xué)系統(tǒng)。由5片透鏡組成，其中第一片、第三片與第四片材料為CaF2，第二片和第五片的材料為紫外熔石英。完成設(shè)計(jì)后的光學(xué)系統(tǒng)二維結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.5 像質(zhì)評(píng)價(jià)

紫外告警系統(tǒng)中的紫外光學(xué)系統(tǒng)不僅要對(duì)目標(biāo)輻射的能量進(jìn)行收集探測(cè)，還需進(jìn)行精確成像。因此不能僅僅只用傳統(tǒng)評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的光學(xué)傳遞函數(shù)曲線(xiàn)作為絕對(duì)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)，還需要結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)的衍射能量分布曲線(xiàn)圖等來(lái)共同評(píng)判其成像質(zhì)量的優(yōu)劣。本文采用了像點(diǎn)衍射能量分布圖、點(diǎn)列圖、點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)圖、光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)照度圖及光學(xué)傳遞函數(shù)曲線(xiàn)圖（modulation transfer function，MTF）等共同作為紫外光學(xué)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 優(yōu)化后的光學(xué)系統(tǒng)二維結(jié)構(gòu)圖

圖3為光學(xué)系統(tǒng)的衍射能量分布圖，是以離主光線(xiàn)或物點(diǎn)的像的重心的距離為函數(shù)的包圍能量圈占總能量的百分比。由圖3可看出像素點(diǎn)大小在7mm時(shí)，各個(gè)視場(chǎng)的衍射的包圍能量圈能夠達(dá)到80%；像素點(diǎn)大小在8mm時(shí)，各個(gè)視場(chǎng)的衍射的包圍能量圈能夠達(dá)到90%；10mm時(shí)各個(gè)視場(chǎng)已逐漸接近衍射極限，說(shuō)明此時(shí)光線(xiàn)基本成像的范圍在10mm，滿(mǎn)足成像在一個(gè)像元大小內(nèi)。

圖3 衍射能量分布圖

圖4所示為光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖。點(diǎn)列圖形成原因是在光線(xiàn)成像的過(guò)程中，由一點(diǎn)發(fā)出的許多光線(xiàn)經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像以后，由于像差存在導(dǎo)致光線(xiàn)與像面不會(huì)交于一點(diǎn)而是分布在一定范圍內(nèi)的彌散斑圖形。由圖4可知，彌散斑的半徑約7.54mm，實(shí)驗(yàn)室使用的CCD像元面積約11.9mm，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖5為光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)圖，點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)是指一個(gè)理想的幾何物點(diǎn)，經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后其像點(diǎn)的能量展開(kāi)情況。利用快速傅里葉變換的方法近似計(jì)算衍射的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)。由圖5可知，對(duì)于經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)會(huì)聚在像點(diǎn)的光強(qiáng)能量展開(kāi)較少，能量集中度較好。

圖6為光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)照度圖，是像面單位面積的響度強(qiáng)度，是計(jì)算以徑向視場(chǎng)坐標(biāo)為函數(shù)的相對(duì)照度。由圖6可知，整個(gè)像面照度均勻，在0.7視場(chǎng)即對(duì)應(yīng)圖中14°時(shí)的能量達(dá)到80%；邊緣視場(chǎng)的照度值達(dá)到50%。由于設(shè)置漸暈，邊緣視場(chǎng)相對(duì)于中心視場(chǎng)的照度下降幅度較大，但整體比較均勻。

圖4 光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖

圖5 光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)圖

圖6 光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)照度圖

圖7為光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)圖（MTF圖），反映了光學(xué)系統(tǒng)對(duì)不同頻率成分的傳遞能力。由光學(xué)傳遞函數(shù)圖（MTF圖）可知系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)視場(chǎng)的MTF曲線(xiàn)平直，系統(tǒng)的0.7視場(chǎng)與邊緣視場(chǎng)均具備良好的成像質(zhì)量。在空間頻率為40lp/mm時(shí)，軸上不小于0.8，軸外不小于0.6，滿(mǎn)足探測(cè)器需求，成像質(zhì)量良好。

3 總結(jié)

本文根據(jù)日盲紫外告警系統(tǒng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了滿(mǎn)足探測(cè)要求的紫外光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作波段在240～280nm，采用5片透鏡組成，且結(jié)構(gòu)均為標(biāo)準(zhǔn)球面鏡，透鏡材料為氟化鈣和紫外熔石英，成像在日盲紫外像增強(qiáng)器的光電陰極的窗口玻璃后，具有大相對(duì)孔徑的特點(diǎn)。焦距為21.22mm，視場(chǎng)角為40°，相對(duì)孔徑為1/2.5。從系統(tǒng)的點(diǎn)列圖、能量分布曲線(xiàn)圖、MTF曲線(xiàn)圖分析可知，光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、易于加工，具有很高的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)用性，滿(mǎn)足導(dǎo)彈告警系統(tǒng)的使用要求。

圖7 光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)圖

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Design of Large Aperture Transmission Ultraviolet Optical System Based on Solar-blind Ultraviolet Image Intensifier

WANG Miaoxin1,2，CHENG Hongchang1,2，LI Jinbo1

(1.,650223,;2.,710065,)

Based on the AlGaN photocathode solar-blind UV image intensifier developed by the Science and Technology on Low-Light-Level Night Vision Laboratory, this study designs a UV optical system that matches the solar-blind UV image intensifier to improve the detection performance of the detector. The working wavelength of the optical system is 240-280nm, the field of view is 40°, and the relative aperture is 1/2.5. The system consists of five lenses that are all spherical mirrors, and the total length of the optical system is 50.74mm. When the optical transfer function is 40lp/mm, the on- and off-axes are greater than or equal to 0.8 and 0.6, respectively. The imaging quality is good, and the structure is compact to meet the design requirements.

ultraviolet warning system, solar blind ultraviolet, optical design, image quality analysis

TN23

A

1001-8891(2021)02-0127-04

2020-12-24；

2021-01-19.

王淼鑫（1996-），男，碩士研究生，主要從事紫外探測(cè)方面研究。E-mail：wmxin24@163.com。

程宏昌（1974-），男，研究員級(jí)高工，主要從事微光夜視器件、紫外成像器件等研究。E-mail：chh600@163.com。