Design of multi-spectral common aperture infinity collimator
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摘要: 为实现场外车载光电跟踪仪的各光轴一致性检校，提出一种利用多光谱共孔径无穷远目标器、转光管和移动机构来实现对各光轴检校的方法，并对目标器进行了光学设计和总体结构设计，对影响检校的主要误差进行了分析。目标器总体尺寸为750 mm×120 mm×100 mm，采用离轴双曲面反射式光学系统，焦距为1 200 mm，孔径为50 mm，视场2°，分划板采用ZnS材料，光源采用溴钨灯，利用Zemax光学设计软件优化系统，实现焦面最大弥散斑为RMS 35.766 μm, 在空间频率5 lp/mm处，OTF均高于0.3，各项指标满足检校要求。Abstract: In order to calibrate the consistency of optical axes of the field vehicle photoelectric tracker, a method for using the multi-spectral common-aperture infinity collimator, reflex light tubes, and moving mechanism was put forward to realize the calibration of each optical axis, and the optical design of collimator and the overall structural design were performed.In addition, the main errors affecting the calibration were analyzed. Results show that the overall size of the target is 750 mm ×120 mm × 100 mm, it uses an off-axis hyperboloidal reflective optical system with a focal length of 1 200 mm, an aperture of 50 mm and a field of view of 2°. The reticle uses ZnS and the light source uses tungsten bromine lamp.The system is optimized with Zemax optical design software, the maximum focal spot root-mean-square(RMS) achieves 35.766 μm, and the optical transfer functions (OTFs) are all higher than 0.3 at the spatial frequency of 5 lp/mm. All the indicators meet the calibration requirements.
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0 引言
车载光电跟踪系统一般都具有激光测距、红外、可见光跟踪功能，三者的光轴多数情况下是分开的，由于结构设计的限制，三者的距离往往还不小。对于可见光系统，又含有大、中、小3个视场，这3个光轴很多情况下也是分开的。光轴之间的一致性，决定了仪器的瞄准性能，从而决定了战斗单元的命中率。对于车载系统来说，由于外界环境比较复杂，有必要定期对光轴进行一致性的检校。目前对多光谱多光轴的检校有很多方法[1-4]，比如大孔径法，这种方法需要一个大孔径平行光管，以便使被校光轴的孔径包含在其中。这样，就使得检测设备体积大，不易携带，对于车载光电搜跟系统的野外检校带来不便。文中采用一种小孔经多光谱共光轴平行光管，配套移动机构，有效地克服了大孔径的不足，能够方便、快捷地为可见光轴和红外光轴进行光轴一致性检校时提供目标源。
1 装置组成和检校方法
1.1 装置组成
装置由基座、多光谱共孔径平行光管(以下称平行光管)、转光管3部分组成，如图 1所示。本装置的光束发散角在全视场内优于1 mrad，对于光轴一致性要求不大于0.5 mrad的设备，在检测其光轴一致性时，可作为目标器使用。
基座的支脚采用磁吸力脚，可使基座稳固地固定在装甲车、坦克等的车身上。基座的支腿伸缩可调，3个支脚安放于不同的高低位置，以满足基座的置物台处于水平位置。同时，置物台可调，可完成水平和高低向的移动调整。转光管由2块位置平行的平面反射镜镜组成，以实现入射光和出射光的平行性，如图 2所示。
两反射镜之间的距离可调，采用直线导轨的型式连接2镜，以保证移动过程中不偏斜。平行光管要实现可见光与红外光的共孔径，因此采用典型的离轴双曲面反射镜型式。
1.2 检校方法
被检校的光电搜跟仪一般所处的位置在车顶上，被检校的各光轴的平面位置如图 3所示。
由于红外系统的搜跟精度小于可见光，所以在校一致性时，以可见光的小视场光轴为基准，将基座固定在车身上，将平行光管安装调整好，使出光口与小视场出光口基本对准。调整跟踪仪的方位和俯仰，配合着调整置物台的移动，使平行光管的分划中心与小视场中心重合，这时平行光管与小视场的光轴重合。检校中、大视场的光轴时，只需移动置物台，使平行光管的出光口与被检视场的出光口基本对准，即可检测出光轴的偏差，如图 4所示。
偏角Δαx=αx×Δx/xmax，Δαy=αy×Δy/ymax，其中αx和αy为水平和高低的半视场角，xmax和ymax为最大半视场像高。为定量得到偏差角度，可调整跟踪仪的方位和俯仰，使监视器的十字与平行光管的分划十字重合，然后从被测设备的输出读取调整量，即为偏差值。为了快速定性地判断光轴之间的偏差是否符合公差要求，可用模板来快速检测。模板的型式如图 5所示，在透明板上刻画中心十字和公差容限环，当中心十字与监视器中的十字重合，而平行光管的分划十字超出公差容限环时即为超差。
检校红外光轴时，将转光管按图 1所示安装调整到出光口和红外出光口对齐，并用支架固定转光管，就可按上述方法进行调校。
2 装置设计与误差分析
2.1 平行光管设计
平行光管的组成如图 6所示。系统结构参数：焦距1 200 mm，入瞳直径50 mm，视场2°；主镜反射面采用二次曲面，圆锥系数-0.644，离轴量60 mm；分划板采用硫化锌材质，采用亮背景暗十字刻划，刻线宽0.2 mm；光源为可见光波段和红外光(8 μm)波段[5-6, 10]。
按此结构参数在zemax中仿真，得到系统的弥散斑如图 7所示，其中的视场按序号分别代表 0°、±0.5°、±1°这5个视场，最大弥散斑为35.766 μm出现在1°视场处。
系统的FFT MTF如图 8和图 9所示。由于分划板的刻划线宽为0.2，所以空间频率按5来评价，从图中可知，OTF均高于0.3，满足应用要求。
分划板采用ZnS玻璃, 其特性是全光谱透射，通过可见光源照射目标图案，产生红外目标的同时产生一个可见目标，避免了在可见分划板和红外分划板之间更换引入的误差[7-8]。采用光刻技术，在靶板上蚀刻十字线，±0.5°视场内线宽0.2 mm，±1°视场内线宽0.4 mm，如图 10所示，这样的设计有利于对视场较大红外光轴的检测。
光源选取发光谱段广的溴钨灯(330 nm~2 500 nm)和MEMS红外光源(8 μm~12 μm)，根据测试要求选用12 V，20 W的溴钨灯。
2.2 误差分析
由于存在调校误差，平行光管的分划面与物镜焦面之间存在一定的离焦量Δ，致使射出的光束不可能绝对平行。装置作为无穷远目标的模拟器，其误差主要体现在出射光束的发散角误差(就是出射光是否为平行光)和装置在移动过程中所引起的光轴转动误差[9]。根据贾馨的验算方法来计算装置出射光束的发散角，平行光管焦距f为1 200 mm，入瞳直径D为50 mm时，孔径角u′为
$$ u'=\text{arctg }\!\!~\!\!\text{ }\left( \frac{D}{2f} \right)=\text{arctg}\left( \frac{25}{1\text{ }200} \right)=1.19{}^\circ $$ (1) 取波长为550 nm，由瑞利判据和斯托列尔准则知1×焦深(mm)为
$$ \Delta =~\frac{\lambda }{\text{si}{{\text{n}}^{2}}u'}~=\frac{5.5\times {{10}^{-4}}}{4.3\times {{10}^{-4}}}~=1.29 $$ (2) 光束发散角标准偏差：
$$ \delta =\frac{\Delta }{\sqrt{3}}\times ~\frac{D}{{{f}^{2}}}=26\text{ }\mu \text{rad} $$ (3) 距离l为1 km处物点对可见光最小孔径d的张角为
$$ \alpha =\frac{d}{l}=\frac{30}{1\times {{10}^{6}}}=30\mu \text{rad} $$ (4) 由此可见，装置的发散角误差满足要求。
装置在移动过程中所引起的光轴转动误差量主要由导轨的形位误差决定。导轨采用高精度滚珠直线导轨，直线度0.01 mm，最大行程为200 mm，则全程范围内所引起的最大偏角为0.05 mrad，而对于光轴一致性要求不大于0.5 mrad的设备来说，各项误差均在容限内。
3 结论
为了实现野外车载光电跟踪仪的可见光光轴和红外光光轴的光轴一致性快速检校的要求，设计了一种多光谱共孔径的无穷远目标器。系统采用离轴单反结构，焦距1 200 mm，入瞳直径50 mm，视场2°，主镜采用双曲面面型，光源采用溴钨和MEMS红外双光源，在空间频率为5 lp/mm时，可见和红外波段的OTF均高于0.3，满足应用要求。实践证明，此方法可有效提高野外检校的精度和效率。
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[1] 赵文峰, 纪明.便携式多波段多光轴平行性检测仪设计[J].应用光学, 2013, 34(2):320-322. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yygx201302024 ZHAO Wenfeng, JI Ming. Design of portable multi-band and multi-axis parallel detector[J]. Journal of Applied Optics, 2013, 34(2):320-322. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/yygx201302024
[2] 金伟其, 王霞.多光轴一致性测量技术进展及其分析[J].红外与激光工程, 2010, 39(3):526-528. doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2010.03.031 JIN Weiqi, WANG Xia. Technical progress and its analysis in detecting of multi-axes parallelism system[J].Infrared and Laser Engineering, 2010, 39(3):526-528. doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2010.03.031
[3] 李雅灿, 邱丽荣.便携式多光轴平行性检校系统的研制[J].中国激光, 2012, 39(10):1008002. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Conference/8561565 LI Yacan, QIU Lirong. Development of portable multi-optical axes parallelism calibrstion system[J]. Chinese Lssers, 2012, 39(10):1008002. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Conference/8561565
[4] 陈曦, 汪岳峰.多光轴光学系统光轴平行度野外试验方法[J].应用光学, 2002, 23(5): 46-48. doi: 10.3969/j.issn.1002-2082.2002.05.012 CHEN Xi, WANG Yuefeng. Field test method about optical axis parallelism of multiaxial system[J]. Journal of Applied Optics, 2013, 23(5):46-48. doi: 10.3969/j.issn.1002-2082.2002.05.012
[5] 沙巍, 陈长征.离轴三反空间相机主三镜共基准一体化结构[J].光学精密工程, 2015, 23(6): 1613-1615. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gxjmgc201506015 SHA Wei, CHEN Changzheng.Integrated primary and tertiary mirror components from common base line of off-axis TMA space camera[J]. Optics and Precision Engineering, 2015, 23(6): 1613-1615. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gxjmgc201506015
[6] 常军, 翁志成.长焦距空间三反光学系统的设计[J].光学精密工程, 2001, 9(4): 315-318. doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2001.04.004 CHANG Jun, WENG Zhicheng. Design of long focal length space optical system with three reflective mirrors[J]. Optics and Precision Engineering, 2001, 9(4): 315-318. doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2001.04.004
[7] 王静, 吴越豪.硫系玻璃在无热化长波红外广角镜头中的应用[J].光子学报, 2012, 45(12):1211003. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gzxb201612015 WANG Jing, WU Yuehao. Application of chalcogenide glass in designing a long wavelength infrared athermalized wide-angle lens[J]. Acta Photonica Sinica, 2012, 45(12):1211003. http://d.old.wanfangdata.com.cn/Periodical/gzxb201612015
[8] 戴世勋, 陈惠广.硫系玻璃及其在红外光学系统中的应用[J].红外与激光工程, 2012, 41(4):847-854. doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2012.04.004 DAI Shixun, CHEN Huiguang. Chalcogenide glasses and their infrared optical applications[J]. Infrared and Laser Engineering, 2012, 41(4):847-854. doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2012.04.004
[9] 陈文建, 郑宝忠.多光谱多光轴自动校准技术[J].应用光学, 2004, 25(1):60-64. doi: 10.3969/j.issn.1002-2082.2004.01.019 CHEN Wenjian, ZHENG Baozhong. Auto-collimating technique of multispectral and multibeam axes[J]. Journal of Applied Optics, 2004, 25(1):60-64. doi: 10.3969/j.issn.1002-2082.2004.01.019
[10] CLENDENIN R M, FREEMAN R S. Optical target tracking and designating system: US, 4368848[P].1980-08-11.
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期刊类型引用(2)
1. 温中凯，张庆君，李爽，雷文平，杜国军. 空间光电跟瞄系统多光轴平行性标校研究. 中国光学. 2021(03): 625-633 . 
百度学术
2. 吕涛，孙海江，付东辉，陈小云. 一种胶片式的静态光学目标模拟器. 应用光学. 2020(01): 33-36 . 本站查看
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