基于zemax的卡塞格倫式光學攝像系統(tǒng)的眼鏡效應分析

基于zemax的卡塞格倫式光學攝像系統(tǒng)的眼鏡效應分析

1生原路返回的準直回光眼反射器具有從任意角度發(fā)射的光線的特性，可以根據干涉測量、目標跟蹤等領域提高測量精度。如果應用于模擬器的調幅腔，可以提高模擬器的穩(wěn)定性。如果應用于納米模擬器的測量尺，可以提高測量范圍。而大多數成像探測或非成像探測所用光學鏡頭的焦平面處都安裝有反射或半反射元件,與貓眼逆反射器一樣,在受到激光束輻照時能夠產生原路返回的準直回光,這就是光學鏡頭的“貓眼效應”。利用被探測目標攜帶光學鏡頭的貓眼效應進行激光主動探測,可以大大提高探測距離和定位精度。在這些應用中,貓眼逆反射器作為合作目標,具有較好的反射光特性和較大的接收角;而光學鏡頭作為非合作目標,其貓眼效應反射光特性較差。雖然貓眼效應已經在激光主動探測領域得到應用,但其本身的理論以及實驗研究還不成熟。對于同軸透射式光學鏡頭,只要探測激光入射角小于其視場角,產生的貓眼效應原路返回光即具有較好的規(guī)律性。對于離軸反射式光學鏡頭,能夠產生貓眼效應反射光的探測激光入射角范圍小于鏡頭的視場角范圍,且反射光束畸變較大。透射式光學系統(tǒng)造價高、測試困難、存在色差,離軸式光學系統(tǒng)造價也較高,而卡塞格倫(Cassegrain)系統(tǒng)則具有消球差、筒長短、無實際光線匯聚點等優(yōu)點。因此,在光電裝備中應用最為廣泛的是卡塞格倫式或經過改進的卡塞格倫式光學系統(tǒng)。本文對卡塞格倫式鏡頭的貓眼效應反射特性進行了仿真和實驗研究,測試了貓眼效應反射光的發(fā)散角及反射率等關鍵數據,弄清了針對此類目標進行主動探測的可行性。2像面探測器反射加量的眼效應法卡塞格倫式光學系統(tǒng)有很多結構形式,包括雙反式、折反式等。經典的卡塞格倫系統(tǒng)主鏡為拋物面,次鏡為雙曲面,這是次鏡對有限距離物體成像時滿足系統(tǒng)消球差應具有的面形,其他的形式大多是在此基礎上改進的。圖1所示為卡塞格倫系統(tǒng)的貓眼效應原理示意圖。設此時的像面探測器反射為鏡面反射,反射率為1(反射率將在實驗中測定)。根據圖1的光線追跡過程可以看出,當入射光線為近軸光線且入射角小于鏡頭的視場角時,從探測器反射的光線將按照入射光的對稱光路反向傳輸。根據幾何光學原理可知兩束平行的入射光會聚于焦平面同一點。因此從光學系統(tǒng)外觀察時,便可以發(fā)現(xiàn)反射光與入射光完全平行。當入射光束寬度較大,全部覆蓋鏡頭窗口時,反射光束將沿著入射光束的光路原路返回,這就是卡塞格倫鏡頭的“貓眼效應”原理。3模擬分析3.1卡塞格倫式鏡頭為使仿真真實,并在實驗中進行驗證,利用ZEMAX光學設計軟件設計了帶有遮光罩的卡塞格倫式鏡頭如圖2所示。其口徑為100mm,系統(tǒng)焦距為320mm,前遮光罩長度為80mm,中心遮擋比為1∶5,探測器光敏面直徑為2.8mm,視場角為±0.25°。3.2海相中光度計算中光學面的表達利用ZEMAX的物理光學傳輸原理進行仿真分析,光束建模使用數值陣列。入射高斯光束的數學表達式為E(x,y)={E0e-[(x-dxw0x)2+(y-dyw0y)2],當(x-dxw0x)2+(y-dyw0y)2≤10,其他?(1)E(x,y)=???????????E0e?[(x?dxw0x)2+(y?dyw0y)2],當(x?dxw0x)2+(y?dyw0y)2≤10,其他?(1)式中E0為初始最高能量,w0x和w0y為x和y方向的束腰半徑。初始建立的光束波前被分成點陣后,在ZEMAX鏡頭建模中進入第一個面,然后依次穿過整個系統(tǒng)。光束在兩個光學面之間的傳播通過衍射來計算,并根據菲涅耳數確定傳播應符合菲涅耳衍射還是夫朗禾費衍射規(guī)律。菲涅耳數的表達式為Fn=2λ[√Ζ2+w2-Ζ]?(2)式中λ為激光波長,w為初始位置的光束半徑,Z為初始位置到觀察點的距離(即傳播距離)。當Z?w時,(2)式可簡化為Fn=w2λΖ。(3)隨著距離的增大,菲涅耳數逐漸減小。當菲涅耳數小于1時,相對于初始點,觀察點處的光束是遠場的,反之則認為是近場的。近場時光束傳輸遵循菲涅耳衍射,其電場分布表達式為E(x2,y2,z2)=eikziλΔzq(w2,Δz)∞∫-∞∞∫-∞E(x1,y1,z1)×q(w1,Δz)e-i2πλΔz(x1x2+y1y2)dxdy,(4)式中Δz為兩點間的距離,w1和w2為兩個位置處的光束半徑,q(w,Δz)為二次相位因子,表達式為q(w,Δz)=eiπw2/λΔz。(5)當Δz非常大時,q(w,Δz)可以忽略,(4)式變?yōu)榉蚶屎藤M衍射,其表達式為E(x2,y2,z2)=eikziλΔz×∞∫-∞∞∫-∞E(x1,y1,z1)e-i2πλΔz(x1x2+y1y2)dxdy=FF[(x2,y2,z2)]?(6)式中FF表示傅里葉變換。3.3入射角對反射光斑的光學特性影響入射激光發(fā)散角為0.5mrad,發(fā)射功率為100W,發(fā)射距離為25m,激光束在目標鏡頭處的直徑為20mm。如圖3所示為鏡頭出瞳處以及原路返回處的貓眼效應反射光斑圖像及其y方向的光強分布曲線?？梢钥闯?入射光斑與反射光斑處于對稱位置,在出瞳處反射光光強分布衍射峰較多,隨著傳輸距離的增加,衍射峰逐漸減少,傳輸至原路返回處時,只有七個衍射峰。由于入射光束直徑遠小于鏡頭口徑,在改變入射角時光斑形狀變化不大,而中心衍射峰峰值則隨著入射角的增大而減小。改變入射位置時,反射光斑與入射光斑的位置始終保持對稱,其光強分布特性不變。圖4所示為入射角等于鏡頭的臨界視場角時,鏡頭出瞳處以及原路返回處的貓眼效應反射光斑圖像及其y方向的光強分布曲線?？梢钥闯?入射角等于臨界視場角時,出瞳處的反射光斑被遮擋一半,隨著傳輸距離的增加衍射峰逐漸匯合在一起,原路返回處的光強分布出現(xiàn)畸變,說明探測器邊緣的衍射影響較大。3.4加標回射反射光光特性分析近距離時的情況說明了貓眼效應的存在性及其原路返回性,但主動探測應用的是遠場情況,此時鏡頭將被全部覆蓋,鏡頭上的光束分布也趨于均勻。設發(fā)射距離為30km,其他參數不變。圖5所示為入射角不同時,距離鏡頭出瞳25m處的貓眼效應反射光光強分布圖?？梢钥闯?其中心缺孔是兩個圓孔的交匯,這兩個圓孔分別是入射光束在進入鏡頭和從鏡頭出射時受到的遮擋,它們的尺寸是入射角的函數;衍射級數與入射角無關。圖6所示為入射角不同時原路返回處的貓眼效應反射光光強分布圖?？梢钥闯?在遠場情況下,貓眼效應反射光光強分布隨著入射角的增大而逐漸畸變,且光強迅速降低。貓眼效應反射光特性數據如表1所示。其中1mPIB(桶中功率)定義為在1m直徑的“桶”中圍住的激光功率占總功率的份額,即1m環(huán)圍功率與總功率的比值,在物理上用于表征光束的可聚焦能力。從表中可見,反射光總功率與入射角成反比并保持線性關系;入射角小于0.15°時,環(huán)圍功率及環(huán)圍功率比與入射角成反比并保持線性;入射角大于0.15°時,由于反射光光強分布受衍射影響隨著入射角的增大而加強,環(huán)圍功率比突增;反射光發(fā)散角與入射光發(fā)散角相差不多,僅是隨著入射角的增大遠場光斑等效直徑減小導致發(fā)散角減小。3.5不同發(fā)射距離的中心能量仿真結果從3.4節(jié)可見,遠場情況下貓眼效應反射光光強分布畸變較大,導致了反射光特性與入射角的非線性關系,其中最重要的影響因素是中心遮擋?？招牡呢堁坌瓷涔馐菀资艿饺肷浣?、遮光罩等因素的影響,使得在不同發(fā)射距離時原路返回處的貓眼效應反射光具有不同的光強分布。仿真得到了在該系統(tǒng)遮擋比下,幾個不同量級發(fā)射距離時原路返回處的貓眼效應反射光光強分布,如圖7所示。從圖中可見,在距離小于3km時,光斑半徑小于1m,中心能量可聚焦度較高;距離大于30km之后,峰值不再位于中心位置,中心能量可聚焦度迅速降低。因此,遠場情況下中心遮擋將引起反射光中心能量的丟失,從而影響可探測距離。針對該系統(tǒng),探測距離小于30km時,原路返回處的貓眼效應反射光環(huán)圍功率可以滿足探測要求。4實驗4.1接收、并進行空間分布測試貓眼效應測試實驗裝置如圖8所示。發(fā)射激光經小分束鏡后分成兩路,一路由探測器1接收進行入射能量測試,一路經反射鏡轉出后進入貓眼鏡頭。原路返回的貓眼效應反射光經大分束鏡反射后,經接收光學系統(tǒng)聚焦后由探測器2接收進行能量測試;放置接收靶板1于接收光學系統(tǒng)之前,利用CCD攝像機采集靶板上的貓眼效應反射光斑,進行空間分布測試;撤去大分束鏡,放置中心開有小孔的接收靶板2于發(fā)射端,使發(fā)射激光從其中心開孔經過,同樣利用CCD攝像機采集接收靶板2上的貓眼效應反射光斑,進行空間分布測試。裝置中的兩個反射鏡是為了在實驗室內轉折并延長光路,根據實際情況可以去除。實驗中的主要儀器參數為:532nm半導體激光器發(fā)射功率為115mW,調制頻率為10Hz,擴束后全發(fā)散角為4.3mrad,光電探測器最小可探測功率為2×10-7W。實驗所用卡塞格倫鏡頭的主要參數與仿真建立的模型參數相同,不同的是該鏡頭具有保護窗口,如圖9所示。4.2光斑的反射光斑仿真結果定義貓眼效應反射光功率與進入鏡頭的光功率之比為貓眼效應絕對反射率,在入射角為0°時,它是鏡頭焦平面探測器反射率與光學系統(tǒng)透過率平方的乘積。測試絕對反射率的意義在于它僅與鏡頭的參數有關,而與探測距離無關,因此可以直接用于主動探測的作用距離公式。在近距離測試該鏡頭的貓眼效應絕對反射率,此時入射光全部進入目標鏡頭,反射光不受鏡頭結構的影響。實驗現(xiàn)象如圖10所示,可以看出,貓眼效應反射光與入射光保持平行,窗口玻璃反射光與入射光具有一定夾角,不具有原路返回性。此時入射光與反射光不重合,直接利用功率計對反射光進行測試,測得的貓眼效應反射光功率為13.2mW,可得絕對反射率為11.48%。按照圖8布置光路,設發(fā)射距離L為60m。調節(jié)卡塞格倫鏡頭的俯仰角和水平角使其反射光斑達到最佳,在近距離的接收靶板1上接收到的反射光斑圖像如圖11(a)所示,此時貓眼效應反射光斑與窗口玻璃的反射光斑重合在一起。微調卡塞格倫鏡頭的水平角即入射角,得到反射光斑的變化情況如圖11(b)～(d)所示?？梢钥闯?隨著入射角的增大,兩個光斑逐漸分離,貓眼效應反射光斑(左側光斑)的位置不變化,說明它的原路返回性是固有的,與入射角等參數沒有關系;調節(jié)入射角時窗口玻璃反射光斑的形狀變化不大;貓眼效應反射光斑與仿真中的光斑具有一定相似性,除具有中心缺孔外,還有四個小縫,由中心的次鏡支撐架的遮擋所致。此時測得貓眼效應反射光功率與入射光功率之比為1.24%,可調節(jié)入射角范圍為0.23°,入射角為臨界視場角時光斑消失。調節(jié)入射角,在接收靶板2上得到的反射光斑圖像如圖12所示?？梢钥闯?入射角為0°時,窗口玻璃反射光斑與貓眼效應反射光斑相重合,且保持環(huán)形形狀不變,呈干涉條紋分布。貓眼效應反射光斑為正圓形,呈衍射環(huán)狀條紋分布,但是該視場點對應的探測器像元由于曾受強激光輻照而有所損壞,因此光斑缺損嚴重;入射角增大時,貓眼效應反射光斑嚴格位于原路返回處,窗口玻璃的反射光斑逐漸偏離,沒有利用價值;入射角為0.05°時反射光斑中心為兩個交匯的圓孔。但隨著入射角的繼續(xù)增大,貓眼效應反射光斑嚴重畸形。這說明衍射的影響逐漸加強,也說明鏡頭中的任何元件,包括支架、擋光環(huán)、遮光罩等都對衍射起促進作用,尤其是非中心對稱元件對貓眼效應反射光均勻性影響較大。入射角為0°時,原路返回處的貓眼效應反射光斑橫向直徑d2為298mm,反射光從鏡頭處出射的寬度d1為鏡頭口徑100mm,得出反射光束的全發(fā)散角θ=d2-d1L(7)為3.3mrad,稍小于入射激光發(fā)散角。5加以分析和成像定位為導向的加射式光學性能參數設計運用ZEMAX光學設計軟件建立了卡塞格倫式鏡頭仿真模型,并利用物理光學傳輸方法對該鏡頭的貓眼效應特性進行了仿真,并在近場進行了實驗驗證。仿真及實驗結果表明,激光輻照卡塞格倫鏡頭時能夠產生空心的貓眼效應反射光束。由于激光束通過中心遮擋體及非對稱光學元件時受到的衍射影響,斜入射時產生的貓眼效應反射光在后向傳輸過程中畸變較大,因此可用入射角范圍稍小于鏡頭的視場角;鏡頭窗口玻璃對532nm激光的反射較強,其反射光在近場實驗時容易與貓眼效應反射光相混淆;532nm激光輻照時該鏡頭的貓眼效應絕對反射率為11.48%,入射角為0°時反射光發(fā)散角為3.3