基于zemax的卡塞格倫式光學(xué)攝像系統(tǒng)的眼鏡效應(yīng)分析

基于zemax的卡塞格倫式光學(xué)攝像系統(tǒng)的眼鏡效應(yīng)分析

1生原路返回的準(zhǔn)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(jù)干涉測(cè)量、目標(biāo)跟蹤等領(lǐng)域提高測(cè)量精度。如果應(yīng)用于模擬器的調(diào)幅腔，可以提高模擬器的穩(wěn)定性。如果應(yīng)用于納米模擬器的測(cè)量尺，可以提高測(cè)量范圍。而大多數(shù)成像探測(cè)或非成像探測(cè)所用光學(xué)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(shí)能夠產(chǎn)生原路返回的準(zhǔn)直回光,這就是光學(xué)鏡頭的“貓眼效應(yīng)”。利用被探測(cè)目標(biāo)攜帶光學(xué)鏡頭的貓眼效應(yīng)進(jìn)行激光主動(dòng)探測(cè),可以大大提高探測(cè)距離和定位精度。在這些應(yīng)用中,貓眼逆反射器作為合作目標(biāo),具有較好的反射光特性和較大的接收角;而光學(xué)鏡頭作為非合作目標(biāo),其貓眼效應(yīng)反射光特性較差。雖然貓眼效應(yīng)已經(jīng)在激光主動(dòng)探測(cè)領(lǐng)域得到應(yīng)用,但其本身的理論以及實(shí)驗(yàn)研究還不成熟。對(duì)于同軸透射式光學(xué)鏡頭,只要探測(cè)激光入射角小于其視場(chǎng)角,產(chǎn)生的貓眼效應(yīng)原路返回光即具有較好的規(guī)律性。對(duì)于離軸反射式光學(xué)鏡頭,能夠產(chǎn)生貓眼效應(yīng)反射光的探測(cè)激光入射角范圍小于鏡頭的視場(chǎng)角范圍,且反射光束畸變較大。透射式光學(xué)系統(tǒng)造價(jià)高、測(cè)試?yán)щy、存在色差,離軸式光學(xué)系統(tǒng)造價(jià)也較高,而卡塞格倫(Cassegrain)系統(tǒng)則具有消球差、筒長(zhǎng)短、無(wú)實(shí)際光線匯聚點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此,在光電裝備中應(yīng)用最為廣泛的是卡塞格倫式或經(jīng)過(guò)改進(jìn)的卡塞格倫式光學(xué)系統(tǒng)。本文對(duì)卡塞格倫式鏡頭的貓眼效應(yīng)反射特性進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究,測(cè)試了貓眼效應(yīng)反射光的發(fā)散角及反射率等關(guān)鍵數(shù)據(jù),弄清了針對(duì)此類目標(biāo)進(jìn)行主動(dòng)探測(cè)的可行性。2像面探測(cè)器反射加量的眼效應(yīng)法卡塞格倫式光學(xué)系統(tǒng)有很多結(jié)構(gòu)形式,包括雙反式、折反式等。經(jīng)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(duì)有限距離物體成像時(shí)滿足系統(tǒng)消球差應(yīng)具有的面形,其他的形式大多是在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的。圖1所示為卡塞格倫系統(tǒng)的貓眼效應(yīng)原理示意圖。設(shè)此時(shí)的像面探測(cè)器反射為鏡面反射,反射率為1(反射率將在實(shí)驗(yàn)中測(cè)定)。根據(jù)圖1的光線追跡過(guò)程可以看出,當(dāng)入射光線為近軸光線且入射角小于鏡頭的視場(chǎng)角時(shí),從探測(cè)器反射的光線將按照入射光的對(duì)稱光路反向傳輸。根據(jù)幾何光學(xué)原理可知兩束平行的入射光會(huì)聚于焦平面同一點(diǎn)。因此從光學(xué)系統(tǒng)外觀察時(shí),便可以發(fā)現(xiàn)反射光與入射光完全平行。當(dāng)入射光束寬度較大,全部覆蓋鏡頭窗口時(shí),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(yīng)”原理。3模擬分析3.1卡塞格倫式鏡頭為使仿真真實(shí),并在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證,利用ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)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(zhǎng)度為80mm,中心遮擋比為1∶5,探測(cè)器光敏面直徑為2.8mm,視場(chǎng)角為±0.25°。3.2海相中光度計(jì)算中光學(xué)面的表達(dá)利用ZEMAX的物理光學(xué)傳輸原理進(jìn)行仿真分析,光束建模使用數(shù)值陣列。入射高斯光束的數(shù)學(xué)表達(dá)式為E(x,y)={E0e-[(x-dxw0x)2+(y-dyw0y)2],當(dāng)(x-dxw0x)2+(y-dyw0y)2≤10,其他?(1)E(x,y)=???????????E0e?[(x?dxw0x)2+(y?dyw0y)2],當(dāng)(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(diǎn)陣后,在ZEMAX鏡頭建模中進(jìn)入第一個(gè)面,然后依次穿過(guò)整個(gè)系統(tǒng)。光束在兩個(gè)光學(xué)面之間的傳播通過(guò)衍射來(lái)計(jì)算,并根據(jù)菲涅耳數(shù)確定傳播應(yīng)符合菲涅耳衍射還是夫朗禾費(fèi)衍射規(guī)律。菲涅耳數(shù)的表達(dá)式為Fn=2λ[√Ζ2+w2-Ζ]?(2)式中λ為激光波長(zhǎng),w為初始位置的光束半徑,Z為初始位置到觀察點(diǎn)的距離(即傳播距離)。當(dāng)Z?w時(shí),(2)式可簡(jiǎn)化為Fn=w2λΖ。(3)隨著距離的增大,菲涅耳數(shù)逐漸減小。當(dāng)菲涅耳數(shù)小于1時(shí),相對(duì)于初始點(diǎn),觀察點(diǎn)處的光束是遠(yuǎn)場(chǎng)的,反之則認(rèn)為是近場(chǎng)的。近場(chǎng)時(shí)光束傳輸遵循菲涅耳衍射,其電場(chǎng)分布表達(dá)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(diǎn)間的距離,w1和w2為兩個(gè)位置處的光束半徑,q(w,Δz)為二次相位因子,表達(dá)式為q(w,Δz)=eiπw2/λΔz。(5)當(dāng)Δz非常大時(shí),q(w,Δz)可以忽略,(4)式變?yōu)榉蚶屎藤M(fèi)衍射,其表達(dá)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(duì)反射光斑的光學(xué)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(biāo)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(yīng)反射光斑圖像及其y方向的光強(qiáng)分布曲線?？梢钥闯?入射光斑與反射光斑處于對(duì)稱位置,在出瞳處反射光光強(qiáng)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(shí),只有七個(gè)衍射峰。由于入射光束直徑遠(yuǎn)小于鏡頭口徑,在改變?nèi)肷浣菚r(shí)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?nèi)肷湮恢脮r(shí),反射光斑與入射光斑的位置始終保持對(duì)稱,其光強(qiáng)分布特性不變。圖4所示為入射角等于鏡頭的臨界視場(chǎng)角時(shí),鏡頭出瞳處以及原路返回處的貓眼效應(yīng)反射光斑圖像及其y方向的光強(qiáng)分布曲線?？梢钥闯?入射角等于臨界視場(chǎng)角時(shí),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(qiáng)分布出現(xiàn)畸變,說(shuō)明探測(cè)器邊緣的衍射影響較大。3.4加標(biāo)回射反射光光特性分析近距離時(shí)的情況說(shuō)明了貓眼效應(yīng)的存在性及其原路返回性,但主動(dòng)探測(cè)應(yīng)用的是遠(yuǎn)場(chǎng)情況,此時(shí)鏡頭將被全部覆蓋,鏡頭上的光束分布也趨于均勻。設(shè)發(fā)射距離為30km,其他參數(shù)不變。圖5所示為入射角不同時(shí),距離鏡頭出瞳25m處的貓眼效應(yīng)反射光光強(qiáng)分布圖?？梢钥闯?其中心缺孔是兩個(gè)圓孔的交匯,這兩個(gè)圓孔分別是入射光束在進(jìn)入鏡頭和從鏡頭出射時(shí)受到的遮擋,它們的尺寸是入射角的函數(shù);衍射級(jí)數(shù)與入射角無(wú)關(guān)。圖6所示為入射角不同時(shí)原路返回處的貓眼效應(yīng)反射光光強(qiáng)分布圖?？梢钥闯?在遠(yuǎn)場(chǎng)情況下,貓眼效應(yīng)反射光光強(qiáng)分布隨著入射角的增大而逐漸畸變,且光強(qiáng)迅速降低。貓眼效應(yīng)反射光特性數(shù)據(jù)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(jiàn),反射光總功率與入射角成反比并保持線性關(guān)系;入射角小于0.15°時(shí),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(shí),由于反射光光強(qiáng)分布受衍射影響隨著入射角的增大而加強(qiáng),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(yuǎn)場(chǎng)光斑等效直徑減小導(dǎo)致發(fā)散角減小。3.5不同發(fā)射距離的中心能量仿真結(jié)果從3.4節(jié)可見(jiàn),遠(yuǎn)場(chǎng)情況下貓眼效應(yīng)反射光光強(qiáng)分布畸變較大,導(dǎo)致了反射光特性與入射角的非線性關(guān)系,其中最重要的影響因素是中心遮擋?？招牡呢堁坌?yīng)反射光束更容易受到入射角、遮光罩等因素的影響,使得在不同發(fā)射距離時(shí)原路返回處的貓眼效應(yīng)反射光具有不同的光強(qiáng)分布。仿真得到了在該系統(tǒng)遮擋比下,幾個(gè)不同量級(jí)發(fā)射距離時(shí)原路返回處的貓眼效應(yīng)反射光光強(qiáng)分布,如圖7所示。從圖中可見(jiàn),在距離小于3km時(shí),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(yuǎn)場(chǎng)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(cè)距離。針對(duì)該系統(tǒng),探測(cè)距離小于30km時(shí),原路返回處的貓眼效應(yīng)反射光環(huán)圍功率可以滿足探測(cè)要求。4實(shí)驗(yàn)4.1接收、并進(jìn)行空間分布測(cè)試貓眼效應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示。發(fā)射激光經(jīng)小分束鏡后分成兩路,一路由探測(cè)器1接收進(jìn)行入射能量測(cè)試,一路經(jīng)反射鏡轉(zhuǎn)出后進(jìn)入貓眼鏡頭。原路返回的貓眼效應(yīng)反射光經(jīng)大分束鏡反射后,經(jīng)接收光學(xué)系統(tǒng)聚焦后由探測(cè)器2接收進(jìn)行能量測(cè)試;放置接收靶板1于接收光學(xué)系統(tǒng)之前,利用CCD攝像機(jī)采集靶板上的貓眼效應(yīng)反射光斑,進(jìn)行空間分布測(cè)試;撤去大分束鏡,放置中心開(kāi)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(kāi)孔經(jīng)過(guò),同樣利用CCD攝像機(jī)采集接收靶板2上的貓眼效應(yīng)反射光斑,進(jìn)行空間分布測(cè)試。裝置中的兩個(gè)反射鏡是為了在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)轉(zhuǎn)折并延長(zhǎng)光路,根據(jù)實(shí)際情況可以去除。實(shí)驗(yàn)中的主要儀器參數(shù)為:532nm半導(dǎo)體激光器發(fā)射功率為115mW,調(diào)制頻率為10Hz,擴(kuò)束后全發(fā)散角為4.3mrad,光電探測(cè)器最小可探測(cè)功率為2×10-7W。實(shí)驗(yàn)所用卡塞格倫鏡頭的主要參數(shù)與仿真建立的模型參數(shù)相同,不同的是該鏡頭具有保護(hù)窗口,如圖9所示。4.2光斑的反射光斑仿真結(jié)果定義貓眼效應(yīng)反射光功率與進(jìn)入鏡頭的光功率之比為貓眼效應(yīng)絕對(duì)反射率,在入射角為0°時(shí),它是鏡頭焦平面探測(cè)器反射率與光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率平方的乘積。測(cè)試絕對(duì)反射率的意義在于它僅與鏡頭的參數(shù)有關(guān),而與探測(cè)距離無(wú)關(guān),因此可以直接用于主動(dòng)探測(cè)的作用距離公式。在近距離測(cè)試該鏡頭的貓眼效應(yīng)絕對(duì)反射率,此時(shí)入射光全部進(jìn)入目標(biāo)鏡頭,反射光不受鏡頭結(jié)構(gòu)的影響。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖10所示,可以看出,貓眼效應(yīng)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(shí)入射光與反射光不重合,直接利用功率計(jì)對(duì)反射光進(jìn)行測(cè)試,測(cè)得的貓眼效應(yīng)反射光功率為13.2mW,可得絕對(duì)反射率為11.48%。按照?qǐng)D8布置光路,設(shè)發(fā)射距離L為60m。調(diào)節(jié)卡塞格倫鏡頭的俯仰角和水平角使其反射光斑達(dá)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(shí)貓眼效應(yīng)反射光斑與窗口玻璃的反射光斑重合在一起。微調(diào)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(gè)光斑逐漸分離,貓眼效應(yīng)反射光斑(左側(cè)光斑)的位置不變化,說(shuō)明它的原路返回性是固有的,與入射角等參數(shù)沒(méi)有關(guān)系;調(diào)節(jié)入射角時(shí)窗口玻璃反射光斑的形狀變化不大;貓眼效應(yīng)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(gè)小縫,由中心的次鏡支撐架的遮擋所致。此時(shí)測(cè)得貓眼效應(yīng)反射光功率與入射光功率之比為1.24%,可調(diào)節(jié)入射角范圍為0.23°,入射角為臨界視場(chǎng)角時(shí)光斑消失。調(diào)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(shí),窗口玻璃反射光斑與貓眼效應(yīng)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(yīng)反射光斑為正圓形,呈衍射環(huán)狀條紋分布,但是該視場(chǎng)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的探測(cè)器像元由于曾受強(qiáng)激光輻照而有所損壞,因此光斑缺損嚴(yán)重;入射角增大時(shí),貓眼效應(yīng)反射光斑嚴(yán)格位于原路返回處,窗口玻璃的反射光斑逐漸偏離,沒(méi)有利用價(jià)值;入射角為0.05°時(shí)反射光斑中心為兩個(gè)交匯的圓孔。但隨著入射角的繼續(xù)增大,貓眼效應(yīng)反射光斑嚴(yán)重畸形。這說(shuō)明衍射的影響逐漸加強(qiáng),也說(shuō)明鏡頭中的任何元件,包括支架、擋光環(huán)、遮光罩等都對(duì)衍射起促進(jìn)作用,尤其是非中心對(duì)稱元件對(duì)貓眼效應(yīng)反射光均勻性影響較大。入射角為0°時(shí),原路返回處的貓眼效應(yīng)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(dǎo)向的加射式光學(xué)性能參數(shù)設(shè)計(jì)運(yùn)用ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件建立了卡塞格倫式鏡頭仿真模型,并利用物理光學(xué)傳輸方法對(duì)該鏡頭的貓眼效應(yīng)特性進(jìn)行了仿真,并在近場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,激光輻照卡塞格倫鏡頭時(shí)能夠產(chǎn)生空心的貓眼效應(yīng)反射光束。由于激光束通過(guò)中心遮擋體及非對(duì)稱光學(xué)元件時(shí)受到的衍射影響,斜入射時(shí)產(chǎn)生的貓眼效應(yīng)反射光在后向傳輸過(guò)程中畸變較大,因此可用入射角范圍稍小于鏡頭的視場(chǎng)角;鏡頭窗口玻璃對(duì)532nm激光的反射較強(qiáng),其反射光在近場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)容易與貓眼效應(yīng)反射光相混淆;532nm激光輻照時(shí)該鏡頭的貓眼效應(yīng)絕對(duì)反射率為11.48%,入射角為0°時(shí)反射光發(fā)散角為3.3