孙小龙

摘 要：为了提高望远镜的工作效果和使用寿命，有必要对其光学元件进行在线检测，从而及时发现其问题。于是文章设计了一种光学元件缺陷在线检测光学系统，首先通过设计变焦距系统，然后再对系统的设计过程进行分析，其中包含设计指标、设计实例、像素评价和环境适应性分析。结果表明该系统具有较好的成像质量，在光学元件缺陷在线检测中具有较好的应用效果。

关键词：光学元件;在线检测;光学系统;设计

中图分类号：TH744   文献标识码：A      文章编号：1001-5922（2020）10-0145-04

Abstract：In order to improve the working effect and service life of the telescope， it is necessary to perform online inspection of its optical components， so as to discover its problems in time. Therefore， the paper designs an optical system for online detection of optical element defects. First， the zoom system is designed， and then the design process of the system is analyzed， which includes design indicators， design examples， pixel evaluation and environmental adaptability analysis.The results show that the system has good imaging quality and good application effect in the online detection of optical element defects.

Key words：optical components; online inspection; optical system; design

0     引言

光学元件作为望远镜的重要组成部分，虽然在安装之前，会使用离线检测方式对光学元件进行检测是否存在缺陷，但是由于望远镜工作一段时间之后，光学元件也可能会出现缺陷，从而影响成像质量，于是可以使用在线检测系统对光学元件进行检测，从而有助于提高望远镜的工作效果[1-2]。然而光学元件在线检测系统存在一些缺陷，比如不能准确的得到缺陷位置，检测效率比较低等[3-4]。文章将对在线检测光学系统进行分析，在系统的设计过程中，大变焦范围、大视场角的变焦系统非常重要。在系统设计时其焦距系统的调焦精度提高、成像质量提高和结构简化属于重难点部分。通过文献研究的方式，设计了一种检测光学系统。

1     变焦距系统的設计

检测光学元件是否产生缺陷时所使用的方式为通过使用暗场成像的原理，其检测示意图如图1所示[5]。当检测到的结果为像面背景显示黑色，则可以说明此时光学元件没有缺陷，反之，当有后向散射光时，在相机靶面上就会呈现出光学元件的缺陷区域[6]。然后再继续对缺陷区域进行分析，从而可以得到在望远镜系统中光学元件缺陷的位置和尺寸。

为了使得光学元件缺陷实现等精度高分辨率成像，当物距不同时，需要进行调整成像焦距操作，从而使其成像系统放大倍率恒定。根据技术要求，当工作物距在1.1～5.6m之间时，不同平面镜进行检测，其中反面镜的直径和各种物距相关数据如表1所示，其中存在的检测要求为视场范围时0.1m，另外物方分辨率也要优于0.1mm。然后再根据下面公式能够计算出半视场角、镜头焦距和垂直轴放大倍率，结果如表1所示。

变焦距系统有不同的类型，如果按照补偿方式不同可以分为机械补偿变焦和光学补偿变焦，其中机械补偿变焦是当前使用较为普遍的一种方式，具有成像质量好、结构简单的优势，另外其焦距可以持续进行改变[7-8]。图2即为机械补偿变焦系统的原理图，其中主要包含着4个组成部分Z1、Z2、Z3和Z4，分别代表的是固定组、变焦组、补偿组和后固定组。

变焦镜头具有重要的作用，能够使得每个焦距具有较好的成像质量，还能够使其后固定组和固定组保持不变。光学元件主要由几个不同的平面反射镜构成，在缺陷检测过程中可以根据记录各组元的位置从而确定具体出现缺陷的反射镜，可以实现缺陷定位作用。这种检测方式最大的优势在于在保证成像质量的同时，能够降低光学系统的复杂性。

2     设计过程

2.1   指标设计

在检测过程中，需要将光学元件成像面的明亮程度大致相同，则需要保证有充足的光进量。另外还需要使得系统的相对孔径F不变。然后将相关指标像素尺寸设置为5.5μm×5.5μm，有效像素元素设置为2048×2048，CCD尺寸设置为11.264mm，该相关指标的设计能够使得检测留有扩展空间。在设计变焦系统时，由于使用的激光光源照明，设计时需要针对某一特定波长的光进行。表2即为在线检测光学系统的相关指标设计。

2.2   设计实例

在线检测光学系统选择Zemax软件进行设计，因为该软件能够处理多重结构的设计和优化，应用于文章所研究的系统中能够满足需求，并且具有方便快捷的优势。在设计的初步阶段，变焦镜头的初始结构非常重要。首先需要确定出系统的主要参数，完成该步骤之后，即可根据相关文献中方式选择初始结构，然后使用Zemax软件进行优化，优化次数不止一次，在优化时需要满足一定的要求，方可实现优化过程，得到如图3所示的结构图。

通过优化设计之后，能够得到系统的相关参数有：默认温度为20℃，镜头结构总长度为55.31cm，镜片最大口径为12.39cm，图3中一共有6个不同焦距，能够清晰反应变焦过程中3种不同焦距的成像情况。需要注意的是需要将所有镜片使用最大口径值。为了降低系统的设计难度，选择的球面系统作为镜片。

望远镜系统中存在多个光学元件成像过程，存在多个不同的焦距，需要确定每一个焦距的补偿组和变倍组的位置，图4即为两者的位置显示，其中纵坐标显示两者相对成像系统第一片透镜的位置，横坐标显示的是成像焦距。从图中可以分析出补偿组呈现的是非线性运动，而另一组属于呈现的是线性运动，两组的位移量程分别为39.05mm和79.25mm。

2.3 像素评价

对光学系统进行评价时，一般使用的主要方式为调制传递函数的值，能够通过其值放映出系统像素的质量。于是可以得到如图5所示的MTF曲线，分别包含着4种不同焦距的曲线。从图5中可以看出，曲线的特点是平直且光滑，从而能够反映出成像质量比较好。当焦距处于90mm时，此时属于小焦距，其成像性能稍稍有所降低，然而，当其MTF在100lp/mm时，OTF的模数时大于0.3，另外其他的不同焦距下，当MTF为100lp/mm，OTF的模数均是大约0.4，于是能够满足成像像质的需求，表3为当焦距不同时不同视场下弥散斑半径均方根。当处于最小焦距90mm时，其中弥散斑半径均方根处于最大值4.476，而系统艾里斑半径是5.189，该值大于弥散斑半径均方根，于是可以提高衍射能量，并且与其极限相接近。

2.4   环境适应性分析

由于环境温度不同时会影响到系统的成像质量，检测系统的工作温度为-10℃～40℃。由于焦距不同时，对温度的敏感性也会存在差异，长焦距的敏感性比短焦距更强，文章在分析系统的环境适应性时以长焦距540mm作为研究对象，另外，对其他不同焦距进行分析时，方式于此一致。在焦距为540mm时，变焦系统的MTF曲线如图6所示。

从图中可以看出，MTF曲线下降程度比较大，说明其像素质量也有所降低。选择温度补偿措施从而增加成像质量，增加环境适应性。将20℃作为零点，温度补偿组在-10℃和40℃时的移动距离为-0.7mm和0.5mm，系统的总长度也会发生一定的变化，由于其变化非常的小，不会超过正负1mm，于是满足设计指标。经过平移补偿处理之后，能够得到如图7所示的MTF曲线，其成像质量优良。

表4为当温度不同时系统在不同视场的弥散斑半径均方差值，从图中可以看出，当温度不断增加时，弥散斑半径均方根也在不断增加。平移补偿之后，弥散斑半径均方根的数值也在艾里斑半径之内，于是满足设计要求，并且具有较好的成像质量。

3 结语

文章设计了光学元件缺陷在线检测光学系统，其中利用的机械变焦形式，能够实现90～54mm的变焦。通过对不同焦距下成像质量进行检测，发现成像质量良好，能够满足设计要求。另外，发现温度对成像质量的影响较大，于是采用温度补偿组对成像质量变化进行补偿，通过平移补偿之后，能够提高成像质量，并且满足各种指标的需求。

参考文献

[1]赵晓琛.太阳望远镜光学零件表面散射光测量技术研究[D].成都：中国科学院大学（中国科学院光电技术研究所），2016.

[2]许乔，顾元元，柴林，等.大口径光学元件波前功率谱密度检测[J].光学学报，2001（03）：88-91.

[3]程晓锋，徐旭，张林，等.基于高分辨力CCD的大口徑光学元件疵病检测[J].强激光与粒子束，2009，021（011）：1677-1680.

[4]余景池，孙侠菲，郭培基，等.光学元件检测技术的研究[J].光电工程，2002（S1）：16-19.

[5]张际，李大海.光学元件损伤暗场成像检测的算法[J].中国激光，2006（08）：103-106.

[6]李付明，李大海，彭志涛，等.光学元件损伤暗场图像中的目标自动提取研究[J].激光杂志，2008（02）：27-29.

[7]邓元.机械补偿式光学变焦凸轮CAD系统[D].长春：长春理工大学，2002.

[8]陶纯堪.变焦距光学系统变焦方程[J].科学通报，1977（Z1）：65-67+71.