摘要:大口径可见光到红外波段OTF测试仪测量功能齐全,即可测量照相系统、望远系统的光学传递函数(OTF),并且兼有测量焦距、放大率和光谱透射比等参数的功能。通过用OTF标准镜头进行标定,开展OTF国际比对工作,为建立OTF计量标准打下基础。该系统测量不确定度为:可见光至近红外波段:轴上0·03、轴外0·05;红外波段:轴上0·04、轴外0·06。重复性:0·01(RMS)。主要性能指标均达到当前国际先进水平。
由于当前武器型号和航天遥感技术的发展,其光学系统更趋于大口径、长焦距、红外~可见光多谱段,针对这一需求,我站采取了由国外引进主要关键设与自行研制主标准器及配套设备相结合的途径,建立了大口径光学系统OTF计量标准,满足了国防OTF计量检定与测试的需要。
该测试系统的主要特点是:大口径、宽光谱、宽量限、准确度高、多功能、自动化程度高、性能稳定。组件式组合,各组件可安放或固定在光学平台上,与被测系统组成不同的共轭方式的光路。OTF/MTF测量完全在计算机控制下进行,操作方便、可靠。同时,具备测量MTF、PTF、MTF离焦曲线、焦距、放大率、光学系统透射比等多项功能。
1 仪器功能及主要技术指标
1·1 仪器功能
*可测照相系统和望远系统的OTF;
*可测线扩散函数(LSF),调制传递函数(MTF),位相传递函数(PTF);
*可测MTF离焦曲线;
*可测焦距、放大率;
*可测光学系统透射比。
1·2 主要技术指标
*光谱范围:0·4μm~1·1μm,3μm~5μm,8μm~12μm;
*准直器:Φ500 mm,f=6 000 mm,1/10λ(λ=0·632 8μm);Φ350 mm,f=3 000 mm,1/8λ(λ=0·632 8μm);
*空间频率:0~300 mm-1
*视场角:±30°
*测量不确定度:可见~近红外波段:0·03(轴上),0·05(轴外);红外波段:0·04(轴上),0·06(轴外)
*重复性:0·01(RMS)
2 OTF测量装置的标定
使用标准镜头标定OTF测量装置是目前国内外最常采用的主要方法。标准镜头是根据其结构参数,用精确的计算方法把其MTF计算出来的镜头,即这种镜头的MTF是已知的。根据其MTF实测值与理论计算值的差别来标定OTF测量装置的测量准确度。标准镜头要求其结构应简单合理,所用材料应仔细选择和检测,经过精心加工、检测和装配而成,确保其性能不应在实际使用中由于松动或装配应力的变化等原因而发生变化。
在实际标定中,我们分别选用了三种标准镜头在三个光谱范围内对OTF测量装置进行了测试。
2·1 在红外波段(8μm~12μm),用标准镜头f′=200 mm,D/f=1/3·5
(1)国内测试
a·测试条件:
共轭方式:物方无限远
波长:10·0μm
视场角:0°,±1°,±2°
像面:最佳像面,基准像面
空间频率范围:0~20 mm-1
孔径:f/3·5
焦面确定:(i)最佳像面:轴上(0°),空间频率为10 mm-1时调焦得到MTF最大值处;
(ii)基准像面:轴上(0°),空间频率为10 mm-1时,子午方位,靠近镜头一侧,调焦得到MTF峰值降至50%处。
b·测量结果见表1,表2。
(2)英国Ealing(Sira研究协会)比对测试
a·测试条件:
共轭方式:物方无限远
波长范围:8μm~12μm
视场角:0°,±1°,±2°
方位:弧矢R(0°),子午T(90°)
空间频率范围:0~20 mm-1
孔径:f/3·5
焦面确定:(i)最佳像面:轴上(0°),空间频率为10 mm-1时调焦得到MTF最大值处;
(ii)基准像面:轴上(0°),空间频率为10 mm-1时,子午方位,靠近镜头一侧,调焦得到MTF峰值降至50%处。
b·测量结果见表3,表4。
2·2 自行研制的红外标准镜头,f=200 mm,D/f=1/3·5,λ=3μm~5μm
a·测试条件:
共轭方式:物方无限远
波长:4·0μm
视场角:0°,±1°,±2°
像面:最佳像面,基准像面
评价频率:25 mm-1
空间频率范围:0~50 mm-1
孔径:f/3·5
焦面确定:(i)最佳像面:轴上(0°),空间频率为25 mm-1时调焦得到MTF最大值处;
(ii)基准像面:轴上(0°),空间频率为25 mm-1时,子午方位,靠近镜头一侧,调焦得到MTF峰值降至50%处。
b·测量结果见表5,表6。
3·3 在可见光波段,f=200 mm,D/f=1/4,λ=
546·0 nm
a·测试条件:
共轭方式:物方无限远
波长:546·0 nm
视场角:0°,±1°
方位:弧矢R(0°),子午T(90°)
像面:最佳像面,基准像面
空间频率范围:0~100 mm-1
孔径:f/4
焦面确定:(i)最佳像面:轴上(0°),空间频率为50 mm-1时,调焦得到MTF最大值处;
(ii)基准像面:轴上(0°),空间频率为50 mm-1时,子午方位,靠近镜头一侧,调焦得到MTF峰值降至50%处。
b·测量结果见表7。
4 结 论
从以上测量结果可以看出,MTF的计算值与测量值的一致性:可见~近红外波段:轴上点0·03,轴外视场不大于0·05;红外波段:轴上点0·04,轴外视场不大于0·06;轴外视场MTF的对称性在0·05之内;重复性:±0·01。主要性能指标均达到当前国际先进水平。
在研制中,考虑到航天大口径光学系统OTF测试需求,把准直器口径扩大到Φ500 mm,有利今后被测光学系统口径的扩大与发展;同时又考虑到常规光学系统的测量,又自行研制了Φ350 mm中等口径准直器,与Φ500 mm口径的准直器配合使用,使该套装置的测试范围得到很好的扩展。
配合该套装置的研究,自行设计制作成0·4μm~1·1μm、3μm~5μm、8μm~12μm三种类型的标准镜头,对装置进行了大量的校准测试工作,对部分镜头进行了国际比对测量,为把该装置提高到更高标准提供了技术保证。
作者简介:杨红(1960-),女,长春市人,西安应用光学研究所高级工程师,从事光学设计、光学计量及测试研究。
