光学元件缺陷在线检测光学系统设计

张文学，王继红，任 戈

(1.中国科学院 光束控制重点实验室，四川 成都 610209；2.中国科学院 光电技术研究所，四川 成都 610209；3.中国科学院大学，北京 100049)

引言

望远镜系统中光路较长，光学元件数目和种类较多，光学元件在组装进望远镜系统以前，对表面质量均进行了严格的离线检测。目前，国内外对于光学元件的离线检测有较多研究[1-3]，但是离线检测方法具有限制条件较多、检测耗时长等缺点。望远镜由于工作环境因素的影响，经过一段时间光学元件表面会产生缺陷，缺陷的存在使得望远镜成像质量下降。光学元件在线检测系统在光学系统的工作间隙对光学元件进行检测，检测时不用将光学元件从望远镜系统中移出，可以更好地辅助望远镜正常运行。

对于光学元件表面缺陷在线检测，国内外常采用在光源照明下对缺陷区域直接成像的方法，结合成像系统的成像特性获得光学元件表面的缺陷分布信息。根据相关文献报道，2007年，美国利弗莫尔实验室(LLNL)公布了针对国家点火装置(NIF)研制了终端光学元件在线检测装置(FODI),主要包括：照明系统、图像采集系统、成像定位系统、分析统计软件等[4]。图像采集系统通过成像定位系统精确定位后采集光学元件的检测图像，并利用分析软件对表面缺陷分布情况进行检测分析，之后对光学元件的工作状况进行评估。

2004年，中科院上海光机所任冰强研制了一套基于暗场成像原理的光学元件在线检测系统，并应用于大型激光装置进行实验，但是最终得到的光学元件缺陷的位置和精度都比较低[6]。2010年，中国工程物理研究院等单位针对神光Ⅲ装置的终端光学元件在线检测装置进行了研究[5-8]，检测原理与NIF的FODI系统类似。系统主要由成像系统、照明系统、姿态调整系统等组成。通过查阅文献可知，ICF 系统中终端光学元件的在线检测成像系统包括2个镜组，前镜组固定，后镜组轴向前后移动，从而实现变焦，但是此方法没有对像面移动进行补偿，采用的是移动CCD像面位置到新的像面。由于移动CCD，改变了理论像面的位置，虽然减少了光学系统的复杂程度，但是对位移的调整范围以及精度都提出了更高的要求。大变焦范围、大视场角的高分辨率变焦距系统的设计对于光学元件在线检测装置至关重要，如何提高变焦距系统的调焦精度，提高成像质量的同时又尽可能简化系统的结构，是光学元件在线检测装置中光学设计的难点。

作为望远镜的主要光学部件之一，反射镜对表面光学质量有着很高的要求，在反射镜装配之前需进行严格的离线检测流程，以保证其表面质量。但是在望远镜系统完成装配之后，反射镜表面出现缺陷时再对系统进行拆卸检测费时费力。本文在查找相关资料的基础上，根据望远镜系统的应用需求，设计了一种用于多个光学元件缺陷检测的机械变焦系统,工作温度范围为-10℃～40℃，对工作距离1 100 mm～5 600 mm、直径140 mm的反射镜进行检测，表面缺陷的分辨率优于0.1 mm。

1 变焦距系统的设计

光学元件在线检测的方法是利用暗场成像的原理，在激光光源的扩束照明下对不同光学元件分别调焦成像来完成元件表面缺陷的探测，如图1所示。光学元件如果没有产生缺陷则无散射光进入接收系统，像面背景显示为黑色。光学元件如果产生缺陷，缺陷区域将会产生后向散射光，缺陷区域就会成像在相机靶面，通过后续的图像处理分析可以得到光学元件表面缺陷在望远镜系统中的尺寸和位置。

图1 望远镜系统中光学元件缺陷检测示意图Fig.1 Schematic diagram of optical element defect detection in telescope system

由于不同光学元件到成像系统的物距不一样，为了对各个光学元件表面缺陷进行等精度高分辨率成像，故需要根据不同的物距来调整成像焦距来保持成像系统放大倍率的恒定。如图2所示，根据技术要求，对工作物距1 100 mm～5 600 mm范围内，一系列平面反射镜表面的缺陷进行成像检测，其中反射镜的直径为140 mm，物距L1=1 100 mm，L2=2 000 mm，L3=2 900 mm，L4=3 800 mm，L5=4 700 mm，L6=5 600mm，物高H=100 mm，靶面大小h=10 mm。检测要求的视场范围为100 mm，物方分辨率要优于0.1 mm。由以下公式：

(1)

(2)

(3)

得到半视场角θi分别为2.603°、1.432°、0.988°、0.754°、0.609 5°、0.512°，镜头焦距 分别为100 mm、181.82 mm、263.64 mm、345.46 mm、427.27 mm、509.09 mm，垂轴放大倍率β=-0.1。

变焦距系统是通过改变其中某一组元或者多个组元之间的间距实现焦距的变化，每个组分的运动曲线设计之后，通过移动每个组元按照运动曲线变化实现变焦。变焦距系统按照补偿的类型不同，可分为光学补偿变焦和机械补偿变焦两种方法。机械补偿变焦系统具有结构简单，成像质量好，焦距可以持续改变等优点，是目前变焦系统设计中最普遍采用的一种结构。机械补偿变焦系统[9-12]由前固定组Z1、变焦组Z2、补偿组Z3、后固定组Z4构成，如图2所示。

图2 机械补偿变焦系统原理图Fig.2 Schematic diagram of mechanical compensation zoom system

变焦镜头不仅能够实现每个焦距都能有良好成像质量，还需要保证系统的前固定组Z1、后固定组Z4保持不变，使得在不同焦距下系统的总长一致，变倍组Z2的线性运动和补偿组Z3的非线性运动是通过位移装置运动到相应位置。实际上它是通过改变镜头组元之间的间距，达到焦距变化的目的，各组元之间的移动位置分别对应着不同光学元件的物距，由于望远镜系统中光学元件是多个平面反射镜，因此可以通过记录各组元的位置确定被测系统是哪一个反射镜表面产生的缺陷，从而对产生缺陷的反射镜进行定位。该方法不仅提高了光学系统的成像质量，还减少了光学系统的复杂性。

2 设计过程

2.1 设计指标

为了使变焦系统的进光量充足，保持不同光学元件成像面成像的明亮程度大致相等，随着变焦系统从短焦到长焦变化，应该保持系统的相对孔径不变，即F数不变。CCD尺寸选择为11.264 mm，有效像元数2 048×2 048，像素尺寸5.5 μm×5.5 μm，目的是使检测留有扩展空间。由于此系统中的多个光学元件采用的是激光光源照明，因此变焦系统是针对某一特定波长的光进行设计的。变焦距镜头的短焦端视场角最大，产生的畸变也较大，所以短焦端设计难度相对较大。本系统的设计指标如表1所示。

表1 变焦系统设计指标

2.2 设计实例

Zemax软件可以进行多重结构的设计和优化，方便快捷，能够较好地满足需求。针对有限工作距离的单色变焦系统的设计，变焦镜头的初始结构对于系统的设计很关键，首先结合设计指标确定系统的主要参数，然后通过查询相关文献[12-15]，结合上面的计算参数，选取出初始结构，并通过软件多次优化得到如图3所示结构图。从左到右焦距依次为90 mm、180 mm、270 mm、360 mm、450 mm和540 mm。

图3 不同焦距时光学系统结构示意图Fig.3 Zoom lens layout with different focal lengths

优化后的镜头结构总长为553.1 mm，系统默认温度20℃，系统中镜片最大口径是123.9 mm。多重结构设置了90 mm、180 mm、270 mm、360 mm、450 mm、540 mm 共6个组态，能够清晰反应变焦过程中短、中、长焦距的成像情况。整个系统设计过程保持F数不变，随着焦距发生变化，则系统的有效孔径也会变化，因此设置所有镜片保持其最大口径值。镜片均采用的是球面系统，降低了整个系统的设计和加工难度。

通过变倍组Z2和补偿组Z3的运动可以实现焦距的变化。为了对望远镜系统中多个光学元件进行成像，需要确定多个不同焦距时的变倍组和补偿组的位置，变倍组和补偿组位置如图4所示，横坐标表示不同物距下光学元件成像系统的成像焦距，纵坐标表示变倍组和补偿组相对成像系统第一片透镜的位置。变倍组作线性运动，补偿组作非线性运动，在整个变焦过程中像面不发生移动，变倍组和补偿组的位移量程分别为79.25 mm和39.05 mm。

图4 变倍组和补偿组位置示意图Fig.4 Trajectory diagram of variable multiplier group and compensation group

2.3 像质评价

调制传递函数的值可以反映系统的成像质量，是光学系统的主要评价方法。图5是焦距分别在90 mm，180 mm，360 mm，540 mm处的MTF曲线。从图5可以看出，在4个焦距处MTF曲线平直且光滑，成像质量良好。系统在短焦距90 mm时成像性能略下降，但在100 lp/mm处大于0.3，系统在其他焦距时MTF值在100 lp/mm处均大于0.4，成像像质满足实际需求。

图5 变焦系统分别在不同焦距处的MTF曲线Fig.5 MTF curve of zoom systemat each focal length

表2是焦距在90 mm～540 mm处的不同视场弥散斑半径均方根。从表2可以看出，变焦系统在焦距90 mm处的边缘视场的弥散斑半径均方根达到最大值4.476 μm，系统艾里斑半径为5.189 μm，弥散斑半径均方根均控制在艾里斑半径范围内，衍射能量接近衍射极限。

表2 各焦距处不同视场弥散斑半径均方根 μm

2.4 环境适应性分析

系统的工作温度范围为-10℃～40℃，环境温度的变化会引起材料折射率、透镜曲率等因素的变化，从而使检测系统的成像质量下降。本系统在焦距为540 mm长焦段对温度比短焦段更敏感，因此环境适应性分析以焦距为540 mm为例，其他焦距段补偿原理与此类似。如图6所示，焦距540 mm的变焦系统在-10℃和40℃时，变焦系统的MTF曲线下降很快，成像质量下降。为了增强系统的环境适应性，温度补偿措施对于保障系统在不同环境中的成像质量非常重要。在环境温度发生变化时，通过控制后固定组的最后两组镜片作为温度补偿组平移，对系统温度变化引起的成像质量变化进行补偿。以20℃时为零点，温度补偿组在-10℃时移动的距离是-0.7 mm，在40℃时移动的距离是0.5 mm，由于温度补偿组的移动，不同温度下的系统总长发生了微小的改变，但是系统总长改变范围不超过±1 mm，设计结果满足设计指标。平移补偿后，焦距为540 mm的变焦系统在-10℃和40℃下的MTF均在0.4以上(100 lp/mm)，成像质量优良，如图7所示。

图6 焦距为540 mm的变焦系统在-10℃和40℃下的MTFFig.6 MTF curve of zoom system at -10℃ and 40℃ with 540 mm focal length

图7 平移补偿后，焦距为540 mm的变焦系统在-10℃和40℃下的MTFFig.7 After translation compensation, MTF curve of zoom system at -10℃ and 40℃ with 540 mm focal length

如表3所示，焦距540 mm的变焦系统在环境温度-10℃到40℃，系统在各视场的弥散斑半径均方根都在变化，温差越大，弥散斑半径均方根越大。温度补偿组平移后，系统艾里斑半径为5.188 μm，弥散斑半径均方根均控制在艾里斑半径范围内，成像质量良好，满足使用要求。

表3平移补偿前后，540 mm焦距系统不同温度下各视场的弥散斑半径均方根μm

Table 3 Before and after translation compensation,RMS of speckle radii of different FOVs at 540 mm focallength

3 结论

本文采用机械变焦的形式设计了一套可用于望远镜中光学元件表面缺陷检测的变焦距光学系统，实现了90 mm～540 mm的6倍变焦，在变焦过程中F数和像面位置保持不变，变焦系统总长为553.1 mm，系统镜片最大口径是123.9 mm。使用传递函数曲线、点列图对设计的各焦距段成像质量进行了评估，系统在各个焦距段的MTF值在100 lp/mm处均大于0.3，物方分辨率优于0.055 mm，在焦距90 mm处边缘视场的弥散斑均方根半径达到最大值4.476 μm，各焦距处弥散斑均方根半径均控制在艾里斑半径范围内。对系统环境适应性进行了分析，讨论了温度范围为-10℃～ 40℃对系统成像质量的影响，发现温度变化对系统成像质量影响很大，通过平移温度补偿组对温度变化引起的系统成像质量变化进行补偿，补偿后的系统总长改变范围不超过±1 mm，设计结果满足指标需求。