淺析光纖倒像器固有誤差對(duì)應(yīng)用的影響

郝 芳，張 平，楊海金，王 瑤，卞臻臻，詹 江，鄭 偉，梁 琦

（江蘇北方湖光光電有限公司，江蘇 無錫 214914）

引言

微光夜視是利用低光照?qǐng)D像信息的轉(zhuǎn)換、增強(qiáng)而用于夜間觀瞄，屬直視光學(xué)系統(tǒng)[1]。其突出特點(diǎn)是依靠夜天光輻射，以“被動(dòng)”方式成像，用到的核心器件是微光像增強(qiáng)器，又稱作微光像管，對(duì)整個(gè)微光夜視系統(tǒng)的成像質(zhì)量、測(cè)量精度等起著決定性作用[2-3]。隨著微光像增強(qiáng)器的發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最為廣泛、也是最為成熟的微光像增強(qiáng)器是超二代微光像增強(qiáng)器。國(guó)內(nèi)外對(duì)多堿陰極的研究和提高性能的努力一直在繼續(xù)，借鑒了負(fù)電子親和勢(shì)GaAs 陰極出現(xiàn)后逐漸成熟的光電發(fā)射和晶體生長(zhǎng)理論，并采用先進(jìn)的光學(xué)制造、光電檢測(cè)手段，使多堿陰極靈敏度由二代微光的225 μA/lm～400 μA/lm，提高到720 μA/lm 以上，目前靈敏度大于1 100 μA/lm～1 300 μA/lm 的像增強(qiáng)器可實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)[4]。另外，紅外輻射靈敏度在波長(zhǎng)0.8 μm 處達(dá)65 mA/W，長(zhǎng)波閾大于0.95 μm，分辨率達(dá)到70 lp/mm，噪聲因子下降到了70%[5]。

對(duì)于近距離夜間瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，使用較為廣泛的是帶有光纖倒像器的超二代倒像式微光像增強(qiáng)器。其作用在于將通過光電轉(zhuǎn)換的倒像利用光纖倒像器正像顯示于熒光屏上，可有效減小光學(xué)系統(tǒng)的長(zhǎng)度和重量，并有利于系統(tǒng)視差的減小和消除，提高瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的精度[6]。但是，其中的光纖倒像器是將光纖面板輸出角翻轉(zhuǎn)后作為輸出屏，在生產(chǎn)制造過程中會(huì)存在一定的固有誤差，如翻轉(zhuǎn)角誤差、像對(duì)準(zhǔn)誤差、桶形畸變、蛇形畸變等，特別是像翻轉(zhuǎn)角和蛇形畸變，會(huì)影響瞄準(zhǔn)和光學(xué)測(cè)量的精度，應(yīng)予以控制[7-8]。

文中基于倒像式微光像增強(qiáng)器在微光瞄準(zhǔn)鏡和測(cè)量?jī)x器中的應(yīng)用，對(duì)倒像式微光像增強(qiáng)器像翻轉(zhuǎn)角誤差和蛇形畸變對(duì)該類應(yīng)用的影響進(jìn)行分析，提出誤差允差范圍，并提出一種檢測(cè)儀器對(duì)其誤差進(jìn)行檢測(cè)，提高了應(yīng)用質(zhì)量[9]。

1 倒像式微光像增強(qiáng)器

微光像增強(qiáng)器是一種超高真空的光電成像器件，主要由陰極輸入窗、光電陰極、電子倍增器MCP和帶熒光屏的陽(yáng)極輸出窗組成，并靠陶瓷與可伐合金封裝在一起[10-11]，如像增強(qiáng)器工作原理示意圖見圖1。其中，光纖面板是由許多根規(guī)則排列的光學(xué)纖維經(jīng)過高溫熔壓而成的一種光學(xué)元件，具有集光性好、分辨率高、無失真等特點(diǎn)，是微光像增強(qiáng)器的輸出屏[12]，而倒像式微光像增強(qiáng)器是將光纖面板輸出角翻轉(zhuǎn)180°后實(shí)現(xiàn)倒像功能，稱為光纖倒像器[13]。

圖1 像增強(qiáng)器工作原理示意圖Fig. 1 Schematic diagram of working principle of low-levellight image intensifier

該類微光像增強(qiáng)器在國(guó)內(nèi)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是，光纖倒像器在生產(chǎn)制造過程中會(huì)產(chǎn)生一定的固有誤差，這些誤差在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)對(duì)系統(tǒng)帶來一定的影響，隨著系統(tǒng)要求和精度的不斷提高，應(yīng)對(duì)固有誤差進(jìn)行質(zhì)量控制[14-15]。

2 對(duì)應(yīng)用的影響分析

微光觀測(cè)系統(tǒng)中，目標(biāo)通過物鏡成倒像于微光像增強(qiáng)器陰極面上，經(jīng)光電陰極、電子倍增器MCP和帶光纖倒像器陽(yáng)極成正像于熒光屏上[16]。翻轉(zhuǎn)角誤差（α）會(huì)造成實(shí)際像位置與理論位置的偏差和傾斜，蛇形畸變會(huì)造成實(shí)際像的位置與理論位置偏差和扭曲變形，如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)成像與誤差影響示意圖Fig. 2 Schematic diagram of system imaging and error influence

翻轉(zhuǎn)角誤差對(duì)瞄準(zhǔn)精度的影響與其在視場(chǎng)內(nèi)的位置有關(guān)，離視場(chǎng)中心愈遠(yuǎn)影響愈大。這個(gè)影響對(duì)于高精度系統(tǒng)來講是不可忽略的。翻轉(zhuǎn)角誤差對(duì)瞄準(zhǔn)精度的影響屬系統(tǒng)誤差，可通過標(biāo)定方式予以矯正或消除，但是對(duì)測(cè)量行程差時(shí)帶來的誤差是不可消除的。行程差是瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中瞄準(zhǔn)分劃在調(diào)節(jié)過程中的走動(dòng)誤差，與分劃行走方向垂直，在中、近程微光瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中一般要求不大于±0.75 密位，是出廠驗(yàn)收的重點(diǎn)考量參數(shù)。蛇形畸變會(huì)引起運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在視場(chǎng)內(nèi)像的“跳躍”而影響瞄準(zhǔn)，且對(duì)瞄準(zhǔn)精度的影響是隨機(jī)的，無法消除；另外，引起目標(biāo)分劃的扭曲變形會(huì)對(duì)行程差指標(biāo)測(cè)試不利，應(yīng)予以控制。圖3 分別給出了有效工作視場(chǎng)內(nèi)，像翻轉(zhuǎn)角誤差和蛇形畸變對(duì)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)行程差允差測(cè)量的影響。其中，圖3（a）為瞄準(zhǔn)分劃從左向右行走時(shí)不會(huì)超過理論測(cè)量范圍；圖3（b）中像翻轉(zhuǎn)角誤差造成測(cè)試分劃出現(xiàn)一定的傾斜，瞄準(zhǔn)分劃從左向右行走時(shí)則出現(xiàn)超差問題，且走動(dòng)范圍越大影響越大；同理，圖3（c）為蛇形畸變引起測(cè)量分劃彎曲而造成行程差超差。

圖3 誤差對(duì)測(cè)量的影響示意圖Fig. 3 Schematic diagram of influence of error on measurement

以物鏡焦距為100 mm 的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)為例，選用18/18 微光像增強(qiáng)器，其中，二分之一視場(chǎng)處產(chǎn)生的像位誤差為

從（1）、（2）式可以看出，翻轉(zhuǎn)角誤差為60′時(shí)，在30 密位測(cè)量范圍中對(duì)行程差測(cè)量范圍的影響是0.7 密位；蛇形畸變?yōu)?.1 mm 時(shí)，對(duì)行程差測(cè)量范圍的影響是0.95 密位。因此，對(duì)于行程差測(cè)量范圍為±0.75 密位的系統(tǒng)，翻轉(zhuǎn)角誤差需小于30′，蛇形畸變需小于30 μm。對(duì)于瞄準(zhǔn)精度≤0.5 密位的系統(tǒng)，為避免標(biāo)定而保證系統(tǒng)一致性，翻轉(zhuǎn)角誤差需小于30′，蛇形畸變需小于30 μm，可消除隨機(jī)誤差的直接影響。

通過分析可知，針對(duì)具體應(yīng)用，光纖倒像器的固有誤差還需要根據(jù)用戶需求控制在合理范圍內(nèi)，有利于提高系統(tǒng)整體性能。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及檢測(cè)裝置

根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)了用于質(zhì)量控制的檢測(cè)裝置，其原理圖如圖4 所示。

圖4 檢查裝置原理圖Fig. 4 Schematic diagram of inspection device

該裝置用來篩選固有誤差不滿足上述要求的微光像增強(qiáng)器，提高瞄準(zhǔn)鏡批生產(chǎn)初裝合格率。主要由平行光管、CMOS、數(shù)碼前置鏡和顯示器、穩(wěn)壓電源等組成，如圖5 所示。

圖5 檢測(cè)裝置Fig. 5 Physical drawing of detection device

將待檢微光像增強(qiáng)器置于裝置中，蓋好遮光板，接通電源，此時(shí)顯示器上即可觀察到平行光管產(chǎn)生的測(cè)試十字分劃，該像經(jīng)微光像增強(qiáng)器成像，并通過數(shù)碼前置鏡放大后，與按照質(zhì)控要求設(shè)定的公差帶比對(duì)，目視觀察即可判定是否滿足需求。本裝置設(shè)置的翻轉(zhuǎn)角公差帶為±30′，蛇形畸變公差帶為30 μm，如圖6 所示。

圖6 裝置分劃示意圖Fig. 6 Schematic diagram of device division

為了驗(yàn)證該裝置能夠有效對(duì)固有誤差不滿足要求的微光像增強(qiáng)器進(jìn)行篩選或剔除。在裝配生產(chǎn)線上隨機(jī)選取50 只倒像式微光像增強(qiáng)器，通過該裝置檢查，其中有1 只的翻轉(zhuǎn)角誤差超出公差帶。將其裝入某瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，利用零位儀對(duì)其行程差進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明，瞄準(zhǔn)鏡的行程差超出指標(biāo)規(guī)定的0.75 密位范圍。將測(cè)試合格的49 只依次裝入瞄準(zhǔn)鏡系統(tǒng)，測(cè)試行程差后均滿足要求。

為了驗(yàn)證未經(jīng)篩選的像增強(qiáng)器固有誤差存在一定比例不符合用戶需求的現(xiàn)象，并對(duì)產(chǎn)品行程差指標(biāo)有直接影響。將批生產(chǎn)200 具產(chǎn)品中出現(xiàn)的3 具不合格品的微光像增強(qiáng)器拆卸后，用該裝置進(jìn)行測(cè)量，其中2 只翻轉(zhuǎn)角誤差超差，1 只蛇形畸變超差。

從上述驗(yàn)證可看出，倒像式微光像增強(qiáng)器的批生產(chǎn)中，存在其個(gè)別固有誤差相對(duì)較大的現(xiàn)象，本次研究數(shù)據(jù)顯示像翻轉(zhuǎn)角誤差超過30′的比例約為2%，蛇形畸變大于30 μm 的比例約為1%。該固有誤差對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)特定指標(biāo)存在一定的不利影響，設(shè)計(jì)的裝置也能對(duì)其誤差進(jìn)行質(zhì)量控制。

4 結(jié)論

本文通過分析倒像式微光像增強(qiáng)器固有誤差中翻轉(zhuǎn)角誤差和蛇形畸變對(duì)實(shí)際應(yīng)用的影響，通過驗(yàn)證表明，將翻轉(zhuǎn)角誤差控制在小于30′，蛇形畸變控制在小于30 μm 范圍內(nèi)，可以滿足系統(tǒng)在30 密位區(qū)間內(nèi)行程差不大于0.75 密位的要求；同時(shí)可以減小瞄準(zhǔn)系統(tǒng)在出廠前的標(biāo)定工作量。設(shè)計(jì)制造的檢測(cè)裝置可提高該類微光像增強(qiáng)器的交付質(zhì)量。