中波紅外連續(xù)變焦系統(tǒng)設(shè)計

楊為錦,孫 強

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,吉林長春 130033; 2.中國科學院研究生院,北京 100049)

1 引 言

紅外成像技術(shù)是目前各軍兵種都非常需要的新型高科技技術(shù)。紅外探測系統(tǒng)具有環(huán)境適應(yīng)性好、隱蔽性好、抗干擾能力強以及能在一定程度上識別偽裝目標,且設(shè)備體積小、重量輕、功耗低等特點,在軍事上被廣泛應(yīng)用于紅外夜視、紅外偵察以及紅外制導(dǎo)等。一般紅外變焦成像系統(tǒng)分為連續(xù)變焦和定檔變焦兩種,定檔變焦又多以兩檔、三檔變焦為主。連續(xù)變焦的紅外光學系統(tǒng)用于機載光電偵察系統(tǒng),既能為飛行員在巡航和搜索時提供最好的態(tài)勢了解,又能在發(fā)現(xiàn)目標時,調(diào)到小視場瞄準跟蹤。在視場轉(zhuǎn)換過程中能夠保持圖像的連續(xù)性,對搜索和跟蹤高速運動目標是非常有利的,該系統(tǒng)解決了兩檔與多檔鏡頭在視場切換的時間間隔內(nèi)對快速運動的目標丟失這一缺陷,因此,廣泛應(yīng)用于的機載光電偵察設(shè)備中。

本文基于中波紅外 320×240制冷型探測器,設(shè)計了一套高變倍比中波紅外連續(xù)變焦光學系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實現(xiàn) 11～200 mm變焦,變倍比為 18×,F#為 3,工作波段為 3～5μm,滿足 100%冷光闌效率,在空間頻率 16 lp/mm處的 MTF值＞0.6。系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊,易于裝調(diào),靈敏度高,質(zhì)量輕等優(yōu)點。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 光學技術(shù)指標

系統(tǒng)采用 320×240凝視焦平面陣列探測器,探測器的性能指標為:光譜響應(yīng)范圍 3.7～4.8μm,像元尺寸 30μm ×30μm,探測靈敏度峰值 ＞1.5×1011W-1Hz1/2cm,工作溫度 110～130 K,像面對角線尺寸 12 mm,質(zhì)量 600 g。

光學系統(tǒng)的設(shè)計指標為:工作波段 3～5μm;焦距 11～200 mm;F#為 3;像面 ＜12 mm;系統(tǒng)總光學效率≥70%;光學系統(tǒng)的冷屏效率 100%;外型尺寸 ＜320 mm×200 mm×180 mm(W×H×L)。

2.2 系統(tǒng)分析

2.2.1 系統(tǒng)整體分析

由于長焦距系統(tǒng)視場窄,入瞳大,本文采用二次成像光學系統(tǒng)來實現(xiàn)系統(tǒng)前端光學零件較小口徑的目的 (滿足工藝要求),盡管增加了透鏡的個數(shù),但為像差校正提供了更大的空間,因此,可將系統(tǒng)分為變焦組份和二次成像組份。變焦組份由前固定組、變倍組、補償組、后固定組組成,可將它們對系統(tǒng)的光焦度的貢獻設(shè)計為正、負 、負、正[1]。為了減小器件和鏡筒內(nèi)熱輻射的影響,要求冷光闌效率達到 100%,也就是將探測器的冷光闌作為系統(tǒng)孔徑光闌。通過兩個反射鏡使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊,滿足最后尺寸小于 320 mm×200 mm×180 mm的要求。系統(tǒng)采用直流伺服電機驅(qū)動來實現(xiàn)連續(xù)變焦,而且隨著加工工藝的不斷提高,系統(tǒng)設(shè)計需要盡可能少的鏡片以提高透過率,因此,系統(tǒng)引入了非球面。

2.2.2 二次成像系統(tǒng)和光瞳銜接

二次成像系統(tǒng)主要用于解決長焦距 (窄視場)入瞳太大的問題。二次成像中的光瞳銜接[2],即前面變焦部分的出瞳和二次成像系統(tǒng)的入瞳銜接,才能保證系統(tǒng)冷光闌的效率。本文的銜接方法如下,其主光線光路如圖1所示。圖中的L1、L2、L3、L4分別為出瞳到第一像面、第一像面到二次成像透鏡、二次成像系統(tǒng)到冷光闌、冷光闌到探測器的距離;h1、h2、h3、h4、h5分別為出瞳半口徑、第一像面大小的一半、主光線在二次成像系統(tǒng)的高度、冷光闌的半口徑、探測器像面大小的一半;a1、a2分別為光線在二次成像系統(tǒng)前后與水平線的夾解 ,其中L4、h4、h5、a1、a2為已知量。

圖1 主光線圖Fig.1 Schematic drawing of chief ray

由牛頓公式可得:

其中,f為二次成像的焦距,M為二次成像的放大率。

由圖 (1)中的三角關(guān)系可知:

聯(lián)合方程 (1)～(9),解得:

于是 ,由式 (1)、式 (2)分別可以求得f、L2。

由冷光闌的半口徑,可求得上述系統(tǒng)的出瞳(后面系統(tǒng)的入瞳)大小。求解過程得出結(jié)論如下:

1)出瞳到探測器的距離 (L1+L2+L3)隨著a1角度的變小而變短。

2)隨著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的倍率M增大,出瞳到探測器的距離變短,符合系統(tǒng)緊湊的原則,但是整個系統(tǒng)的F數(shù)也隨之增加,系統(tǒng)的靈敏度降低,因此二次成像系統(tǒng)多采用M=1。

3 設(shè)計結(jié)果

系統(tǒng)由變焦部分和二次成像系統(tǒng)組成。變焦部分由前面的 4個鏡片組成,分為前固定組、變倍組、補償組、后固定組。系統(tǒng)的第 1片為前固定組,引入一個非球面用于校正球差、彗差,和一個衍射面用于校正初級色差和色球差;第 2、3片為變倍組,采用高折射率鍺材料,以及低色散的硅材料來校正軸向色差、彗差、軸外像差;第 4、5片為后固定組;第 6、7片為二次成像系統(tǒng),引入了 2個非球面。系統(tǒng)光路追跡圖如圖2所示,分別為長焦、中焦、短焦。

圖2 光學系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic drawing of zoom optical system

3.1 像質(zhì)評價

3.1.1 傳遞函數(shù)

傳遞函數(shù)是光學系統(tǒng)的主要評價手段之一。該系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如圖3所示,(a)、(b)、(c)分別為長焦、中焦、短焦的曲線圖。從圖中可以看出,16 lp/mm空間頻率下 MTF＞0.6。說明該系統(tǒng)有較高的像質(zhì),即可以有一定的加工、裝配裕度。由于窄視場只是用于對環(huán)境態(tài)勢的了解,相對于正畸變,負畸變更有利于視場增大。本系統(tǒng)寬視場的畸變?yōu)?-4.94%,滿足紅外系統(tǒng)大視場的畸變 ＜±5%。

圖3 系統(tǒng)的傳遞函數(shù)曲線Fig.3 MTF curves of system

3.2 能量分布

能量的分布直接反映了能量的聚集狀況[3],本系統(tǒng)長焦、中短、短焦的 80%能量都分布在一個像元內(nèi)。能量分布曲線如圖4中 (a)、(b)、(c)所示。

4 冷反射現(xiàn)象及分析

圖4 能量分布Fig.4 Curves of energy distribution for system

冷反射現(xiàn)象是熱成像系統(tǒng)所特有的一種圖像異態(tài),在紅外熱成像系統(tǒng)中是指被制冷的探測器從透鏡組光學表面的反射中看到自己,探測器自身作為反射像而成像的現(xiàn)象[4,5]。這種現(xiàn)象一旦產(chǎn)生,影像中心在呈現(xiàn)被攝物體像的同時還呈現(xiàn)探測器的影像,通常表現(xiàn)為在圖像中心有一個黑點。凝視型光學系統(tǒng)中,冷反射值的大小并不代表實際光學系統(tǒng)中冷像就顯現(xiàn)出來,可以通過電路的非均勻校正來消除冷像。凝視型光學系統(tǒng)冷像顯現(xiàn)的可能條件是振動和視場切換,因為非均勻校正只是針對系統(tǒng)某一狀態(tài)進行的,校正完成以后,如果因為振動 (或視場切換)等原因引起了系統(tǒng)布局的變化,就會導(dǎo)致某一光學表面在變化前后對系統(tǒng)的冷反射的貢獻的差值過大,超過系統(tǒng)的最小分辨溫度差 (MRTD),系統(tǒng)的冷像就會顯現(xiàn)出來。因此,對于變焦系統(tǒng) (透鏡軸向移動,視場變化),必須進行系統(tǒng)的冷反射分析。通常引入兩個特征量YN I和I/IBAR來反映冷反射的強弱,其中Y是邊緣光線在該面的投射高,N是折射率,I是邊緣光線的入射角度,IBAR是主光線的入射角度。實驗表明,如某面的YN I值很小,但I/IBAR值 ＞1,那么該面的冷象影響就很小,反之亦然。在變焦系統(tǒng)設(shè)計中,在選擇結(jié)構(gòu)和優(yōu)化過程中應(yīng)該考慮I/IBAR、YN I,確保各面的I/IBAR,YN I越大越好[6]。因此將YN I或I/IBAR絕對值＞1的基本要求作為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇和優(yōu)化的一個約束條件來對變焦系統(tǒng)的各重結(jié)構(gòu)的各個面的冷反射強度進行分析和控制。通過冷反射分析,得知系統(tǒng)在短焦距時冷反射最為強烈,分析結(jié)果如表1所示。

表1 冷反射分析Tab.1 Analysis of cold reflection

由表1可知,根據(jù)兩個特征向量判斷第 3、7、8、9、10、14面的冷反射可能會使系統(tǒng)冷反射的強度較大 ,其中 ,第 3、7、8、14面的I/IBAR＞1,說明冷反射噪聲幾乎不隨視場的變化而變化,可以把它疊加在冷電平上濾除掉。對與I/IBAR＞1的面采用反向追跡光線的方法,將整個系統(tǒng)倒過來,用探測器作為冷光源,追跡從它發(fā)出的反向光線。圖5的 (a)和 (b)分別是第 9、10兩個面的冷反射光線追跡示意圖。

圖5 冷反射光路追跡圖Fig.5 Schematic of cold reflection ray-tracing

由圖5可知,第 9面追跡后,光線受到平面的反射沒有聚集到探測器上。第 10面追跡后,近軸光線聚集到探測器前面 12 mm處,因此,不會帶來嚴重的冷反射效應(yīng)。

5 結(jié) 論

本文基于 320×240凝視焦平面陣列探測器,設(shè)計了一套中波紅外連續(xù)變焦光學系統(tǒng),并介紹了光瞳銜接問題的解決方法。該系統(tǒng)具有像質(zhì)好、變倍比大、分辨率高、熱靈敏度高的特點。分析了系統(tǒng)可能的冷反射強度,利用反射鏡的折疊光路實現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕,滿足技術(shù)指標的要求。該系統(tǒng)可用于導(dǎo)航、搜索、跟蹤、警戒、偵查等方面。

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