300～1 100 nm多波段成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計及雜光分析

郭幫輝,孫 強(qiáng),王 志,王 健,吳宏圣,劉殿雙

(1.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林,長春 130033;2.中國科學(xué)院研究生院,北京 100039)

1 引 言

在工業(yè)檢測和國防軍事應(yīng)用領(lǐng)域,為了對目標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確探測,除了要求得到目標(biāo)的可見光圖像之外,還需要得到目標(biāo)的近紫外和近紅外圖像[1～3]。如果將多套光學(xué)系統(tǒng)拼合在一起來實(shí)現(xiàn)多波段成像[4],系統(tǒng)體積大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,機(jī)動性能差,在戰(zhàn)場上容易被敵方發(fā)現(xiàn)。為了滿足對目標(biāo)多波段信息進(jìn)行探測的要求,本文設(shè)計了 300～1 100 nm多波段成像儀,該成像儀能對目標(biāo)的近紫外、可見光和近紅外 3個波段進(jìn)行成像,同時獲得目標(biāo)在 3個波段的光譜信息,能夠滿足目標(biāo)多波段成像和探測的要求。

為了減小系統(tǒng)體積,在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中,令 3個波段共用一個光學(xué)孔徑,然后利用膠合棱鏡進(jìn)行分光,采用面陣 CCD探測器進(jìn)行成像,從而減小了系統(tǒng)體積和復(fù)雜程度,能用于對系統(tǒng)體積、重量和機(jī)動性能要求嚴(yán)格的場合。不過由于系統(tǒng)中膠合棱鏡的分色膜和表面反射,該系統(tǒng)容易引入雜光,甚至?xí)谙衩嫔闲纬晒硐?從而降低系統(tǒng)成像質(zhì)量。為了減小雜光對系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響,本文建立了雜光分析模型,對系統(tǒng)進(jìn)行雜光分析,找到了雜光來源,并采取合適的措施降低了雜光的影響。

2 工作原理

本文設(shè)計并研制了一套 300～1 100 nm多波段光學(xué)系統(tǒng),其參數(shù)如表1所示。

表1 主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Ma in specifications

圖1 光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical system

光學(xué)系統(tǒng)原理如圖1所示。近紫外、可見光和近紅外波段共用同一透鏡組,然后采用膠合棱鏡進(jìn)行分光,在棱鏡的膠合面上鍍有分色膜,用于反射和透射不同波段的光束。入射光束經(jīng)過透鏡組之后,到達(dá)棱鏡第一膠合面時,近紫外波段被反射,聚焦到紫外探測器靶面,形成近紫外圖像;同時,波長 ＞380 nm的可見光和近紅外光被透射,到達(dá)棱鏡第二膠合面時,可見光被反射,聚焦到可見光探測器靶面,形成可見光圖像;波長 ＞760 nm的近紅外光被棱鏡第二膠合面透射,聚焦到近紅外探測器靶面,形成近紅外圖像。

3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

多波段光學(xué)系統(tǒng)的波長為 300～1 100 nm,適合于這個波段的透鏡材料比較少,常用的材料有CaF2和熔融石英,這給寬波段范圍的色差校正帶來一定困難。在進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計時,為了減小系統(tǒng)的色差,根據(jù)色差平衡方程組,選擇了色散小的 CaF2作為正透鏡,色散大的熔融石英作為負(fù)透鏡。由于 CaF2易潮解,故在透鏡表面鍍一層保護(hù)膜。

由于系統(tǒng)采用棱鏡進(jìn)行分光,從而增加了透鏡組后表面到像面之間的距離,因此,光學(xué)系統(tǒng)采用了反遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)形式,以滿足長的后工作距要求。

由于本系統(tǒng)可在 -40～+60℃使用,不僅溫度范圍寬,而且作用距離變化也大,要想獲得高的成像質(zhì)量,必須對系統(tǒng)像面進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于本系統(tǒng)中有 3個成像探測器,若移動探測器會增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜度,因此,采用移動一片透鏡的方法進(jìn)行溫度和距離調(diào)焦補(bǔ)償,使 3個波段在溫度和物距變化時都能清晰成像。

圖2為多波段系統(tǒng)光路圖,透鏡 1～6組成反遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)透鏡組,其中透鏡 1和 2組成前負(fù)透鏡組,透鏡 3～6組成后正透鏡組,光闌位于透鏡 4和 5之間。近紅外濾光片用于濾除波長＞1 100 nm的光束,以確保近紅外波段的準(zhǔn)確性。通過移動透鏡 2微量調(diào)節(jié)焦距,可以對溫度和物距變化時的像面位置進(jìn)行補(bǔ)償,透鏡 2移動量在±1.8 mm。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of optical system

圖3 光學(xué)系統(tǒng)的MTFFig.3 MTFs of optical system

圖3為系統(tǒng) 3個波段的傳遞函數(shù)曲線,在50 lp/mm時,近紫外波段的 MTF＞0.4,可見光波段的MTF＞0.46,近紅外波段的 MTF＞0.55,均能滿足清晰成像的要求。

4 光學(xué)系統(tǒng)雜光分析

雜光是指非正常傳輸?shù)焦鈱W(xué)系統(tǒng)像面的光,當(dāng)雜光在像面聚焦時,會形成鬼像,嚴(yán)重影響成像質(zhì)量[5,6]。雜光主要是由光學(xué)元件、機(jī)械鏡筒表面的反射和散射產(chǎn)生[7]。在多波段系統(tǒng)中,主要考慮膠合棱鏡表面反射和鏡筒內(nèi)壁反射產(chǎn)生的雜光。

4.1 棱鏡上下表面的反射

當(dāng)棱鏡表面沒有鍍增透膜時,根據(jù)菲涅爾公式可以近似計算棱鏡表面的反射率:

式中,n為材料折射率,棱鏡材料為熔融石英,n=1.458,計算得到R=3.5%。

棱鏡的長度為 36 mm,一定角度的入射光線經(jīng)過前面 6片透鏡,可能到達(dá)棱鏡的上下表面,發(fā)生一次反射,進(jìn)入探測器靶面范圍,形成雜光。由于棱鏡表面的反射率高達(dá) 3.5%,形成的雜光強(qiáng)度很大,嚴(yán)重影響像質(zhì)。

圖4是利用 LightTools軟件建立的棱鏡內(nèi)表面反射的光線追跡模型。在模型中,考慮了鏡筒內(nèi)表面的反射,棱鏡上下表面的反射,以及棱鏡膠合面分色膜曲線的反射和透射特性。此系統(tǒng)的視場角為 ±3.5°,圖4中,光束以視場之外的 15°入射角進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng),經(jīng)過透鏡 1和透鏡 2,一部分光線被透鏡 2和透鏡 3之間的鏡筒 1反射,此部分反射光線到達(dá)棱鏡下表面,反射形成光束b1和c1,在可見光和近紅外靶面之外,不會影響成像質(zhì)量;另一部分光線透過前 6片透鏡,到達(dá)棱鏡上表面被反射,形成光束A、B和C分別聚焦到 3個探測器靶面范圍內(nèi),形成鬼像。

圖4 棱鏡內(nèi)表面反射的光線追跡圖Fig.4 Ray trace of light reflected from inner surface of pris m

利用此模型進(jìn)行光線追跡,發(fā)現(xiàn) 11.7～18.3°和 -11.7～ -18.3°的入射光線,透過前 6片透鏡后,被棱鏡上下表面反射,雜光在 3個探測器靶面范圍內(nèi)聚焦形成鬼像。

4.2 鏡筒內(nèi)表面的反射

通常光學(xué)系統(tǒng)的鏡筒內(nèi)表面要加工消光螺紋,并進(jìn)行發(fā)黑處理,以降低鏡筒內(nèi)表面的反射系數(shù)。但是采取這些處理方式也不能保證到達(dá)鏡筒內(nèi)壁的光線能被完全吸收。

圖5是鏡筒內(nèi)表面反射的光線追跡圖。光束以 7.5°入射到達(dá)鏡筒 1,被鏡筒 1反射后,到達(dá)棱鏡下表面,再被棱鏡下表面反射形成雜光束Y和Z,進(jìn)入可見光和近紅外探測器靶面范圍內(nèi),光束Y和Z在靶面上未聚焦,因此不會形成鬼像,但是形成的雜光會降低成像清晰度。

圖5 鏡筒內(nèi)表面反射的光線追跡圖Fig.5 Ray trace of light reflected from inner surface of barrel

利用此模型進(jìn)行光線追跡,發(fā)現(xiàn) 6.2～9.8°和 -6.2～-9.8°的入射光線被鏡筒 1反射,然后被棱鏡上下表面反射,在 3個探測器上形成雜光。從此模型可以看出入射光線容易在鏡筒 1反射形成雜光,而不會在鏡筒 2反射。主要是因?yàn)殓R筒1的長度為 26 mm,而鏡筒 2的長度為 8 mm,鏡筒長度越長,入射光線越容易在內(nèi)表面反射到達(dá)靶面范圍內(nèi)形成雜光。

4.3 減少雜光的措施

通過以上分析,針對雜光產(chǎn)生的途徑,提出以下減少雜光的措施:

(1)在棱鏡上下表面和左右表面鍍增透膜,使透過率達(dá) 99%以上。從以上光線追跡分析可以看出,雜光及鬼像都是經(jīng)過棱鏡上下表面的一次反射形成的,在上下表面鍍 99%透過率的增透膜之后,棱鏡表面反射率低于 1%,能大大減小雜光和鬼像的能量。在棱鏡入射和出射的左右表面鍍增透膜,能減少左右表面的反射引入的雜光。

(2)在鏡筒內(nèi)表面加工消光螺紋,并且進(jìn)行發(fā)黑處理,同時涂消光漆,處理之后,鏡筒內(nèi)壁的反射率大大降低,減少了鏡筒內(nèi)壁反射引入的雜光。如果可能的話,光學(xué)設(shè)計時應(yīng)盡量縮短鏡片之間的距離,使鏡筒盡量短,這樣由鏡筒一次反射到達(dá)像面的雜光就會減少。

(3)在鏡頭前加遮光罩。通過以上雜光分析,已經(jīng)得到雜光和鬼像的入射角范圍,在鏡頭前加遮光罩,可以擋住視場之外的光線,使其不能直接進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng),從而大大減小系統(tǒng)的雜光。在遮光罩內(nèi)表面加工消光螺紋,進(jìn)行發(fā)黑處理,減小由于遮光罩內(nèi)表面反射進(jìn)入系統(tǒng)的光線能量。

為盡最大可能減少系統(tǒng)雜光,最好在光學(xué)系統(tǒng)中同時采取以上 3種措施。

5 實(shí)驗(yàn)分析

本部分對以上雜光和鬼像分析進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,并采用了以上提到的消雜光方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖6是未采取消雜光措施采集的近紅外波段圖像,目標(biāo)是建筑物的墻壁和窗戶,從圖中很容易看到窗戶產(chǎn)生的鬼像。與周圍景物對比,找到鬼像對應(yīng)的目標(biāo),利用測角儀測量,發(fā)現(xiàn)左上角的窗戶白色框架鬼像對應(yīng)的目標(biāo)位于光學(xué)系統(tǒng)軸外 17.2°附近,與 3.1節(jié)中的鬼像分析相吻合。同時,可以看出,圖像比較模糊,對比度不高,說明系統(tǒng)除了鬼像之外,還有其他類型的雜光到達(dá)像面。

圖6 有雜光及鬼像的近紅外圖像Fig.6 Near infrared image with stray light and ghost image

圖7是采取了上文提出的消雜光 3個措施之后,采集的近紅外波段圖像,目標(biāo)與圖6一致。與圖6相比,圖7不僅沒有鬼像,而且像面更加清晰,說明采取消雜光措施之后,雜光的影響得到遏制,在很大程度上提高了成像質(zhì)量。

圖7 采取消雜光措施之后的近紅外圖像Fig.7 Near infrared image without stray light and ghost image

6 結(jié) 論

本文設(shè)計了 300～1 100 nm多波段 (包含近紫外波段、可見光波段和近紅外波段)光學(xué)系統(tǒng),該系統(tǒng)共用同一透鏡組,使用膠合棱鏡進(jìn)行分光。利用LightTools軟件對此多波段系統(tǒng)的鏡筒反射和棱鏡表面反射產(chǎn)生的雜光和鬼像進(jìn)行模擬分析,并通過實(shí)驗(yàn)對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,雜光和鬼像使成像質(zhì)量大大降低,證明了以上模擬分析的正確性,以及提出的消雜光措施是切實(shí)可行的。本文的工作對于使用棱鏡作為分光元件的多波段系統(tǒng)的設(shè)計和研制具有重要的意義。

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