一種制冷型紅外近景成像系統(tǒng)的無調(diào)焦設(shè)計(jì)

彭晴晴，楊加強(qiáng)，張興德，李榮剛，劉 琳，孫昌峰

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十一研究所，北京100015)

1 引言

隨著紅外探測(cè)技術(shù)的成熟，制冷型熱像儀在越來越多的領(lǐng)域中得到應(yīng)用。在成像應(yīng)用中，以往更多的是用于遠(yuǎn)距離探測(cè)和識(shí)別，而隨著熱像儀的普及使用，對(duì)熱像儀也提出了更多的用途需求，比如近景探測(cè)等。

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)一般假設(shè)物距為無窮遠(yuǎn)，物距減小時(shí)通過調(diào)焦機(jī)構(gòu)使得像面與探測(cè)器平面重合。在近景成像中，物距減小導(dǎo)致景深減小，景深過小時(shí)不能保證近景和遠(yuǎn)景同時(shí)清晰成像。為了看清不同距離的物體，需要進(jìn)行調(diào)焦。同時(shí)，溫度變化也會(huì)導(dǎo)致像面漂移和成像質(zhì)量下降，一般系統(tǒng)也是通過調(diào)焦機(jī)構(gòu)進(jìn)行補(bǔ)償［1－2］。

然而，近景探測(cè)熱像儀在探測(cè)時(shí)無法預(yù)知所關(guān)注的事物將出現(xiàn)在距離鏡頭多遠(yuǎn)的位置，只能將焦點(diǎn)設(shè)置在某一固定位置處，如果其景深不能覆蓋探測(cè)范圍內(nèi)的所有位置，一旦目標(biāo)物偏離較遠(yuǎn)，不調(diào)焦就無法對(duì)所關(guān)注的事物清晰成像［3］。

在采用制冷型探測(cè)器的紅外系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，冷反射是衡量設(shè)計(jì)好壞的重要指標(biāo)［4－6］。在一般的凝視陣列紅外系統(tǒng)中，冷反射可通過非均勻校正來補(bǔ)償。但是，一般非均勻校正只對(duì)應(yīng)凝視紅外系統(tǒng)某一特定狀態(tài)時(shí)的補(bǔ)償，在移動(dòng)鏡片變焦、光學(xué)鏡筒環(huán)境溫度改變時(shí)，冷反射在補(bǔ)償狀態(tài)的偏離就會(huì)導(dǎo)致像面出現(xiàn)陰影或其他成像缺陷。當(dāng)物距較遠(yuǎn)時(shí)，景深較大，調(diào)焦量較小，對(duì)冷反射的影響可以忽略。而在近景成像中，物距較小，因此景深較小導(dǎo)致調(diào)焦量相對(duì)比較大，就很有可能會(huì)使冷反射偏離補(bǔ)償狀態(tài)而使成像出現(xiàn)異常。如果在制冷型近景紅外系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)的景深覆蓋其成像范圍，實(shí)現(xiàn)無調(diào)焦設(shè)計(jì)，就可以避免這個(gè)問題。

為實(shí)現(xiàn)無調(diào)焦設(shè)計(jì)，需要在近景成像中同時(shí)避免物距變化和溫度變化引入的調(diào)焦需求。系統(tǒng)需要較大的景深以消除物距變化導(dǎo)致的離焦，而物距越近景深越小，因此需要通過精確計(jì)算和合理權(quán)衡來選取設(shè)計(jì)參數(shù)。其次要補(bǔ)償溫度變化導(dǎo)致的離焦，需要進(jìn)行無熱化設(shè)計(jì)。本文針對(duì)320×240凝視中波制冷型探測(cè)器，設(shè)計(jì)一款適用于1～10 m之間近景成像的制冷型無熱化紅外光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在其成像距離范圍和溫度范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)無調(diào)焦工作。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 近景成像景深分析

景深是指在像平面成像清晰的前提下，允許的物空間深度。如果在物方有一待成像的標(biāo)稱物面，那么在該物面的前后有一個(gè)允許的深度，在該深度內(nèi)的目標(biāo)在標(biāo)準(zhǔn)像面上所成的像仍是清晰的［5］。由景深和焦深的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以計(jì)算出景深公式:

其中，δ為彌散圓直徑;f為鏡頭焦距;F為相對(duì)孔徑;L為對(duì)焦距離(基準(zhǔn)物距)。

光學(xué)系統(tǒng)的景深與四個(gè)參數(shù)有關(guān):焦距、相對(duì)孔徑即F/#、基準(zhǔn)物距以及像面允許的彌散斑大小。焦距越小，其景深范圍越大;基準(zhǔn)物距越遠(yuǎn)，景深越大;F/#越大，則景深越大;允許的彌散斑越大，景深越大。然而減小焦距會(huì)使系統(tǒng)的分辨率下降;增大F數(shù)便減小了相對(duì)孔徑，使像面上獲取的能量減小，從而降低了靈敏度;成像距離受控于實(shí)際的應(yīng)用需求;允許的彌散斑越小成像越清晰。因此，這些參數(shù)的選擇與景深的選擇是相互制約和權(quán)衡的。

一般來說，對(duì)于成像距離在幾十米、幾公里到無窮遠(yuǎn)的系統(tǒng)，其景深比較寬，可以在視野內(nèi)獲得清晰的成像。在本文中涉及的應(yīng)用需求是近景成像，而物距較小時(shí)，其景深范圍也較小。為了在1～10 m內(nèi)能夠不需要調(diào)焦就清晰成像，需要精確計(jì)算和選擇設(shè)計(jì)參數(shù)以確保景深可以覆蓋成像距離范圍。通過計(jì)算分析，最終選擇焦距為20 mm、相對(duì)孔徑為F/4的系統(tǒng)，基準(zhǔn)物平面選擇為物距2 m處。

在景深的計(jì)算中有一個(gè)重要參數(shù)，即衡量像清晰程度的彌散斑大?。?］。如何選取合適的彌散斑直徑進(jìn)行分析直接影響景深的計(jì)算結(jié)果和系統(tǒng)的參數(shù)選擇。在本文中像面所允許的彌散斑的直徑大小，取決于艾里斑和所采用的探測(cè)器像元的大小，選取艾里斑和探測(cè)器像元中較大的值作為評(píng)價(jià)景深采用的彌散斑是比較合理的。

2.2 無熱化設(shè)計(jì)

為了減小溫度變化引起的光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量變差，需要采用無熱化設(shè)計(jì)方法。無熱化設(shè)計(jì)方法主要有:機(jī)械被動(dòng)補(bǔ)償、機(jī)械主動(dòng)補(bǔ)償和光學(xué)被動(dòng)補(bǔ)償三種。

機(jī)械被動(dòng)式無熱化方法使用多種不同膨脹率材料或記憶合金來消除熱效應(yīng)，效果好，但在有些系統(tǒng)很難找到合適的高膨脹鏡筒材料，且系統(tǒng)笨重。機(jī)械主動(dòng)式補(bǔ)償利用熱傳感器、反饋電路、電機(jī)和預(yù)先存儲(chǔ)的溫度位移對(duì)應(yīng)進(jìn)行精度控制，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大、可靠性低。光學(xué)被動(dòng)式無熱化方法是通過合理選擇搭配玻璃材料，并合理分配每個(gè)鏡子的光焦度，使整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)像面位置隨溫度的變化量與鏡筒隨溫度的變化量保持一致。這種方法不需要引起額外的裝置，只需在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，通過光學(xué)材料的匹配就可實(shí)現(xiàn)消除熱效應(yīng)。

為實(shí)現(xiàn)無調(diào)焦設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)選擇光學(xué)被動(dòng)補(bǔ)償?shù)臒o熱化設(shè)計(jì)方法。穩(wěn)定的無熱化紅外光學(xué)系統(tǒng)必須同時(shí)滿足光焦度、消色差和消熱差的要求。即滿足以下方程:

光焦度方程:

其中，φ為光焦度。

消熱差方程:

即:

消色差方程:

其中，γ是材料的熱光常數(shù);υ是阿貝數(shù)。

光學(xué)被動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)要求利用材料熱特性之間的差異，通過合理選擇透鏡材料、分配光焦度，使光學(xué)系統(tǒng)因溫度產(chǎn)生的離焦同機(jī)械結(jié)構(gòu)的離焦相補(bǔ)償，從而使整個(gè)系統(tǒng)不產(chǎn)生離焦，可在不同的環(huán)境溫度下保持成像清晰。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，采用了Si、Ge、ZnSe三種材料匹配以實(shí)現(xiàn)無熱化設(shè)計(jì)。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)應(yīng)用需求，系統(tǒng)采用中波320×240制冷型紅外探測(cè)器，像元尺寸 30 μm，工作波段 3.7～4.8 μm，工作溫度范圍:－40～55℃。本文通過選擇合適的參數(shù)使景深覆蓋近景成像的物距范圍，并通過高低溫仿真分析和無熱化設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)在景深范圍和溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無調(diào)焦設(shè)計(jì)。

3.1 優(yōu)化基準(zhǔn)物距

在前面的景深分析中，選擇焦距20 mm，F(xiàn)/4的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)?；鶞?zhǔn)物平面不同，其景深范圍也不相同，具體計(jì)算結(jié)果如圖1所示。當(dāng)基準(zhǔn)物距為2 m時(shí)，該系統(tǒng)的前景深和后景深恰可以覆蓋1～10 m的成像范圍。

圖1 景深與基準(zhǔn)物距的分析

3.2 設(shè)計(jì)結(jié)果

本系統(tǒng)采用了Si、Ge和ZnSe材料以同時(shí)消色差和熱差。采用3片結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱分析和無熱化設(shè)計(jì)，最終設(shè)計(jì)結(jié)果如圖2所示。系統(tǒng)焦距為20 mm，總長(zhǎng)度不超過35 mm，由3片球面透鏡組成。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)物平面為鏡頭前2 m處。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)二維光路圖

溫度環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)的元件曲率、厚度、間隔、折射率等也會(huì)發(fā)生變化產(chǎn)生離焦，使成像質(zhì)量下降。本文通過高低溫?zé)岱治龊蛢?yōu)化設(shè)計(jì)，采用光學(xué)補(bǔ)償方式，使系統(tǒng)在工作溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無調(diào)焦的清晰成像。當(dāng)物距位于基準(zhǔn)物平面2 m時(shí)，系統(tǒng)在20℃、－40℃以及55℃時(shí)的光學(xué)傳遞函數(shù)如圖3所示。由圖可知，該定焦近景成像系統(tǒng)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)平面2 m時(shí)，處于－40～55℃溫度范圍內(nèi)，系統(tǒng)不需要調(diào)焦就可以實(shí)現(xiàn)MTF值都在0.4以上。實(shí)現(xiàn)了在基準(zhǔn)物平面的無熱化設(shè)計(jì)。

圖3 物距2 m溫度為20℃、－40℃、55℃時(shí)的MTF曲線

無調(diào)焦近景成像要求系統(tǒng)在整個(gè)成像物距范圍內(nèi)不需要調(diào)焦就能夠?qū)崿F(xiàn)清晰成像，而且要保證在物距為1～10 m的景深范圍同時(shí)在整個(gè)溫度范圍－40～55℃內(nèi)都可以無調(diào)焦清晰成像。圖4是物距為1 m時(shí)系統(tǒng)在20℃、－40℃以及55℃的MTF，均在0.4以上，在無調(diào)焦的情況下，滿足景深近點(diǎn)在溫度范圍內(nèi)的無熱化清晰成像要求。

圖5是物距為10m時(shí)系統(tǒng)在20℃、－40℃及55℃的MTF，均在0.4以上，在無調(diào)焦的情況下，滿足景深遠(yuǎn)點(diǎn)在溫度范圍內(nèi)的無熱化清晰成像要求。

4 結(jié)論

在采用制冷型探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)中，調(diào)焦量較大時(shí)，可能會(huì)使其冷反射偏離非均勻校正的補(bǔ)償狀態(tài)從而在像面上出現(xiàn)陰影或其他缺陷，因此在滿足系統(tǒng)指標(biāo)的情況下定焦系統(tǒng)應(yīng)盡量提高其景深，并采用無熱化設(shè)計(jì)消除溫度影響，減小調(diào)焦量或者實(shí)現(xiàn)無調(diào)焦。

本文在詳細(xì)的景深分析和計(jì)算下，選取合適的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和溫度補(bǔ)償，采用中波制冷型320×256探測(cè)器，焦距20 mm，F(xiàn)/4，在成像距離1～10 m以及工作溫度范圍－40～55℃內(nèi)，不需要調(diào)焦就可以實(shí)現(xiàn)在各個(gè)距離各個(gè)溫度的清晰成像。且僅采用3片透鏡，方便加工和裝調(diào)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)，提升了系統(tǒng)的可靠性。

圖4 物距2 m溫度為20℃、－40℃、55℃時(shí)的MTF曲線

圖5 物距10 m溫度為20℃、－40℃、55℃時(shí)的MTF曲線

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