大相對(duì)孔徑中波紅外變焦系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)

付 薇，潘國(guó)慶，尹 娜，孫金霞

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng)471009）

引言

在紅外探測(cè)領(lǐng)域，大相對(duì)孔徑光學(xué)系統(tǒng)在應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。在同等焦距下增大通光口徑，可有效提高系統(tǒng)探測(cè)距離；而在同等口徑下，大相對(duì)孔徑系統(tǒng)具有更長(zhǎng)的焦距，可提高系統(tǒng)分辨能力。此外，根據(jù)紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)近年來(lái)的應(yīng)用需求，為解決系統(tǒng)體積、質(zhì)量方面的限制，小型、輕量化設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的發(fā)展方向。因此，針對(duì)采用較小F數(shù)的制冷探測(cè)器，設(shè)計(jì)一種輕小型、大相對(duì)孔徑的光學(xué)系統(tǒng)，在紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)⒕哂休^高的應(yīng)用價(jià)值。

在紅外變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用光學(xué)補(bǔ)償方式的變焦系統(tǒng)較之機(jī)械補(bǔ)償方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此更易實(shí)現(xiàn)小型、輕量化的目的。根據(jù)Arthur Cox等人在美國(guó)專利7092150B1中的報(bào)道，設(shè)計(jì)了F數(shù)為4的光學(xué)補(bǔ)償中波紅外變焦系統(tǒng)，變倍比為4×，焦距變化范圍為50mm～200mm，使用了12片透鏡［1］。文獻(xiàn)［3］中設(shè)計(jì)了F數(shù)為2的光學(xué)補(bǔ)償變焦系統(tǒng)，變倍比為5×，采用了10片透鏡。通過(guò)這些文獻(xiàn)可知，由于光學(xué)補(bǔ)償變焦方式相對(duì)于機(jī)械補(bǔ)償方式而言，像差補(bǔ)償自由度較少，需采用較多的鏡片數(shù)量才能完成像差校正。而對(duì)采用較小F數(shù)制冷探測(cè)器的系統(tǒng)而言，大相對(duì)孔徑本身帶來(lái)的像差校正難度就很大，因此采用光學(xué)補(bǔ)償方式設(shè)計(jì)大相對(duì)孔徑制冷型變焦系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)小型、輕量化設(shè)計(jì)將是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。

1 設(shè)計(jì)原理及參數(shù)

1.1 設(shè)計(jì)原理

本文設(shè)計(jì)要求采用F數(shù)為1.8的制冷型中波紅外焦平面探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)100%冷光闌匹配，整機(jī)長(zhǎng)度小于220mm，在滿足其他指標(biāo)的前提下質(zhì)量盡可能小，其他設(shè)計(jì)要求見(jiàn)表1所示。

表1 光學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)Table 1 Parameters of optical design

首先選擇確定系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)。由于采用制冷型探測(cè)器，為壓縮系統(tǒng)前端口徑，采用二次成像光路，變焦組件位于一次成像光路中。

其次，結(jié)合應(yīng)用需求確定變焦方式。根據(jù)設(shè)計(jì)原理，變焦系統(tǒng)分為機(jī)械補(bǔ)償和光學(xué)補(bǔ)償兩種方式。機(jī)械補(bǔ)償式系統(tǒng)，變焦組和補(bǔ)償組的相對(duì)位置為非線性變化，鏡筒需采用變焦凸輪驅(qū)動(dòng)，對(duì)機(jī)械、電控精度要求較高；而光學(xué)補(bǔ)償式系統(tǒng)中變焦組和補(bǔ)償組沿光軸等速同向運(yùn)動(dòng)，只需一組運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，因此簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)，可有效減輕系統(tǒng)體積質(zhì)量。

為實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)，本文采用光學(xué)補(bǔ)償變焦方式，原理簡(jiǎn)圖如圖1所示。系統(tǒng)從前至后依次為前固定組、移動(dòng)組、中間固定組和后固定組。其中移動(dòng)組由兩片固連在一起的透鏡組成，分別位于中間固定組的前后，沿光軸等速同向運(yùn)動(dòng)，達(dá)到變倍與補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

圖1 光學(xué)補(bǔ)償變焦系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle of optically compensated zoom lenses

系統(tǒng)光闌設(shè)置在探測(cè)器冷屏處，在變焦過(guò)程中保持系統(tǒng)的相對(duì)孔徑不變，實(shí)現(xiàn)100%冷光闌匹配。

根據(jù)光學(xué)補(bǔ)償變焦系統(tǒng)像差理論進(jìn)行系統(tǒng)光焦度分配：

式中：m為變倍比；Φmax為系統(tǒng)最大光焦度為歸一化光焦度；Zmax為系統(tǒng)允許的最大移動(dòng)量為歸一化間隔。根據(jù)近軸光線追跡公式，計(jì)算出大視場(chǎng)初始光焦度及間隔。

根據(jù)光學(xué)補(bǔ)償變焦理論，像差完全補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)等于可變空氣間隔的數(shù)目，故本系統(tǒng)像差完全補(bǔ)償點(diǎn)數(shù)為4個(gè)，為四視場(chǎng)連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果在CODE V軟件中建立光學(xué)系統(tǒng)模型，并對(duì)像差進(jìn)行優(yōu)化。在設(shè)計(jì)中，對(duì)固定鏡組和變倍組的像差系數(shù)進(jìn)行合理分配，確保在第2和第4透鏡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中一次像像面位置穩(wěn)定，使得全系統(tǒng)像差得到較好的均衡和校正。

此外對(duì)透鏡材料進(jìn)行合理搭配，紅外中波材料不如可見(jiàn)光波段豐富，對(duì)幾種常見(jiàn)的中波紅外材料如硅、鍺和硒化鋅進(jìn)行組合，通過(guò)不同折射率和色散系數(shù)的平衡，在一定程度上降低色差。

由于大相對(duì)口徑系統(tǒng)軸外像差較大，而光學(xué)補(bǔ)償方式像差補(bǔ)償自由度小，對(duì)像差校正造成較大難度。引入非球面和衍射面，明顯降低了系統(tǒng)球差及色差，且減少了鏡片數(shù)量。相對(duì)于文獻(xiàn)［3］，本文變焦組和補(bǔ)償組均簡(jiǎn)化為單透鏡，使得系統(tǒng)鏡片總數(shù)由10片減少至8片。變焦組和補(bǔ)償組鏡片采用非球面和衍射面復(fù)合設(shè)計(jì)，可一次加工成型，非球面最高次為6次，衍射面最小環(huán)帶0.5mm，大于單點(diǎn)金剛石車刀刀頭尺寸，可加工性良好。衍射面與非球面復(fù)合面型見(jiàn)圖2所示。

圖2 衍射面與非球面復(fù)合面面型Fig.2 Compound diffractive and aspheric surface

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

系統(tǒng)采用四檔變焦，4個(gè)等效焦距下對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)見(jiàn)表2所示。

表2 4個(gè)焦距下對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)Table 2 4 FOVs corresponding to 4 effective focal lengths

2 設(shè)計(jì)結(jié)果及分析

2.1 設(shè)計(jì)結(jié)果

設(shè)計(jì)完成的變焦系統(tǒng)如圖3所示，圖中1為前固定組，2、4固連在一起構(gòu)成變倍組，3為中固定組、5、6為后固定組，7、8為二次成像鏡組，其中2和4沿光軸等速同向運(yùn)動(dòng)，其他組元保持不動(dòng)，實(shí)現(xiàn)四視場(chǎng)變焦。圖中A為長(zhǎng)焦（150mm），B為中焦Ⅰ（90mm），C為中焦Ⅱ（60mm），D為短焦（30mm）。引入2個(gè)平面反射鏡折疊光路，折疊后系統(tǒng)體積約為210mm×100mm×85mm。從長(zhǎng)焦至短焦變焦過(guò)程中變倍組行程75mm，變焦倍率5:3:2:1。

圖3 光學(xué)補(bǔ)償四視場(chǎng)變焦系統(tǒng)圖Fig.3 Layout of 4 FOVs optically compensated zoom system

為補(bǔ)償光學(xué)系統(tǒng)處于不同環(huán)境溫度時(shí)的像面位置漂移，采用主動(dòng)式消熱差設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)二次成像鏡組中單透鏡的軸向微調(diào)，實(shí)現(xiàn)-40℃～＋60℃環(huán)境下消熱差設(shè)計(jì)。

2.2 像質(zhì)評(píng)價(jià)

系統(tǒng)4個(gè)視場(chǎng)下的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF見(jiàn)圖4～圖7，根據(jù)探測(cè)器像元計(jì)算可知，系統(tǒng)分辨率為16lp／mm，長(zhǎng)焦和中焦Ⅰ時(shí)各視場(chǎng)MTF接近衍射極限，中焦Ⅱ和短焦時(shí)中心視場(chǎng)MTF接近衍射極限，邊緣視場(chǎng)在16lp／mm處大于0.65。點(diǎn)列圖見(jiàn)圖8所示，各視場(chǎng)均方根彌散斑直徑基本在一個(gè)像素（30μm）內(nèi)。

圖4 長(zhǎng)焦f＝150mm時(shí)MTFFig.4 MTF curve of NFOV

圖5 中焦Ⅰf＝90mm時(shí)MTFFig.5 MTF curve of MFOVⅠ

圖6 中焦Ⅱf＝60mm時(shí)MTFFig.6 MTF curve of MFOVⅡ

圖7 短焦f＝30mm MTFFig.7 MTF curve of WFOV

圖8 各視場(chǎng)點(diǎn)列圖Fig.8 Spot diagram of 4 FOVs

2.3 冷反射分析

冷反射是采用制冷型探測(cè)器的紅外光學(xué)系統(tǒng)需要避免的現(xiàn)象。為防止從系統(tǒng)某個(gè)透鏡表面的反射中看到探測(cè)器冷屏，需要注意2個(gè)特征量YNI和I／IBAR，其中Y是邊緣光線在該面的透射高度，N是折射率，I是邊緣光線的入射角，IBAR是主光線的入射角。當(dāng)YNI很小且I／IBAR＜1時(shí)，該面是可能會(huì)產(chǎn)生冷反射的可疑面。而根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)在短焦時(shí)冷反射最強(qiáng)，表3列出了系統(tǒng)在短焦時(shí)的冷反射數(shù)據(jù)。

表3 冷反射分析Table 3 Analysis of cold reflection

由表3可知，系統(tǒng)第9和第13面為冷反射可疑面。對(duì)這兩面分別進(jìn)行反向光線追跡，觀察光線被這2個(gè)表面反射后的會(huì)聚情況。由圖9（a）和9（b）可知，光線均在探測(cè)器前方會(huì)聚，不會(huì)成像到探測(cè)器上，避免了產(chǎn)生冷反射的可能。

圖9 冷反射光線追跡圖Fig.9 Schematic of cold reflection ray tracing

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)采用F數(shù)為1.8的制冷焦平面探測(cè)器的中波紅外變焦系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了四視場(chǎng)變焦設(shè)計(jì)。通過(guò)非球面與衍射面復(fù)合設(shè)計(jì)，解決了大相對(duì)孔徑像差校正困難、光學(xué)補(bǔ)償方式像差補(bǔ)償自由度小的問(wèn)題。全系統(tǒng)僅含8片透鏡，非球面最高次項(xiàng)為6次，衍射面最小環(huán)帶0.5mm，與非球面復(fù)合設(shè)計(jì)在同一鏡面上，可一次加工成型，降低了加工制造成本。系統(tǒng)具有相對(duì)孔徑大、體積小、質(zhì)量輕、變焦機(jī)械簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，且較之以往同類型光學(xué)系統(tǒng)具有更少的光學(xué)鏡片數(shù)，從而有力地減少了光能損失，提高了光能透過(guò)率，具有良好的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

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