可見與紅外雙波段光學(xué)系統(tǒng)的共變焦補(bǔ)償方法

呂 宏，高 明，陳 陽(yáng)

(西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院，陜西 西安710021)

1 引言

在工業(yè)檢測(cè)和國(guó)防軍事應(yīng)用領(lǐng)域，為了在不同外界環(huán)境下快速、及時(shí)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤和精確測(cè)量，既要求得到目標(biāo)的可見光圖像，還需要得到目標(biāo)的紅外圖像。隨著科技的進(jìn)步，多波段光學(xué)系統(tǒng)和變焦光學(xué)系統(tǒng)相結(jié)合的光學(xué)系統(tǒng)因其觀測(cè)范圍廣、測(cè)量精確而得到了廣泛應(yīng)用［1－3］。2010年，Jay N．Vizgaitis［4］設(shè)計(jì)了一款軍用11．7X中波/長(zhǎng)波紅外連續(xù)變焦系統(tǒng)，系統(tǒng)采用折、反混合光路，并使用紅外雙色焦平面陣列對(duì)中波/長(zhǎng)波紅外同時(shí)成像。2011年，Jeong-Yeol Han等人［5］針對(duì)可見光/紅外雙波段系統(tǒng)體積過大的問題，采用多次反射的形式分別對(duì)可見光/紅外兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行折疊，在一定程度上減小了系統(tǒng)體積。2009年，李永剛等人［6］對(duì)紅外連續(xù)變焦鏡頭的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于可見、紅外雙通道甚至多通道變焦光學(xué)系統(tǒng)的研究較多，但通常是對(duì)可見光與紅外各波段光學(xué)系統(tǒng)分開單獨(dú)設(shè)計(jì)，然后組合成為多波段變焦光學(xué)系統(tǒng)。

本文提出將可見與紅外雙波段光路整合在一起，系統(tǒng)中目標(biāo)光波通過分光棱鏡實(shí)現(xiàn)可見、紅外光分光，反射紅外光路的變倍比差補(bǔ)償組采用直接變倍比補(bǔ)償形式，在變倍比小的紅外光路上進(jìn)行補(bǔ)償，通過對(duì)可見與紅外雙波段變焦比差異進(jìn)行補(bǔ)償，使二者在任意變焦位置的焦距和變焦比都相同，當(dāng)需用不同波段觀察時(shí)，無(wú)需光路轉(zhuǎn)換可以直接進(jìn)行觀察，提高可見、紅外雙波段光學(xué)系統(tǒng)的反應(yīng)速度。

2 系統(tǒng)方案

可見光與紅外雙波段共口徑共光路共變焦融合成像光學(xué)系統(tǒng)的共口徑變焦部分主要包括前固定組、變倍組和補(bǔ)償組，可同時(shí)通過可見和紅外光波，并且實(shí)現(xiàn)兩者共同變焦，光線從公共部分出來后進(jìn)入棱鏡，棱鏡上鍍有反紅外透可見光薄膜將可見、紅外兩路光分開?？梢?、紅外光路分別對(duì)從棱鏡分出的可見、紅外光進(jìn)行像差矯正。光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

由于可見、紅外波段波長(zhǎng)像差較大，即使透過結(jié)構(gòu)完全相同的變焦系統(tǒng)，兩者的變焦比也不會(huì)相同。因此需要在變焦比較小的光路后拼接一個(gè)變焦比補(bǔ)償光路，以使兩者達(dá)到相同的變焦比，滿足共調(diào)焦的要求。變倍比差補(bǔ)償一般可以通過兩種形式，一種為二次成像補(bǔ)償方式，另一種為直接補(bǔ)償方式，直接補(bǔ)償方式是在原來系統(tǒng)上直接再加一個(gè)變焦組來改變?cè)瓉硐到y(tǒng)的變焦曲線，當(dāng)補(bǔ)償?shù)淖兘贡炔淮髸r(shí)，直接補(bǔ)償是近似的加和補(bǔ)償。直接補(bǔ)償式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，變焦補(bǔ)償范圍滿足系統(tǒng)要求，采用直接變倍比補(bǔ)償形式，選取一個(gè)變焦比為4×的變焦系統(tǒng)，將其變焦組進(jìn)行尺寸縮放，并對(duì)它的移動(dòng)量適當(dāng)調(diào)整后拼接到反射紅外光路中。本系統(tǒng)采用的變焦比補(bǔ)償方式如圖2所示。

圖2 變倍比差補(bǔ)償方式

3 基本原理

根據(jù)變焦理論［7］，變焦系統(tǒng)的變焦比Γ、焦距f'和相應(yīng)的像面位移量Δ滿足下列公式:

式中，β2L為系統(tǒng)長(zhǎng)焦處變倍組的放大率;β3L為系統(tǒng)長(zhǎng)焦處補(bǔ)償組的放大率;β2為當(dāng)前變焦位置變倍組的放大率;β3為當(dāng)前變焦位置補(bǔ)償組的放大率;f'為當(dāng)前變焦位置系統(tǒng)焦距，f'L為長(zhǎng)焦處的系統(tǒng)焦距。

相應(yīng)的中紅外波段的變焦比Γ、焦距f'以及像面位移量Δ滿足如下關(guān)系式:

式中，β4L為系統(tǒng)長(zhǎng)焦處變焦比差補(bǔ)償組的放大率;β4當(dāng)前變焦位置處變焦比差補(bǔ)償組的放大率;q3為變焦比差補(bǔ)償組的位移量。

由于透鏡的放大率取決于焦距值，可見光和中紅外變倍組焦距f'2與補(bǔ)償組焦距f'3的不同決定了兩者變倍組和補(bǔ)償組的放大率的不同。結(jié)合式(1)與式(2)可知，放大率的不同將導(dǎo)致二者同一變焦位置變焦比及焦距產(chǎn)生差異。由式(3)可以得出，當(dāng)可見光滿足像面穩(wěn)定時(shí)，中紅外波段無(wú)法滿足Δ=0，因此中紅外波段存在像面移動(dòng)。為了達(dá)到可見光、中紅外在任意變焦位置焦距和變焦比相同，同時(shí)補(bǔ)償中紅外波段的像面移動(dòng)，根據(jù)式(1)、式(4)和式(6)可以推導(dǎo)出以下兩式:

其中，帶有V(Visible)下標(biāo)的參量表示可見光參量，帶有I(Infrared)下標(biāo)的參量表示紅外光參量。式(7)表明可見光兩組元變焦方式的變焦比與中紅外三組元變焦方式的變焦比相同，式(8)表明中紅外波段滿足像面穩(wěn)定條件。

4 變倍比差補(bǔ)償

綜上所述，結(jié)合ZEMAX中的多重組態(tài)設(shè)置，調(diào)整、優(yōu)化得到多個(gè)符合變焦比補(bǔ)償?shù)奶卣鼽c(diǎn)。通過對(duì)得到的特征點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合，可分別得到可見光、中紅外兩個(gè)波段焦距隨變倍組移動(dòng)量q的變化曲線，可見光、中紅外可分別由如下兩式表示:

其中，F(xiàn)1與F2分別表示可見光及紅外光焦距;q表示變倍組移動(dòng)量。為了便于檢驗(yàn)，將兩條曲線在同一坐標(biāo)下顯示進(jìn)行比較，如圖3所示。從圖3中可以看出，可見光與中紅外兩波段焦距隨變倍組移動(dòng)量的變化完全一致，說明可見、中紅外焦距在變焦過程中焦距相同。

圖3 可見光、中紅外兩波段焦距隨變倍組移動(dòng)量的變化曲線

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)變倍比差補(bǔ)償結(jié)果，得到可見光、中紅外兩個(gè)波段焦距在不同變倍組移動(dòng)量的差值曲線，如圖4所示。從圖中4可以看出，當(dāng)變倍組移動(dòng)量為40 mm時(shí)兩波段焦距的最大差值小于0．02 mm，同時(shí)，根據(jù)焦深公式可以得到可見光、中紅外波段的焦深分別為0．027 mm和0．137 mm，焦距的最大差值小于兩者的焦深，說明可見光、中紅外兩個(gè)波段下系統(tǒng)都能對(duì)目標(biāo)清晰成像，滿足焦距補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)要求。

圖4 不同變倍組移動(dòng)量時(shí)焦距的差值

5 結(jié)論

本文基于可見、紅外雙波段探測(cè)成像共光路光學(xué)系統(tǒng)，分析了雙波段同步變焦技術(shù)的實(shí)現(xiàn)原理及方法，通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分光，對(duì)于可見和紅外光波通過同一個(gè)變焦系統(tǒng)變倍比不同產(chǎn)生的變倍比差，采取在變倍比小的紅外光路上加變倍比差補(bǔ)償組，擴(kuò)大它的變倍比，達(dá)到不同波段焦距相同的目的。采用直接變倍比補(bǔ)償形式，選取一個(gè)變焦比為4倍的系統(tǒng)，將它的變焦組進(jìn)行尺寸縮放拼接到系統(tǒng)中，通過數(shù)據(jù)擬合得到可見光、中紅外兩波段焦距隨變倍組移動(dòng)量的變化情況，可知補(bǔ)償變焦曲線光滑，變焦比差補(bǔ)償后不會(huì)出現(xiàn)折點(diǎn)，變焦過程順暢。結(jié)果表明，研究可見與紅外雙波段光學(xué)系統(tǒng)的共變焦技術(shù)可提高雙波段光學(xué)系統(tǒng)的反應(yīng)速度，在不同波段同步觀測(cè)目標(biāo)，并滿足了系統(tǒng)在探測(cè)過程中的實(shí)時(shí)性要求。

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