近紅外成像光學系統(tǒng)設計

吳玲玲，張 歡，陳 靖

（西安工業(yè)大學 光電工程學院，陜西 西安710032）

引言

光學系統(tǒng)是各類成像鏡頭的重要組成部件，目標像可經(jīng)過光學系統(tǒng)鏡片的折射或反射成像于探測芯片上。光學系統(tǒng)（如空間相機和導引頭等）因其需要滿足不同的使用要求，因此對其指標設計、結構設計及評價指標方面的要求也不同。

光學系統(tǒng)的工作環(huán)境常有較強的雜散光，嚴重影響著光學系統(tǒng)的成像質量，也會降低系統(tǒng)的光學傳遞函數(shù)及信噪比等［1－3］，特別是近紅外光學系統(tǒng)尤其如此，所以對雜散光必須進行抑制。

1 光學系統(tǒng)設計

1.1 光學系統(tǒng)指標

光學系統(tǒng)主要有反射式、折反射式、折射式3種結構形式。反射式光學系統(tǒng)采用非球面時加工難度較大；折反式光學系統(tǒng)具有焦距長、口徑大的特點，但比較難實現(xiàn)大視場要求，并且存在中心遮攔；折射式光學系統(tǒng)具有結構緊湊、比較容易實現(xiàn)大視場的優(yōu)點。因此本文選擇折射式結構。

光學系統(tǒng)指標如下為

焦距：f＝12.002mm

F＝1.8

視場角：15°×15°

光譜范圍：0.75μm～1μm

1.2 光學系統(tǒng)設計

大相對孔徑光學系統(tǒng)結構主要有Petzval型物鏡、Sonnar型物鏡、雙高斯物鏡等［4］。其中Petzval型物鏡、Sonnar型物鏡的視場都比較小，所以光學系統(tǒng)初始結構采用雙高斯物鏡。

設計完成后，成像類折射式光學系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 折射式光學系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of refractive optical system structure

主要使用調制傳遞函數(shù)（MTF）曲線、光學系統(tǒng)球差曲線、光學系統(tǒng)點列圖、光學系統(tǒng)垂軸像差圖、光學系統(tǒng)波差圖、光學系統(tǒng)焦移曲線圖評價光學系統(tǒng)的成像質量。

調制傳遞函數(shù)（MTF）曲線表示光學系統(tǒng)輸出像與輸入像的對比度之比，是反映光學系統(tǒng)綜合成像質量的主要參數(shù)。本文設計的光學系統(tǒng)的MTF如圖2所示。

圖2 折射式光學系統(tǒng)MTF曲線Fig.2 MTF curve of refractive optical system

從圖2中可以看出，除7.5°視場外，其余各視場光學系統(tǒng)MTF曲線基本接近衍射極限。但7.5°視場在133lp／mm 時已達到0.55，因此認為系統(tǒng)成像良好。

圖3為光學系統(tǒng)球差曲線。

圖3 折射式光學系統(tǒng)球差曲線Fig.3 Spherical aberration curve of refractive optical system

從圖3中可知，此時球差約為1μm，小于焦深，滿足成像要求。

圖4為光學系統(tǒng)的點列圖。

圖4 折射式光學系統(tǒng)的點列圖Fig.4 Spot diagram of refractive optical system

此時，除7.5°視場外，系統(tǒng)各視場彌散斑均集中在Airy斑以內，但7.5°視場的大部分能量都集中在Airy斑以內，因此可認為系統(tǒng)成像良好。

圖5為光學系統(tǒng)垂軸像差圖。

圖5 折射式光學系統(tǒng)垂軸像差圖Fig.5 Ray aberration of refractive optical system

從圖5可知，光學系統(tǒng)垂軸像差非常小，最大為3μm。

圖6為光學系統(tǒng)波差圖，PV值約為λ／13。

根據(jù)瑞利判據(jù)可知，當實際波面與理想波面的差值為λ／4時，可以認為光學系統(tǒng)完善成像，所以本系統(tǒng)成像質量良好。

圖6 折射式光學系統(tǒng)波差圖Fig.6 Wavefront map of refractive optical system

表1 材料Abg參數(shù)Table 1 Parameters of Abg material

圖8 雜散光追跡圖Fig.8 Stray light tracing diagram

圖7為光學系統(tǒng)焦移曲線圖。

圖7 折射式光學系統(tǒng)焦移曲線圖Fig.7 Focal shift of refractive optical system

由圖7可知，此時系統(tǒng)的焦移量最大為4.9μm，在焦移范圍以內。故優(yōu)化后的系統(tǒng)具有良好的像質。

2 雜散光評估

將光學系統(tǒng)模型導入Tracepro軟件中，并對其進行雜散光分析。鏡筒表面涂黑，其材料Abg參數(shù)如表1所示。雜散光追跡圖如圖8所示，光學系統(tǒng)的輻照度如圖9所示，點源透射比（PST）曲線如圖10所示。

從圖9和圖10可知，當光線入射角小于17°時，PST值較大，給光學系統(tǒng)帶來較強的雜散光，極易淹沒目標信號。當光線入射角大于17°時，PST值較小，但此時的能量非常集中，對圖像進行處理時不能區(qū)分噪聲與目標。

圖9 折射式光學系統(tǒng)光學輻照圖Fig.9 Radiation diagram of refractive optical system

圖10 折射式光學系統(tǒng)PST曲線圖Fig.10 PST curve of refractive optical system

3 雜散光抑制

目前，在雜散光消除方面主要有利用光闌［5－7］和 遮 光 罩［8］兩 種 方 法 。 本 文 利 用 遮 光 罩 進行雜散光抑制，它能在不改變光學系統(tǒng)的同時對雜散光進行有效抑制。遮光罩主要由遮光罩筒和光欄組成。傳統(tǒng)遮光罩根據(jù)外形與光欄的布置，可分為圓柱狀且光欄等高布置、圓柱狀且光欄梯度布置、錐狀且光欄等高布置、錐狀且光欄梯度布置［9－10］。

本文設計了一種圓柱狀且光欄梯度布置的遮光罩，并對加有遮光罩的光學系統(tǒng)進行了雜散光評估，加遮光罩后的雜散光追跡圖如圖11所示，其PST曲線如圖12所示。

圖11 加遮光罩后雜散光追跡圖Fig.11 Stray light tracing diagram after adding lens hood

圖12 加遮光罩后光學系統(tǒng)PST曲線圖Fig.12 PST curve of optical system after adding lens hood

從圖12中可知，與未加遮光罩的光學系統(tǒng)相比，加有遮光罩的光學系統(tǒng)的PST值明顯降低76.6%～87.5%。

3 結論

本文設計了一種折射式光學系統(tǒng)，并對其進行雜散光評估。通過各類像差圖分析可知，此光學系統(tǒng)像質良好。經(jīng)過Tracepro仿真可知，當光線入射角大于17°時，雜散光能量較小，但能量集中，在對圖像進行處理時無法區(qū)別目標與雜散光；當光線入射角小于17°時，雜散光到達探測芯片的能量較大，容易淹沒目標像。當對光學系統(tǒng)加入遮光罩后，其PST值降低76.6%～87.5%。因此，當一個成像像質良好的光學系統(tǒng)用于存在雜散光的特殊環(huán)境時，采取雜散光抑制等措施可有效地降低雜散光對光學系統(tǒng)的影響，提高光學系統(tǒng)的成像質量、信噪比和光學傳遞函數(shù)等，有利于后續(xù)圖像處理時目標與背景雜散光的區(qū)分。

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