紅外變焦投影光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計

劉智穎，欒曉宇，付躍剛，高子英

(長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長春 130022)

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紅外變焦投影光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計

劉智穎，欒曉宇，付躍剛，高子英

(長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長春 130022)

根據(jù)外場測試要求，設(shè)計一套精確變焦的大口徑投影光學(xué)系統(tǒng)，為系統(tǒng)性能測試評估提供遠(yuǎn)場至近場的目標(biāo)成像模擬，系統(tǒng)由精確變焦系統(tǒng)和大口徑投影系統(tǒng)兩部分組成。根據(jù)被測系統(tǒng)口徑及所成像點大小要求，在保證光瞳銜接和口徑匹配的前提下，對大口徑投影光學(xué)系統(tǒng)和精確變焦系統(tǒng)進(jìn)行了光學(xué)參數(shù)計算和像質(zhì)優(yōu)化。變焦系統(tǒng)工作波段為8μm～12μm，變倍比為16x，大口徑投影光學(xué)系統(tǒng)口徑為300mm，模擬實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)在變焦過程中像面穩(wěn)定，各焦距位置MTF曲線接近衍射極限，滿足外場測試實驗要求。

光學(xué)設(shè)計; 紅外變焦； 投影系統(tǒng)

引言

近年來，紅外技術(shù)憑借其特有的優(yōu)勢得到了迅速的發(fā)展，并且實際應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)已成為紅外技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的重要研究方向。由于將連續(xù)變焦性能應(yīng)用到紅外光學(xué)系統(tǒng)中，可以在不同視場通過改變焦距獲得穩(wěn)定的圖像，使紅外系統(tǒng)具備了在不同視場目標(biāo)探測、目標(biāo)跟蹤、搜集信息的功能；特別是，隨著紅外對抗技術(shù)的發(fā)展，紅外成像制導(dǎo)技術(shù)已經(jīng)成為光電精確制導(dǎo)技術(shù)的一個發(fā)展方向。紅外仿真系統(tǒng)能顯著降低外場飛行試驗次數(shù)，節(jié)省資金和大大縮短武器研制周期。所以，半實物仿真技術(shù)在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)等研制中占有及其重要的地位。國內(nèi)半實物仿真技術(shù)開始于20世紀(jì)80年代，多采用五軸轉(zhuǎn)臺仿真系統(tǒng)，但是其加工工藝較難，因此造價較高，而且局限性較大不能實現(xiàn)復(fù)雜目標(biāo)的模擬[1-3]。本文將設(shè)計可以模擬目標(biāo)由近及遠(yuǎn)、由小到大動態(tài)過程的光學(xué)系統(tǒng)，并且使用起來靈活簡便。

1 功能及技術(shù)指標(biāo)

本系統(tǒng)作為模擬仿真系統(tǒng)，滿足在實驗室使用的條件，把15 m距離遠(yuǎn)250 mm大小的目標(biāo)，經(jīng)變焦投影系統(tǒng)在被測系統(tǒng)上所成像的大小為1～16個像素(一個像素大小為30 μm)，波段為長波紅外8 μm ～12 μm。當(dāng)變焦系統(tǒng)處于短焦位置時，在被測系統(tǒng)中所成像尺寸較小；當(dāng)變焦系統(tǒng)處于長焦位置時，在被測系統(tǒng)中所成像尺寸較大，從而可以模擬出目標(biāo)由遠(yuǎn)及近的過程。為了保證足夠覆蓋被測系統(tǒng)全口徑，所以要求投影光學(xué)系統(tǒng)口徑不小于300 mm。

在變焦系統(tǒng)變焦過程之前，啟動能量精確控制裝置，可以使得孔徑由最小到最大進(jìn)行變化模擬，從而可以模擬目標(biāo)由更遠(yuǎn)位置變近時的能量變化過程。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 System composition

2 設(shè)計思路

投影系統(tǒng)工作過程中，光束首先經(jīng)過變焦系統(tǒng)然后經(jīng)由投影系統(tǒng)射出提供測試出射光束。但是在設(shè)計時需要逆向設(shè)計，首先根據(jù)被測系統(tǒng)需求設(shè)計后面的大口徑投影光學(xué)系統(tǒng)，然后推出變焦系統(tǒng)所需光學(xué)參數(shù)，最后進(jìn)行組合設(shè)計。

2.1F數(shù)的選取

為了保證口徑匹配，所以大口徑投影光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)與變焦系統(tǒng)的F數(shù)應(yīng)該相等。

大口徑投影光學(xué)系統(tǒng)采用倒置的卡塞格林系統(tǒng)，其口徑為300 mm，為了保證變焦系統(tǒng)與大口徑投影光學(xué)系統(tǒng)的口徑銜接，需要滿足兩者的相對孔徑相同。若選取F數(shù)較大時，此時進(jìn)入變焦系統(tǒng)的能量較少。在紅外光學(xué)系統(tǒng)中，為了保證有更多的能量進(jìn)入系統(tǒng)，一般選取較小的F數(shù)，但此時卡塞格林系統(tǒng)主鏡的相對孔徑較大，有一定的加工難度，不予采取。綜合考慮到能量和加工的問題，選取F數(shù)為3.5較為適宜。此時經(jīng)計算得到變焦系統(tǒng)的焦距為10.5 mm ～168 mm。

2.2 大口徑投影系統(tǒng)的設(shè)計及結(jié)果

大口徑投影光學(xué)系統(tǒng)的焦距為1 050 mm，倒置設(shè)計的大口徑投影光學(xué)系統(tǒng)像方視場應(yīng)與前端變焦系統(tǒng)相銜接。

在卡塞格林系統(tǒng)的單獨設(shè)計過程中，根據(jù)系統(tǒng)的使用要求，保證系統(tǒng)出射光口徑 ，故在Zemax軟件輸入時，將光闌位置至于主鏡前500 mm～600 mm處，并經(jīng)過調(diào)整各曲面半徑及副鏡圓錐系數(shù)，在保證卡塞格林系統(tǒng)的成像質(zhì)量的條件下，調(diào)整成像位置位于主鏡之后，最終得到滿足整個系統(tǒng)要求的卡塞格林系統(tǒng)。系統(tǒng)圖如圖2所示，像質(zhì)評價如圖3所示。

圖2 大口徑投影光學(xué)系統(tǒng)光路圖Fig.2 Sketch of large aperture projection optical system

大口徑投影光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)總長為334.6 mm，主鏡口徑為300 mm，中心遮攔為24.49 %，小于30%，出瞳位置在像面左側(cè)335 mm處。

2.3 變焦系統(tǒng)的設(shè)計及結(jié)果

2.3.1 變焦系統(tǒng)的設(shè)計

變焦距光學(xué)系統(tǒng)從原理方案上來講可以分為光學(xué)補(bǔ)償和機(jī)械補(bǔ)償兩種形式，光學(xué)補(bǔ)償變焦系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是只有在某幾個特殊位置能夠呈現(xiàn)較為清晰的像，無法實現(xiàn)連續(xù)變焦，所以在機(jī)械加工精度不斷提高的今天多采用精確的凸輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械補(bǔ)償來保證像面穩(wěn)定。

圖3 大口徑投影光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)圖與點列圖Fig.3 MTF curves and spot diagram of large aperture projection optical system

機(jī)械補(bǔ)償變焦光學(xué)系統(tǒng)是由前固定組、變倍組、補(bǔ)償組及后固定組組成。按照補(bǔ)償組鏡片光焦度的正負(fù)可以分為正組補(bǔ)償和負(fù)組補(bǔ)償兩種形式，正組補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)細(xì)而長，負(fù)組補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)粗而短。負(fù)組補(bǔ)償由于變倍系統(tǒng)(包括前固定組、變倍組和補(bǔ)償組)失對稱嚴(yán)重，造成二級光譜和球差大。由于該變焦系統(tǒng)的變倍比較大(16×)，在像差校正方面正組補(bǔ)償相對于負(fù)組補(bǔ)償來說相對容易，且該系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)的長度要求不是很高，因此本文采用正組補(bǔ)償方式實現(xiàn)連續(xù)變焦系統(tǒng)的設(shè)計[4-5]。

1) 起始結(jié)構(gòu)計算

由公式

(1)

l′=(1-m)f′

(2)

2) 求長焦時的參數(shù)

變倍組的移動量由下式計算：

g1=l2-l2l

(3)

由公式：

(4)

(5)

及高斯公式：

(6)

可得到補(bǔ)償組的移動量Δ1，則變倍組和補(bǔ)償組在長焦時的間隔為

d23l=0.8-g1-Δ1

(7)

因為m2l·m3l=?？偂羗2s·m3s，所以可求得m2s·m3s。其中m2s、m3s為變倍組、補(bǔ)償組在短焦時的垂軸放大率。

3) 求短焦時的參數(shù)

設(shè)定：

(8)

D=m2s·m3s

(9)

則m2s=

(10)

4) 求前固定組參數(shù)(選短焦?fàn)顟B(tài))

(11)

5) 求后固定組參數(shù)(選短焦?fàn)顟B(tài))

設(shè)d34s=0.154，則后固定組的物距l(xiāng)4由(12)式求出：

(12)

縮放：

該16×變焦系統(tǒng)f′=10.5mm～168mm，把上述所有線量放大34.96倍，得到各組元焦距為

各組元的間隔如表1所示。

表1 在不同焦距下各鏡組之間的間距

2.3.2 變焦系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果

可見光光學(xué)系統(tǒng)有豐富的玻璃類型提供使用，但對于紅外系統(tǒng)卻只有極其有限的材料可以應(yīng)用。對于紅外透射光學(xué)材料，在波段匹配的前提下，還要求折射材料有較高的透過率，Ge具有很高的折射率且有很低的色散系數(shù)，所以本系統(tǒng)大部分透鏡使用Ge，部分透鏡選擇ZnSe來校正色

差，使系統(tǒng)像質(zhì)達(dá)到優(yōu)良。考慮到系統(tǒng)能量透過率要求高，應(yīng)該盡量降低變焦系統(tǒng)的鏡片數(shù)。通過對光學(xué)材料的合理選擇及光焦度的合理分配，該變焦系統(tǒng)由5片透鏡構(gòu)成[6-8]。

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)的要求，利用變焦系統(tǒng)基本理論及高斯光學(xué)理論得到系統(tǒng)的高斯解以后，對變焦系統(tǒng)的各組元選取計算了適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)形式。在光學(xué)設(shè)計軟件Zemax中，用多重結(jié)構(gòu)實現(xiàn)系統(tǒng)的變焦，并對初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得到系統(tǒng)的變焦部分。但初始設(shè)計的變焦系統(tǒng)的出瞳位置不滿足與大口徑投影系統(tǒng)的入瞳位置匹配銜接，導(dǎo)致光束無法全部進(jìn)入到倒置的卡塞格林系統(tǒng)，此時在ZEMAX軟件中加入優(yōu)化操作數(shù)EXPP使其大于335mm，使得2個分系統(tǒng)光瞳對接，進(jìn)行優(yōu)化，最終得到像質(zhì)優(yōu)良的變焦系統(tǒng)。變焦系統(tǒng)光路圖如圖4所示。

圖4 各焦距位置時的變焦系統(tǒng)光路圖Fig.4 Optic paths of zoom system in different foci

變焦光學(xué)系統(tǒng)在短焦，中焦，長焦各個位置下傳遞函數(shù)曲線與點列圖如圖5、圖6、圖7所示。

圖5 長焦位置時的傳遞函數(shù)圖與點列圖Fig.5 MTF curves and spot gram at long focus position

圖6 中焦位置時的傳遞函數(shù)圖與點列圖Fig.6 MTF curves and spot gram at middle focus position

圖7 短焦位置時的傳遞函數(shù)圖與點列圖Fig.7 MTF curves and spot gram at short focus position

由圖可知，變焦系統(tǒng)在各焦距位置點列圖均較為圓整，彌散斑均方根半徑均小于30μm，與紅外探測像元相當(dāng)。由各個焦距傳遞函數(shù)圖可以看出傳遞函數(shù)曲線較為圓滑平整，并且均接近衍射極限，表明了變焦系統(tǒng)在變焦過程中像面穩(wěn)定并且成像質(zhì)量良好。

2.3.3 變焦曲線擬合

應(yīng)用動態(tài)光學(xué)理論可以推導(dǎo)出像移補(bǔ)償公式，從而計算出變倍曲線和補(bǔ)償曲線的關(guān)系：

(13)

式中：

(14)

(15)

變焦系統(tǒng)凸輪曲線如圖8所示。

圖8 變焦系統(tǒng)凸輪曲線Fig.8 Cam curve of zoom system

2.4 變焦投影組合系統(tǒng)

為了驗證變焦投影系統(tǒng)組合后的像質(zhì)及在被測系統(tǒng)中成像大小，將變焦系統(tǒng)與大口徑投影光學(xué)系統(tǒng)對接。變焦系統(tǒng)與大口徑投影光學(xué)系統(tǒng)組合后的變焦投影系統(tǒng)圖及像質(zhì)評價圖如圖9～圖11所示。

圖9 各焦距位置時的系統(tǒng)光路圖Fig.9 Optic paths of system at different focus positions

3 結(jié)論

為了模擬動態(tài)目標(biāo)在有限遠(yuǎn)距離由近及遠(yuǎn)的過程，設(shè)計了該紅外變焦投影光學(xué)系統(tǒng)。本系統(tǒng)將變焦系統(tǒng)與倒置的卡塞格林系統(tǒng)組合，可以16×連續(xù)變焦。目標(biāo)經(jīng)由大口徑投影光學(xué)系統(tǒng)成像于被測系統(tǒng)上，有效地模擬了動態(tài)目標(biāo)在外場由遠(yuǎn)及近的飛行過程，大大節(jié)省了實驗經(jīng)費。在設(shè)計的過程中很好地解決了卡塞格林系統(tǒng)與變焦系統(tǒng)光瞳銜接的問題，成像質(zhì)量良好，經(jīng)被測系統(tǒng)成像模擬，各焦距位置均接近衍射極限，滿足實驗要求。

圖10 長焦時的傳遞函數(shù)圖及點列圖Fig.10 MTF curves and spot gram at long focus position

圖11 中焦時的傳遞函數(shù)圖與點列圖Fig.11 MTF curves and spot gram at middle focus position

圖12 短焦時的傳遞函數(shù)圖與點列圖Fig.12 MTF curves and spot gram at short focus position

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Design of infrared zoom projection optical system

Liu Zhiying,Luan Xiaoyu,Fu Yuegang,Gao Ziying

(School of Opto-Electronic Engineering,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China)

According to the validation requirements of the field test, a large aperture optical system with precisely zooming was designed, in order to provide target imaging simulation from near field to far field to test and evaluate the system performance. The system has two parts: zoom system and projection system. Based on the requirements of beam aperture and image size on the unit to be tested, and with the precondition of pupil connection and aperture matching principle, the optical parameters of projection system and zoom system were calculated and the image quality was optimized. The zoom system works between 8 μm ～12 μm in far-infrared band with a 16xzoom ratio. The large-aperture projection system has a 300mm aperture. Simulation experiment results show that, the image position is stable and the modulation transfer function (MTF) curve of each focal length is close to the diffraction limit during zoom process, which could meet the test requirement exactly.

optical design; infrared zoom; projection system

1002-2082(2015)06-0857-07

2015-05-21；

2015-07-28

國家自然科學(xué)基金(11474037)

劉智穎(1981-)，女，遼寧人朝陽，副教授，博士，主要從事現(xiàn)代光學(xué)及工程應(yīng)用方面的研究。

E-mail:lzycccccc@126.com

TN

A

10.5768/JAO201536.0601007