非制冷型紅外雙波段連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

劉　鈞,魯茜倩

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

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非制冷型紅外雙波段連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

劉鈞,魯茜倩

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

摘要：為了滿足同步觀測(cè)、跟蹤，同時(shí)探測(cè)紅外中/長(zhǎng)波兩個(gè)波段信息的目標(biāo)，文中采用共口徑方式將紅外中/長(zhǎng)雙波段融合到同一個(gè)光路中，設(shè)計(jì)了一款非制冷型大變倍比紅外雙波段連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，引入衍射面和偶次非球面，進(jìn)行像差校正，選擇機(jī)械負(fù)組補(bǔ)償方式進(jìn)行變焦.通過(guò)光學(xué)被動(dòng)式消熱差方式，匹配材料及分配透鏡光焦度，對(duì)雙波段紅外光學(xué)系統(tǒng)在-40～+60℃溫度范圍內(nèi)進(jìn)行了消熱差設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)的像質(zhì)進(jìn)行了分析.研究結(jié)果表明:在不同溫度，系統(tǒng)在兩個(gè)波段下，各個(gè)視場(chǎng)內(nèi)調(diào)制傳遞函數(shù)在奈奎斯特頻率為20 lp·mm-1處均接近衍射極限，系統(tǒng)整體無(wú)溫度離焦，像面穩(wěn)定，像質(zhì)良好，結(jié)構(gòu)緊湊，滿足使用要求.

關(guān)鍵詞：紅外雙波段；連續(xù)變焦；共口徑；被動(dòng)式消熱差；焦深

隨著現(xiàn)代科技水平的不斷發(fā)展，紅外光學(xué)系統(tǒng)以良好的煙霧、塵埃穿透能力，無(wú)晝夜限制，受環(huán)境影響小，隱蔽性好以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在預(yù)警衛(wèi)星、森林防火和掃描成像等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的強(qiáng)烈關(guān)注，并成為了熱門的研究課題[1-3].同時(shí)，紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)也備受人們關(guān)注，很多相關(guān)的高性能產(chǎn)品也應(yīng)運(yùn)而生.相對(duì)于紅外單波段定焦和紅外單波段定點(diǎn)變焦光學(xué)系統(tǒng)，雙波段甚至多波段連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)具有更大的優(yōu)勢(shì)，可以擁有更多的觀察通道，有利于更迅速地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，能夠獲得更全面的目標(biāo)信息.文獻(xiàn)[4]中采用柯克型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款中波和長(zhǎng)波紅外雙波段光學(xué)系統(tǒng)，并利用諧衍射元件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了被動(dòng)式消熱差處理，該系統(tǒng)為定焦系統(tǒng)，很難實(shí)現(xiàn)連續(xù)搜索.文獻(xiàn)[5]通過(guò)在窄視場(chǎng)光路中插入不同鏡組的方式，研究了中波/長(zhǎng)波雙色多視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了雙波段定點(diǎn)變焦，并使用光學(xué)主動(dòng)式進(jìn)行溫度補(bǔ)償，但是上述兩種設(shè)計(jì)都不能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)搜索.文獻(xiàn)[6]基于變焦理論，設(shè)計(jì)一款紅外望遠(yuǎn)雙視場(chǎng)連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，寬窄視場(chǎng)均成像質(zhì)量良好，但未闡述消熱差的處理結(jié)果.上述三個(gè)系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)于快速移動(dòng)的目標(biāo)而言，不能進(jìn)行精確跟蹤和觀察，系統(tǒng)可靠性不高.文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)一款雙波段雙視場(chǎng)成像系統(tǒng)，采用折反式非共口徑結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，但系統(tǒng)體積較大.

因此，本文采用共口徑方式，設(shè)計(jì)一款10倍非制冷紅外雙波段同步變焦光學(xué)系統(tǒng).并通過(guò)消熱差設(shè)計(jì)，在整個(gè)連續(xù)變焦過(guò)程中，兩個(gè)波段的最大離焦量小于其最小焦深，達(dá)到了雙波段目標(biāo)信息同時(shí)、同步被系統(tǒng)接收，且兩個(gè)波段視場(chǎng)、相對(duì)孔徑及變倍比均相同，提高了像面信息的一致性.

1設(shè)計(jì)指標(biāo)以及光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，為了滿足紅外光學(xué)系統(tǒng)探測(cè)范圍廣、搜索速度快，能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行不間斷觀測(cè)的要求，考慮到光學(xué)系統(tǒng)小型化，輕便化的發(fā)展趨勢(shì)，給定光學(xué)系統(tǒng)總長(zhǎng)小于600 mm，具體的技術(shù)指標(biāo)參數(shù)見表1.根據(jù)表1中所示的參數(shù)，結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)與探測(cè)器相匹配的原則，選擇接收器件為非制冷型紅外焦平面探測(cè)器(型號(hào)FLIRTau2)，像素為320 piexl×320 piexl像元尺寸均為25 μm×25 μm.

表1　非制冷型紅外雙波段連續(xù) 變焦光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)Tab.1　Technical indicators of uncooled infrared dual-band (10×) continuous-zoom optical system

根據(jù)像元尺寸為25 μm，可確定系統(tǒng)傳遞函數(shù)的奈奎斯特頻率為20 lp·mm-1.

1.2初始結(jié)構(gòu)的選取

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的指標(biāo)主要包括焦距、相對(duì)孔徑和視場(chǎng)角.文獻(xiàn)[8]中的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)共包含15個(gè)光學(xué)面，光闌面設(shè)置在第9個(gè)光學(xué)面上，鍺和硫化鋅為玻璃材料.

1.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)指標(biāo)要求F=2，視場(chǎng)較大，并且前固定組作為系統(tǒng)窗口，通光量需充分，因此前固定組口徑較大，焦距也相對(duì)較大，故光焦度分配比例大，變倍組次之，補(bǔ)償組與后固定組較小.

由于所設(shè)計(jì)系統(tǒng)要求滿足紅外中/長(zhǎng)波段同時(shí)變焦，變焦系統(tǒng)由前固定組A1、變倍組A2、補(bǔ)償組A3及后固定組B四個(gè)部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1　光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Schematic diagram of the optical system

其中共口徑部分A包括前固定組A1、變倍組A2、補(bǔ)償組A3和一塊負(fù)透鏡，此部分同時(shí)透過(guò)紅外中波、長(zhǎng)波兩個(gè)波段，并且實(shí)現(xiàn)兩者共同變焦.選取的分光棱鏡可以透射紅外長(zhǎng)波，反射紅外中波.光路中的后固定組，分別校正紅外中波、長(zhǎng)波光路的像差，并匯聚光線在各自的探測(cè)器上成像.

由于紅外中波、長(zhǎng)波兩個(gè)波段較寬且中心波長(zhǎng)不一致，導(dǎo)致焦距值不統(tǒng)一，且在各焦距位置高級(jí)像差不易校正，尤其是球差、彗差和色差讓系統(tǒng)進(jìn)行像差校正、消熱差處理以及雙波段共焦處理難度加大，因此引入了非球面和衍射面，并對(duì)像差進(jìn)行重復(fù)調(diào)整和平衡.

2公共變焦組初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

2.1變焦結(jié)構(gòu)初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)的變焦比為10倍，屬于大變焦比系統(tǒng)，且要求變倍和補(bǔ)償曲線平緩且圓滑，以便于后續(xù)對(duì)變倍比差的補(bǔ)償，因此采用易于實(shí)現(xiàn)大變倍比的機(jī)械補(bǔ)償變焦方式，其主要是利用光學(xué)系統(tǒng)中透鏡組的移動(dòng)，改變系統(tǒng)的組合焦距，同時(shí)保證所有運(yùn)動(dòng)組份共軛距任何瞬間的微分改變量，保證變焦過(guò)程中系統(tǒng)像質(zhì).

根據(jù)應(yīng)用動(dòng)態(tài)光學(xué)理論，可知變倍曲線和補(bǔ)償曲線之間的關(guān)系[9-10]為

(1)

為了像面位置穩(wěn)定，兩個(gè)像面移動(dòng)的代數(shù)和為零，滿足公式：

(2)

(3)

(4)

由式(3)～(5)可得變倍組和補(bǔ)償組滿足此變焦過(guò)程微分方程，表達(dá)式為

(5)

式中:M2和M3分別為變倍組和補(bǔ)償組倍率，d為像面移動(dòng)量.

2.2初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果分析

表2　不同焦距時(shí)各組元的間距值Tab.2　Construction parameters of optical system

表3　最終結(jié)構(gòu)部分參數(shù)表Tab.3　The parameter table of the final structure

3光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果及像質(zhì)評(píng)價(jià)

3.1光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)共使用10片透鏡和一組分光棱鏡.其中，紅外中波光路總長(zhǎng)493.03 mm，紅外長(zhǎng)波光路總長(zhǎng)584.41 mm.公共部分共為四片單透鏡，第一片透鏡材料為硅，后三片透鏡材料均為鍺．公共部分設(shè)計(jì)完成后，用棱鏡對(duì)系統(tǒng)分光，反射光路為中波紅外，投射光路為長(zhǎng)波紅外.

3.2像質(zhì)評(píng)價(jià)

系統(tǒng)紅外中波波段點(diǎn)列圖和傳函圖如圖2所示.從圖2點(diǎn)列圖可以看出，在各焦距位置，紅外中波波段彌散斑的均方值最大為6.6 μm.從圖2傳函圖可以看出，在20 lp·mm-1空間頻率下，紅外中波波段各焦距處傳函值都大于0.6，接近衍射極限.系統(tǒng)紅外長(zhǎng)波波段點(diǎn)列圖和傳函圖，如圖3所示.從圖3點(diǎn)列圖可以看出，在各焦距位置，紅外長(zhǎng)波波段彌散斑的均方值均小于7 μm，在一個(gè)像元尺寸(像元尺寸為25 μm)內(nèi)，滿足了系統(tǒng)與探測(cè)器匹配的要求.從圖3傳函圖可以看出，在 20 lp·mm-1空間頻率下，系統(tǒng)各焦距處傳函值都在0.5以上，達(dá)到衍射極限，系統(tǒng)成像質(zhì)量良好.

圖2　紅外中波在各焦距處的點(diǎn)列圖、傳函圖Fig.2　Spot diagram and MTF diagram of mid-infrared light at each focal length

圖3　紅外長(zhǎng)波在各焦距處的點(diǎn)列圖、傳函圖Fig.3　Spot diagram and MTF diagram of long-infrared light at each focal length

在工程應(yīng)用中，系統(tǒng)的好壞與圖像能量集中度有很大的關(guān)系，能量幾種度低，系統(tǒng)成像太暗，影響觀測(cè)和跟蹤.能量集中度高的系統(tǒng)，系統(tǒng)信息集中，更容易觀測(cè)跟蹤.圖4(a)～(f)分別給出了雙波段光學(xué)系統(tǒng)在短焦、中焦和長(zhǎng)焦時(shí)的能量曲線.如圖4(a)～(f)所示，系統(tǒng)的紅外中波/長(zhǎng)波波段在以單個(gè)像元尺寸為25 μm半徑的圓內(nèi)，所占能量的比例可分別達(dá)到90%和85%.

3.3系統(tǒng)凸輪曲線擬合

對(duì)常溫下成像質(zhì)量良好的初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行連續(xù)變焦驗(yàn)證，根據(jù)式(1)對(duì)本系統(tǒng)的變焦曲線進(jìn)行分析計(jì)算，在Zemax軟件中多重結(jié)構(gòu)里選取多個(gè)位置進(jìn)行調(diào)整及優(yōu)化，當(dāng)所有位置均達(dá)到良好像質(zhì)，取多組關(guān)于變倍組和補(bǔ)償組相對(duì)于前固定組移動(dòng)量，再利用Originpro軟件對(duì)曲線進(jìn)行擬合，擬合得到的變焦凸輪曲線如圖5所示.從圖5可以看出，變焦曲線平滑，易于凸輪的加工.

圖4紅外長(zhǎng)波/中波短焦、中焦和長(zhǎng)焦幾何能量曲線圖

Fig.4Geometric energy diagram at short focal length,ntermediate focal length and long focal length of long-infrared light/long-infrared light

圖5　變焦凸輪曲線Fig.5　Cam curve of the optical zoom system

4消熱差設(shè)計(jì)

4.1消熱差分析

紅外光學(xué)系統(tǒng)的工作溫度在-40～+60 ℃，由于紅外光學(xué)系統(tǒng)受溫度因素影響更為嚴(yán)重，溫度的變化會(huì)導(dǎo)致光學(xué)材料的折射率、厚度和曲率等基本參數(shù)的變化，改變了光學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)，系統(tǒng)各項(xiàng)性能、成像質(zhì)量等往往會(huì)急劇下降，尤其是由此引起的光學(xué)系統(tǒng)的離焦現(xiàn)象將會(huì)特別顯著.為滿足系統(tǒng)總長(zhǎng)小，輕便化和性能高等要求，選擇被動(dòng)式消熱差[11].選用該方法可使影響因素的熱離焦量相互補(bǔ)償.

為了使紅外雙波段光學(xué)系統(tǒng)達(dá)到同時(shí)消熱差和消色差的目的，必須選擇合適的透鏡光學(xué)材料組合[12].而材料的參數(shù)必須滿足光焦度、消色差及消熱差的要求，即滿足表達(dá)式：

光焦度匹配為

(6)

消熱差為

(7)

消軸向色差為

(8)

式中：hi為第一近軸光線在各透鏡組的高度；φ為系統(tǒng)的光焦度；φi為各個(gè)透鏡的光焦度；ωi為光學(xué)元件的色散因子(即色散引起的光焦度的相對(duì)變化)， αh為外部機(jī)械結(jié)構(gòu)的線膨脹系數(shù)；L為機(jī)械結(jié)構(gòu)件的長(zhǎng)度.

根據(jù)瑞利原則，溫度變化造成的像面離焦與系統(tǒng)離焦的關(guān)系[13]為

δ≤±2λ(F/#)2

(9)

式中：λ為紅外波段的波長(zhǎng)；F/#為系統(tǒng)的F數(shù)；δ為像面離焦.

由式(9)算出紅外中波和長(zhǎng)波的系統(tǒng)焦深分別為33.6 μm、69.6 μm，像面離焦(δ)必須小于等于系統(tǒng)焦深.指標(biāo)要求中波紅外3～5 μm ，中心波段為4.0 μm ，代入式(9)即可算出紅外中波的系統(tǒng)焦深為33.6 μm，最大離焦量為30 μm，長(zhǎng)波紅外8～12 μm，中心波段為10 μm，同樣可算出紅外中波的系統(tǒng)焦深為69.6 μm，最大離焦量為40 μm，通過(guò)計(jì)算可知像面最大離焦量都小于系統(tǒng)焦深，系統(tǒng)能在-40～+60 ℃范圍保證像面穩(wěn)定.

4.2消熱差后系統(tǒng)點(diǎn)列圖和傳遞函數(shù)圖

圖6～11分別給出了溫度在-40 ℃和+60 ℃時(shí)系統(tǒng)紅外長(zhǎng)波、中波在短焦、中焦和長(zhǎng)焦位置系統(tǒng)的點(diǎn)列斑和傳遞函數(shù)曲線.從圖8～12中可以看出，消熱差后系統(tǒng)成像質(zhì)量沒(méi)有明顯變化，紅外長(zhǎng)波、中波傳遞函數(shù)在20 lp·mm-1處的最小值接近0.4，接近衍射極限.

圖6　不同溫度處紅外長(zhǎng)波段短焦處的點(diǎn)列圖、傳函圖Fig.6　The result of athermalization of long-infrared light at short focal length

圖7不同溫度處紅外長(zhǎng)波段中焦處的點(diǎn)列圖、傳函圖

Fig.7The result of athermalization of long-infrared light at intermediate focal length

圖8　不同溫度處紅外長(zhǎng)波段長(zhǎng)焦處的點(diǎn)列圖、傳函圖Fig.8　The result of athermalization of long-infrared light at long focal length

圖9　不同溫度處紅外中波段短焦處的點(diǎn)列圖、傳函圖Fig.9　The result of athermalization of mid-infrared light at short focal length

圖10　不同溫度處紅外中波段中焦處的點(diǎn)列圖、傳函圖Fig.10　The result of athermalization of mid-infrared light at intermediate focal length

圖11　不同溫度處紅外中波段長(zhǎng)焦處的點(diǎn)列圖、傳函圖Fig.11　The result of athermalization of mid-infrared light at long focal length

5結(jié) 論

1) 文中設(shè)計(jì)了一款紅外雙波段共口徑連續(xù)共變焦光學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)變倍比達(dá)到10倍，中/長(zhǎng)波紅外兩個(gè)波段F數(shù)均為2，焦距范圍均為11.5～117.3 mm.系統(tǒng)整體成像質(zhì)量良好，中波傳函全視場(chǎng)大于0.6，長(zhǎng)波傳函全視場(chǎng)大于0.5.系統(tǒng)紅外中波波段在20 lp·mm-1處傳函值高于0.6，紅外波段在20 lp·mm-1處傳函值高于0.5，系統(tǒng)整體成像質(zhì)量良好.

2) 在-40 ℃～+60 ℃溫度范圍內(nèi)，奈奎斯特頻率為20 lp·mm-1時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)最小值大于0.4，接近衍射極限.根據(jù)像面離焦公式計(jì)算可得，該系統(tǒng)在-40 ℃、+40 ℃、+60 ℃下的像面離焦量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于系統(tǒng)焦深，說(shuō)明該紅外系統(tǒng)在這三個(gè)溫度下的成像質(zhì)量良好，無(wú)像面漂移，滿足總體設(shè)計(jì)要求.

3) 利用Matlab擬合凸輪曲線，所得曲線圓滑、平緩，沒(méi)有折點(diǎn)，設(shè)計(jì)的紅外雙波段光學(xué)系統(tǒng)能夠利用兩個(gè)波段對(duì)目標(biāo)同步跟蹤和同步檢測(cè).多波段連續(xù)變焦、高變倍比將是紅外變焦系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，其在探測(cè)森林火災(zāi)、煤田燃燒、火山爆發(fā)、晝夜戰(zhàn)場(chǎng)偵查、監(jiān)視等方面，均得到廣泛的應(yīng)用.

參 考 文 獻(xiàn)：

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(責(zé)任編輯、校對(duì)張立新)

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DOI:10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.06.002

*收稿日期：2015-12-07

基金資助：陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃項(xiàng)目(14JS034)；國(guó)家自然科學(xué)基金(61308071)

作者簡(jiǎn)介：劉鈞(1964-)，女，西安工業(yè)大學(xué)教授，主要研究方向?yàn)楣鈱W(xué)設(shè)計(jì)理論及技術(shù)、光電儀器設(shè)計(jì)和大氣激光傳輸理論.E-mail:junliu1990@163.com.

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:中圖號(hào)：TN216A

文章編號(hào)：1673-9965(2016)06-0436-10

Design of Uncooled Infrared Dual-Band Continuous-Zoom Optical System

LIUJun,LUXiqian

(School of Optoelectronic Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

Abstract:In order to fulfill the requirements of synchronous observation and coincident tracking target,and identify the information of two bands of the mid-infrared light and the long-infrared light,a large zoom ratio uncooled infrared dual-band continuous-zoom optical system is designed,using an optical system with an aperture shared by mid-infrared light and long-infrared light.The aberration corrected,by introducing the reflecting surface and non-spherical surface,and using machinery compensation mode in zooming.According to the requirements,the optical passive compensation method of matching optical materials and distributing optical power of each lens elements is used to realize an athermalized design in the temperature of -40 to +60 ℃.The image quality of infrared objective is analyzed.The result indicates that the modulation transfer function of all field of optical system is close to the diffraction limit,in two bands and different temperature.The whole system has an excellent image quality,compact structure and a stable image surface,which meet the application requirements.

Key words:infrared dual-band;continuous zoom;co-aperture;passive athermalization;depth of focus