雙波段共口徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

高　明，楊芝艷，呂　宏，李西杰

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

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雙波段共口徑共變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

高明，楊芝艷，呂宏，李西杰

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

為了實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)、紅外兩個(gè)波段同時(shí)觀測(cè)、跟蹤及測(cè)量的目的，設(shè)計(jì)了一款可見(jiàn)/中紅外雙波段連續(xù)共變焦光學(xué)系統(tǒng).系統(tǒng)采用共口徑方式同時(shí)接收可見(jiàn)、紅外兩個(gè)波段的光波.利用直接變倍比差補(bǔ)償法對(duì)兩個(gè)波段的變倍比差進(jìn)行補(bǔ)償，使可見(jiàn)、紅外兩個(gè)波段變倍比相同且在任一變焦位置焦距相等，滿足雙波段共口徑共光路共變焦的要求.設(shè)計(jì)結(jié)果表明：系統(tǒng)變倍比為12×，焦距范圍7～86 mm.常溫下，可見(jiàn)光工作波段為0.38～0.76 μm，其調(diào)制傳遞函數(shù)值在空間頻率80 lp·mm-1處達(dá)到0.5以上；中波紅外工作波段為3 ～5 μm，其調(diào)制傳遞函數(shù)值在空間頻率為20 lp·mm-1處達(dá)到0.6以上.總體積小于392 mm×58 mm，成像質(zhì)量滿足設(shè)計(jì)要求.

雙波段；共口徑；共變焦；變倍比差補(bǔ)償

隨著社會(huì)需求的快速發(fā)展以及應(yīng)用環(huán)境的日趨復(fù)雜，單一波段變焦系統(tǒng)已不能滿足現(xiàn)代信息獲取多元化、便捷化和實(shí)時(shí)化的要求.將多波段與連續(xù)變焦融合在一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行偵查跟蹤已經(jīng)成為當(dāng)今科學(xué)研究的前沿?zé)狳c(diǎn)[1-3].文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一款軍用11.7×中波、長(zhǎng)波紅外連續(xù)變焦系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用折、反混合光路，用紅外雙色焦平面陣列作為探測(cè)器，同時(shí)接收兩個(gè)波段的光束.文獻(xiàn)[5]針對(duì)可見(jiàn)、紅外雙波段變焦系統(tǒng)體積過(guò)大的問(wèn)題，采用折疊光路的形式對(duì)一款軍用雙波段相機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，在一定程度上減小了系統(tǒng)體積.文獻(xiàn)[6]采用攝遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了焦距200 mm,F數(shù)2.8，3～5 μm和8～12 μm寬光譜的制冷型紅外雙波段共光路光學(xué)系統(tǒng).該系統(tǒng)通過(guò)采用二次成像設(shè)計(jì)，并加入了衍射面和非球面，達(dá)到較好的設(shè)計(jì)效果.但是采用透射式光路將可見(jiàn)、紅外兩個(gè)波段的光融合在一個(gè)通道中，并能實(shí)現(xiàn)兩者同時(shí)、連續(xù)變焦的光學(xué)系統(tǒng)的研究較少.

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于雙波段甚至多波段的光學(xué)系統(tǒng)研究較多，這類(lèi)系統(tǒng)通常為雙通道或多通道，對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行分開(kāi)獨(dú)立設(shè)計(jì)然后再組合成一個(gè)多波段系統(tǒng)[7-9].這就導(dǎo)致系統(tǒng)體積龐大，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，無(wú)法滿足偵查、跟蹤設(shè)備輕型化和小型化的要求[10-11].

針對(duì)上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一款可見(jiàn)/中紅外雙波段連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)可在同一光路中實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)、中紅外雙波段同步連續(xù)變焦，與現(xiàn)有的獨(dú)立多通道系統(tǒng)相比體積較小.通過(guò)對(duì)紅外和可見(jiàn)變倍比差的補(bǔ)償，使兩個(gè)波段在任意同一變焦位置的焦距相等，實(shí)現(xiàn)了可見(jiàn)、紅外雙波段共口徑共光路共變焦.

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

1.1.1變焦原理

變焦系統(tǒng)基本原理是利用系統(tǒng)中2個(gè)或2個(gè)以上透鏡組的移動(dòng)來(lái)改變系統(tǒng)組合焦距，同時(shí)保證系統(tǒng)像面位置不動(dòng)，且在變焦過(guò)程中像質(zhì)始終保持良好.正組補(bǔ)償變焦系統(tǒng)如圖1所示，φ1，φ2，φ3和φ4分別為前固定組、變倍組、補(bǔ)償組和后固定組.短焦位置時(shí)，變倍組φ2緊靠前固定組φ1，而補(bǔ)償組φ3緊靠后固定組φ4；當(dāng)系統(tǒng)向長(zhǎng)焦位置運(yùn)動(dòng)時(shí)，變倍組φ2向右運(yùn)動(dòng)，而補(bǔ)償組φ3向左運(yùn)動(dòng)，最后它們?cè)谥虚g靠攏，變倍組和補(bǔ)償組之間的間距最短.

圖1　變焦系統(tǒng)原理圖

1.1.2變倍比差補(bǔ)償方法及原理

根據(jù)變焦理論，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)組份變焦系統(tǒng)的變焦比Γ、焦距f和相應(yīng)的像面位移量Δ的表達(dá)式為

(1)

(2)

(3)

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)前變焦位置處變倍組的放大率;β3為當(dāng)前變焦位置處補(bǔ)償組的放大率;q2為變倍組沿光軸移動(dòng)量;q3為補(bǔ)償組沿光軸移動(dòng)量.

由于波長(zhǎng)的差異，兩個(gè)波段的變倍組、補(bǔ)償組焦距會(huì)存在差異，從而導(dǎo)致不同波段變倍組、補(bǔ)償組的放大率不同.結(jié)合式(1)和式(2)可知，放大率的不同將導(dǎo)致兩個(gè)波段在同一變焦位置處變倍比和焦距存在差異.由式(3)可知，當(dāng)可見(jiàn)光滿足像面穩(wěn)定時(shí)，紅外波段無(wú)法滿足Δ=0，紅外存在像面移動(dòng).

直接補(bǔ)償是近似的加和補(bǔ)償，可以把它看成一個(gè)由三個(gè)運(yùn)動(dòng)組份組成的聯(lián)動(dòng)型變焦系統(tǒng).其變焦理論公式[12-13]為

(4)

(5)

(6)

式中：β4L為長(zhǎng)焦處變倍比差補(bǔ)償組的放大率；β4為當(dāng)前變焦位置處變倍比差補(bǔ)償組的放大率;q4為變倍比差補(bǔ)償組的位移量.

為了實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)、中波紅外在同一變焦位置處的焦距及變倍比相等，同時(shí)補(bǔ)償紅外光的像面移動(dòng)，應(yīng)滿足以下表達(dá)式

(7)

(8)

式中：帶有下標(biāo)V(Visible)的為可見(jiàn)光參量；帶有下標(biāo)I(Infrared)的為中紅外參量.滿足式(7)和式(8)，可見(jiàn)兩組元變焦方式的變焦比與補(bǔ)償后的紅外三組元變焦方式的變焦比相等且紅外滿足像面穩(wěn)定.

1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1.根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)分別選擇探測(cè)器，可見(jiàn)光探測(cè)器為(1/4)″ 電荷耦合元件(Charge-Coupled Device,CCD)，像元尺寸為6.5 μm×6.5 μm；中紅外波段探測(cè)器為(1/4)″ 非制冷焦平面陣列，像元尺寸為25 μm×25 μm.

表1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.1　System optical specifications

1.3初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析

1.3.1變焦系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由動(dòng)態(tài)光學(xué)理論可知，對(duì)于一個(gè)二組元的穩(wěn)像系統(tǒng)，考慮到變倍組和補(bǔ)償組均為沿光軸的一維運(yùn)動(dòng)，同時(shí)變倍組為線性運(yùn)動(dòng)，變倍組沿光軸移動(dòng)量q2與補(bǔ)償組沿光軸移動(dòng)量q3的運(yùn)動(dòng)關(guān)系為

(9)

(10)

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

表3　初始結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.3　Initial structural parameters

1.3.2變倍比差補(bǔ)償

對(duì)初始結(jié)構(gòu)的前固定組、變倍組、補(bǔ)償組進(jìn)行換材料，使可見(jiàn)、中紅外兩個(gè)波段的光都可以透過(guò).通過(guò)優(yōu)化后發(fā)現(xiàn)可見(jiàn)光、紅外的焦距和變倍比有明顯差異，兩個(gè)波段在各變焦位置處的焦距及變倍比見(jiàn)表4.由表4可以看出，在同一焦距位置處，可見(jiàn)、紅外的焦距和變倍比存在較大差異，在長(zhǎng)焦處焦距差值可達(dá)9.1 mm，變倍比差為2.667×.

表4　可見(jiàn)/紅外焦距、變倍比數(shù)據(jù)Tab.4　Focal length and zoom ratio of visible and mid-infrared light

對(duì)變倍比較小的紅外光路進(jìn)行變倍比差補(bǔ)償，由直接變倍比差補(bǔ)償原理可知，可在紅外光路后固定組再增加一個(gè)變倍比差補(bǔ)償組，此變倍比差補(bǔ)償組的變倍比差約為2.667×.計(jì)算并優(yōu)化后，得到變倍比差補(bǔ)償組的焦距為2 671.17 mm，具體各焦長(zhǎng)處變倍比差補(bǔ)償組的位移量見(jiàn)表5.增加的變倍比差補(bǔ)償組與公共部分的變倍、補(bǔ)償組一起運(yùn)動(dòng)，完成紅外光路的變倍補(bǔ)償，使系統(tǒng)紅外光路和可見(jiàn)光路變倍比相同，兩個(gè)波段共變焦.

表5　變倍比差補(bǔ)償組透鏡移動(dòng)量Tab.5　Motion quantity of compensation group

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

2.1光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果

最終設(shè)計(jì)得到的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.A為公共變倍組，B為分光棱鏡，C和D為紅外后組，E為可見(jiàn)后固定組.公共變焦組A包括前固定組A1、變倍組A2以及補(bǔ)償組A3，可見(jiàn)和紅外兩個(gè)波段的光同時(shí)通過(guò)公共變倍組，到達(dá)分光棱鏡B，通過(guò)鍍膜使可見(jiàn)光透射，紅外反射，將兩個(gè)波段的光分開(kāi)；紅

外后組中，C為變倍比差補(bǔ)償組，通過(guò)變倍比差補(bǔ)償組C的移動(dòng)來(lái)補(bǔ)償紅外與可見(jiàn)的變倍比差，D為紅外后固定組，D和E分別用來(lái)校正紅外、可見(jiàn)光的像差，并將光線匯聚在各自的探測(cè)器上.該光學(xué)系統(tǒng)共使用15片透鏡，其中公共變焦組由7片透鏡組成；紅外后組使用了3片透鏡，可見(jiàn)后固定組5片透鏡，系統(tǒng)的視場(chǎng)光闌位于分光棱鏡前方.可見(jiàn)光路總長(zhǎng)391.98 mm，紅外光路總長(zhǎng)339.59 mm.

圖2　光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2像質(zhì)評(píng)價(jià)

2.2.1可見(jiàn)波段像質(zhì)評(píng)價(jià)

可見(jiàn)光在不同焦距位置處的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線、點(diǎn)列圖如圖3～4所示.由圖3可以看出，在80 lp·mm-1空間頻率下，系統(tǒng)各焦距處傳函值都大于0.5，接近衍射極限.由圖4可以看出，在各焦距位置可見(jiàn)光彌散斑的均方值都小于5 μm，成像質(zhì)量良好.

圖3　系統(tǒng)可見(jiàn)光調(diào)制傳遞函數(shù)圖

2.2.2中紅外波段像質(zhì)評(píng)價(jià)

中紅外光路在不同焦距位置處的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線、點(diǎn)列圖如圖5～6所示.由圖5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0.6以上；由圖6可知，在各個(gè)焦距位置紅外光彌散斑的均方值最大為10 μm，在一個(gè)像元尺寸(像元尺寸為25 μm) 內(nèi)，像質(zhì)較好.

2.3能量分布

可見(jiàn)光波段各焦距位置處窄視場(chǎng)、中間視場(chǎng)和寬視場(chǎng)的能量分布曲線如圖7所示.由圖7可看出，不同焦點(diǎn)位置的全視場(chǎng)能量85% 集中在探測(cè)器的一個(gè)面元內(nèi).中紅外波段的能量分布曲線如圖8所示.由圖8可看出，不同焦點(diǎn)位置的全視場(chǎng)能量80% 集中在探測(cè)器的一個(gè)面元內(nèi).因此，該變焦系統(tǒng)具有較好的能量集中度.

2.4變倍比差補(bǔ)償結(jié)果

經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后，各焦距位置處變倍比差補(bǔ)償結(jié)果見(jiàn)表6，從表6的數(shù)據(jù)可以看出，可見(jiàn)、紅外兩個(gè)波段在各個(gè)變焦位置處焦距值幾乎相等，兩波段變倍比相同.

圖4　系統(tǒng)可見(jiàn)光點(diǎn)列圖

圖5　中紅外波段調(diào)制傳遞函數(shù)圖

圖6　中紅外波段點(diǎn)列圖

圖7　可見(jiàn)光波段能量分布圖

圖8　中紅外波段能量分布圖

對(duì)比參數(shù)短焦/mm次短焦/mm中焦/mm長(zhǎng)焦/mm變倍比可見(jiàn)7.000029.380049.930286.000012×紅外7.000329.379749.930085.999912×焦距差-0.0003-0.00020.00020.0001—

為了驗(yàn)證整個(gè)變焦范圍各焦距位置處補(bǔ)償結(jié)果，圖9(a)給出兩個(gè)波段在變焦范圍內(nèi)各焦距位置處焦距差值擬合曲線.圖9(a)中橫坐標(biāo)為變倍組移動(dòng)量q1，縱坐標(biāo)為同一位置處可見(jiàn)、紅外焦距差值Δf.由圖9(a)可以看出，在整個(gè)變焦范圍內(nèi)，可見(jiàn)、紅外兩個(gè)波段在相同焦距位置處的焦距差值不超過(guò)0.000 3 mm.圖9(b)所示為補(bǔ)償后的紅外、可見(jiàn)兩個(gè)波段變焦曲線顯示在同一坐標(biāo)下的結(jié)果，其中虛線所示為可見(jiàn)變焦曲線，實(shí)線所示為補(bǔ)償后的中紅外變焦曲線.由圖9(b)可以看出，兩個(gè)波段變焦曲線幾乎完全重合，即兩個(gè)波段共變焦.

2.5系統(tǒng)凸輪曲線擬合

通過(guò)ZEMAX光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中的多重結(jié)構(gòu)，找到系統(tǒng)在變焦范圍內(nèi)成像質(zhì)量良好的多個(gè)焦距位置處變倍組、補(bǔ)償組的相對(duì)位置關(guān)系，利用Origin軟件擬合出系統(tǒng)變焦凸輪曲線，如圖10所示.由圖10可以看出，變倍組和補(bǔ)償組的變焦曲線q1和q2平滑連續(xù)，變焦行程分別為153 mm和47 mm.變倍比差補(bǔ)償組凸輪曲線如圖11所示，圖11中橫坐標(biāo)為系統(tǒng)焦距，縱坐標(biāo)為變倍比差補(bǔ)償組相對(duì)于中紅外后組的位置.變倍比差補(bǔ)償組沿圖11所示的曲線運(yùn)動(dòng)，對(duì)中紅外與可見(jiàn)的變倍比差進(jìn)行補(bǔ)償，使兩個(gè)波段在任意變焦位置處焦距相同.

圖9　可見(jiàn)/紅外變焦結(jié)果對(duì)比圖

圖10　變焦系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)軌跡

圖11　變倍比差補(bǔ)償組運(yùn)動(dòng)軌跡

3　結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一款可見(jiàn)/紅外雙波段變焦系統(tǒng)，變焦比為12×，焦距范圍7～86 mm.系統(tǒng)總體積小于392 mm×58 mm，成像質(zhì)量良好.

1) 可見(jiàn)光在奈奎斯特頻率80 lp·mm-1處傳函值高于0.5；中波紅外在奎斯特頻率20 lp·mm-1處傳函值高于0.6，系統(tǒng)整體成像質(zhì)量良好.

2) 系統(tǒng)在其變焦范圍內(nèi)任意焦距位置處，可見(jiàn)、紅外的焦距差值不超過(guò)0.000 3 mm,變倍比相同.分別對(duì)兩個(gè)波段的變焦曲線進(jìn)行擬合，得到的兩個(gè)變焦曲線基本重合，滿足雙波段連續(xù)共變焦的要求.

3) 在常溫下對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行凸輪曲線擬合，得到的擬合曲線平滑，無(wú)拐點(diǎn).該系統(tǒng)體積較小，結(jié)構(gòu)緊湊，且兼具多波段和連續(xù)共變焦的優(yōu)點(diǎn)，在未來(lái)的偵查和觀測(cè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景.

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(in Chinese)

(責(zé)任編輯、校對(duì)潘秋岑)

Design of Dual-Band Optical System with Shared-Aperture and Common-Zoom

GAOMing,YANGZhiyan，LYUHong，LIXijie

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

In order to identify the both visible and mid-infrared light signals,and achieve the application requirements of synchronous observation and coincident tracking target,a visible/mid-infrared,dual-bandand co-zoom system is designed.The two band information is all received by the same aperture.A method has been used to compensate the focal length and zoom ratio differences between the visible and mid-infrared light.The focal length and zoom ratio of the two bands at any zoom location are similar with the method to meet the requirement of share aperture,common optical path and common-zoom.The design result shows that the zoom ratio is 12×and the focal length range is 7～86 mm.In the normal temperature,the modulation transfer function of visible light band of 0.38～0.76 μm and mid-infrared light band of 3 ～5 μm is greater than 0.5 and 0.6,at the Nyquist frequency of 80 lp·mm-1and 20 lp·mm-1respectively.The volume of the optical system is less than 392 mm×58 mm.The imaging quality meets the requirement.

dual-band;shared aperture;common zoom;zoom ratio compensation

10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.08.001

2015-12-25

陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室計(jì)劃項(xiàng)目(14JS034)；陜西省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(14JK1350)

高明(1964-)，男，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)、光電精密測(cè)試技術(shù)、光大氣傳輸理論及技術(shù).E-mail:13629297901@163.com.

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A

1673-9965(2016)08-0603-09