雙波段/雙視場全景航空相機光學系統(tǒng)設(shè)計

朱海濱+張遠健+周亮+徐志剛+朱大略

摘要：為提高航空相機識別目標能力，設(shè)計了一種應(yīng)用于全景式航空偵查相機的可見光/紅外雙視場成像光學系統(tǒng)，可見光光學系統(tǒng)焦距為200 mm/400 mm，相對孔徑為1∶8.8，視場角為9.4°×7°/4.7°×3.5°。紅外光學系統(tǒng)焦距為117 mm/234 mm，相對孔徑為1∶4，視場角為9.4°×7.5°/4.7°×3.76°。該光學系統(tǒng)利用物像交換原則采用軸向移動變倍方式，設(shè)計結(jié)果表明，光學系統(tǒng)成像質(zhì)量接近衍射極限，可以滿足實際使用需求。

關(guān)鍵詞： 雙波段； 雙視場； 航空相機； 光學設(shè)計

中圖分類號： O 435 文獻標志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2017.02.009

文章編號： 1005-5630（2017）02-0048-05

引 言

航空相機是安裝在航空器上對地面攝影的精密光學儀器，廣泛應(yīng)用在澇災(zāi)防治、城市規(guī)劃、國土測繪等領(lǐng)域。航空相機主要有畫幅式、推掃式及全景式三種。與前兩者相比，全景式航空相機利用普通視場角的物鏡通過前方的反射鏡擺掃，即能實現(xiàn)特寬視野的攝影，獲得較大的信息量。

由于目標在不同的波段會表現(xiàn)出不同的光學特征，為了增大獲得的目標信息量，提高處理判讀的準確性，多波段航空相機的應(yīng)用越來越廣泛。國外很早就開展了多波段光學系統(tǒng)的研制[1]，目前應(yīng)用較為廣泛的是具有全天候應(yīng)用能力的可見光/紅外航空相機。國內(nèi)對于可見光/紅外雙波段成像技術(shù)的研究起步較晚，研究多集中在畫幅式航空相機，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多采用卡塞格林主光學共孔徑系統(tǒng)，再利用分光鏡實現(xiàn)雙波段分光[2-4]，關(guān)于雙波段全景式航空相機的研究鮮有報道。此外，為提高航空偵查的靈活性與準確性，雙視場航空相機的需求也日益增加，它能滿足不同飛行高度對地面覆蓋范圍的需求，也可實現(xiàn)大視場搜索目標、小視場精確觀察目標。

本文設(shè)計了一種應(yīng)用于全景航空相機上的可見光/紅外雙波段雙視場成像光學系統(tǒng)。該光學系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、成本低的優(yōu)點。

1 雙視場變倍光學原理

變倍原理采用物像交換原則[5]，利用光學系統(tǒng)中一組透鏡的移動來改變整個系統(tǒng)的焦距，保證在大、小視場兩個位置成像質(zhì)量良好且像面位置保證不變。如圖1所示，對光學系統(tǒng)中任何一片透鏡或透鏡組，當其由A位置移動到B位置時，能夠保證共軛距不變而放大倍率發(fā)生變化，雙視場系統(tǒng)采用物像交換原則變倍。

2 相機光學系統(tǒng)設(shè)計

2.1 光學設(shè)計指標

主要光學設(shè)計指標如表1所示。

2.2 光學系統(tǒng)選型及布局

光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式有折射式、折反式及反射式三種[6]，關(guān)于可見光/紅外雙視場成像光學系統(tǒng)設(shè)計，國內(nèi)多數(shù)采用卡塞格林折反式光學系統(tǒng)以及全反射式光學系統(tǒng)，而這兩類系統(tǒng)只能承擔較小的視場角度，本文紅外、可見光大視場系統(tǒng)視場角度大，故不予考慮。折射式光學系統(tǒng)具有視場角度大、成像質(zhì)量高的優(yōu)點[7]，故本文采用折射式光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式，適當采用平面反射鏡折轉(zhuǎn)光路便于小型化。

光學系統(tǒng)變倍方式有軸向移動式及切入切出式，由于切入切出變倍方式需要占用較大結(jié)構(gòu)空間，故采用軸向移動變倍方式。制冷紅外探測器的冷光闌是為了消除視場外的雜散光干擾而設(shè)置的，光學設(shè)計時必須考慮出瞳與冷光闌的匹配，保證實現(xiàn)100%冷光闌效率，實現(xiàn)方式是直接把冷光闌作為光學系統(tǒng)的孔徑光闌或者設(shè)計時把出瞳放置在冷光闌上，并保證大小與冷光闌一致。另外為避免長焦時光學零件口徑過大，采用二次成像[8-9]的方式壓縮了光學零件口徑，同時在一次像面處設(shè)置視場光闌抑制雜散光。

相對于應(yīng)用兩塊地物掃描鏡的兩個獨立的紅外/可見光雙視場光學系統(tǒng)，本文這種集成方式可實現(xiàn)更高的電控精度且成本低。另外若采用紅外、可見光系統(tǒng)共用一片大尺寸地物反射鏡而不需分光的方式，由于本文長焦焦距較長，會造成地物反射鏡尺寸太大，考慮工藝及成本，最終選擇如圖2所示的光學系統(tǒng)布局。通過地物掃描鏡和分光鏡把紅外、可見光系統(tǒng)集成到一起，由于紅外材料與可見光材料相比，光吸收損耗大且成本高，故分光鏡采用可見光透射、紅外反射的分光方案，紅外系統(tǒng)采用移動一片單透鏡實現(xiàn)變倍，可見光系統(tǒng)采用移動一組雙膠合透鏡實現(xiàn)變倍。

2.3 光學系統(tǒng)優(yōu)化方案

利用高斯光學理論合理分配光焦度，計算好初始結(jié)構(gòu)后，利用光學設(shè)計軟件Zemax設(shè)定邊界條件后對初始結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，為使光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，紅外系統(tǒng)及可見光系統(tǒng)均采用“正負正”的光焦度結(jié)構(gòu)形式，即前固定組及后固定組為正透鏡組，變倍組為負透鏡組。在系統(tǒng)光路中，為縮小體積，紅外系統(tǒng)采用三片反射鏡折轉(zhuǎn)光路，可見光系統(tǒng)采用二片反射鏡折轉(zhuǎn)光路。

為便于軸外像差校正，大、小視場切換時孔徑光闌的大小不發(fā)生變化及兼顧光學系統(tǒng)前部、后部尺寸，把紅外系統(tǒng)及可見光系統(tǒng)的孔徑光闌置于光路中部附近、后固定組之前。采用彎曲孔徑光闌位置附近的透鏡來校正軸上像差，同時光線入射角大的透鏡表面使其彎向光闌，以減少高級像差。為了減少紅外系統(tǒng)透鏡數(shù)量，從而提高透過率，獲得滿意的成像質(zhì)量，紅外系統(tǒng)在透鏡2的后表面、透鏡3的前表面及透鏡4的后表面引入3個高次非球面，用以平衡軸上球差及場曲。

為了保證材料供貨渠道，紅外系統(tǒng)的透鏡材料選用常用的單晶鍺、硅及硒化鋅，可見光系統(tǒng)的透鏡材料均選自成都光明生產(chǎn)的頻次高、性能優(yōu)良的材料。

2.4 像質(zhì)評價[10]

傳遞函數(shù)是最客觀、最全面的光學系統(tǒng)性能評價手段，根據(jù)指標中紅外器件及可見光器件的像元尺寸，計算出紅外系統(tǒng)及可見光系統(tǒng)的奈奎斯特頻率分別為33 lp/mm和78 lp/mm。圖3、圖4分別給出了33 lp/mm下紅外光學系統(tǒng)大、小視場的調(diào)制傳遞函數(shù)圖，圖5、圖6分別給出了78 lp/mm下可見光光學系統(tǒng)大、小視場的調(diào)制傳遞函數(shù)圖，最上面的實線是系統(tǒng)的衍射極限，由圖可知系統(tǒng)成像質(zhì)量良好，設(shè)計結(jié)果接近衍射極限。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種應(yīng)用于全景航空偵查相機的可見光/紅外雙視場成像光學系統(tǒng)，給出了詳細的光學設(shè)計指標，對設(shè)計的光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式進行了分析，最后通過地物掃描鏡、分光鏡把可見光、紅外雙視場光學系統(tǒng)集成到一起。設(shè)計結(jié)果表明，光學系統(tǒng)成像質(zhì)量接近衍射極限，可以滿足工程實際使用需求。

參考文獻：

[1] HE F Y，CUI J C，F(xiàn)ENG S L，et al.Narcissus analysis for cooled staring IR system[C]∥Proceedings of the SPIE 6722，3rd international symposium on advanced optical manufacturing and testing technologies：advanced optical manufacturing technologies.Chengdu：SPIE，2007.

[2] 湯天瑾，李巖.紅外相機共孔徑雙波段成像光學系統(tǒng)[J].應(yīng)用光學，2015，36（4）：513518.

[3] 王平，張國玉，高玉軍，等.可見與紅外雙波段航空偵察相機光機設(shè)計[J].機械工程學報，2012，48（14）：1116.

[4] 白瑜，廖志遠，廖勝，等.共孔徑消熱差紅外雙波段光學系統(tǒng)[J].光學 精密工程，2016，24（2）：268277.

[5] 林昭珩，唐勇，董萍，等.槍瞄鏡可變倍組件的光學系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量與儀器學報，2008，22（S1）：207211.

[6] 田鐵印，王紅，谷鳳安，等.三線陣立體測繪相機光學系統(tǒng)設(shè)計[J].光學 精密工程，2009，17（11）：26922698.

[7] POLLICA N J，ALEXAY C C.Wide-angle catadioptric optics for broadband applications[C]∥Proceedings of the SPIE 8704，infrared technology and applications XXXIX.Baltimore，Maryland：SPIE，2013.

[8] 張華衛(wèi)，張金旺，劉秀軍，等.大相對孔徑制冷型紅外相機鏡頭的光學設(shè)計[J].紅外技術(shù)，2015，37（2）：124129.

[9] 高金紅，付躍剛，劉智穎，等.30×制冷型中波消熱差紅外變焦光學系統(tǒng)設(shè)計[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2013，28（2）：1317.

[10] 許蕾.數(shù)字型航空相機的光學系統(tǒng)設(shè)計和像質(zhì)評估[J].光學儀器，2009，31（4）：3033.

（編輯：劉鐵英）