大靶面制冷中波紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

劉 鈞,李西杰,徐瑞超

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

隨著現(xiàn)代軍事態(tài)勢(shì)的不斷惡化和紅外加工設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于紅外變焦系統(tǒng)的需求日益增加，要求也不斷提高，因此紅外系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究顯得尤為重要.文獻(xiàn)[1]根據(jù)變焦被動(dòng)式消熱差的方法，設(shè)計(jì)了一款焦距為30～150 mm，系統(tǒng)采用320×240 pixel焦平面陣列探測(cè)器，相對(duì)孔徑為1的大相對(duì)孔徑被動(dòng)式消熱差長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)，詳細(xì)推導(dǎo)了被動(dòng)式消熱差理論，并且驗(yàn)證理論滿足設(shè)計(jì)實(shí)際需求.文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一款寬光譜、無(wú)遮攔及高分辨率離軸反射光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)透射式及反射式系統(tǒng)的缺點(diǎn)，并且實(shí)現(xiàn)了單色局部高分辨率的優(yōu)勢(shì).文獻(xiàn)[3-6]設(shè)計(jì)一款紅外連續(xù)變焦可以有效避免系統(tǒng)在焦距的變化過(guò)程中，由于改變焦距延時(shí)而導(dǎo)致丟失快速移動(dòng)的目標(biāo)，保證圖像信息輸出的連續(xù)性和可持續(xù)性，并且具有對(duì)目標(biāo)特性進(jìn)行全天候監(jiān)控偵查的優(yōu)勢(shì).

針對(duì)常用的制冷320×240 pixel焦平面陣列探測(cè)器像元數(shù)少，分辨率低等缺陷，文中采用目前最流行的640×512 pixel制冷型探測(cè)器進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，大面陣640×512 pixel探測(cè)器與320×240 pixel面陣探測(cè)器相比，像元數(shù)有了大幅度的增加，提高了系統(tǒng)對(duì)景物的分辨本領(lǐng)，而且可以看到更多的景物細(xì)節(jié).

1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

本次設(shè)計(jì)所選取的探測(cè)器不僅在單個(gè)像元數(shù)量上有了大幅度增加，而且在對(duì)物體細(xì)節(jié)分辨能力上也有了大幅度提高.具體的設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1.

表 1 光學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)

1.2 變焦初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光學(xué)系統(tǒng)的一次成像透鏡組、二次成像透鏡組、中繼組、冷光欄和像差補(bǔ)償組系統(tǒng)組合[7]如圖1所示.其中一次成像透鏡組包括變倍透鏡組、焦距補(bǔ)償透鏡組和前固定透鏡組.為了對(duì)系統(tǒng)的高級(jí)球差和軸向色差進(jìn)一步控制，設(shè)計(jì)過(guò)程中將其光焦度分別分配為正、負(fù)、正和負(fù)，以補(bǔ)償系統(tǒng)大量的軸外像差.二次成像組和像差補(bǔ)償組用一個(gè)正光焦度透鏡組.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為了保證像面位置穩(wěn)定，兩個(gè)像面移動(dòng)的代數(shù)和為零，必須滿足以下條件：

(1)

(2)

(3)

由式(1)～(3)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

(4)

2 結(jié)果與分析

2.1 設(shè)計(jì)結(jié)果

結(jié)合變焦理論以像差變倍組的光焦度為規(guī)范值，即取光焦度Φ2=1 mm-1，根據(jù)變焦理論公式，最終得到前固定組光焦度Φ1=0.155 mm-1，像差補(bǔ)償組光焦度Φ3=0.72 mm-1，像差中繼組光焦度Φ4=1.266 mm-1，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.

表2 系統(tǒng)最終公共部分參量

系統(tǒng)總長(zhǎng)為412×25 mm，在表3中詳細(xì)給出了系統(tǒng)焦距在50～601 mm范圍內(nèi)時(shí)各組元之間的空氣間隔.其中，像差補(bǔ)償組和中繼組之間的間隔為d34，焦距變倍組和像差補(bǔ)償組之間的間隔為d23，前固定組和焦距變倍組之間的間隔為d12.圖2為該系統(tǒng)在焦距f=50 mm、f=168.501 mm、f=312.93 mm和f=601 mm處的結(jié)構(gòu)圖.

表3 不同焦距時(shí)各組元的間隔

圖2 中波紅外在不同焦距處的結(jié)構(gòu)圖

為了簡(jiǎn)化光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化平衡系統(tǒng)的殘余像差，對(duì)系統(tǒng)引入了兩個(gè)偶次非球面.兩個(gè)偶次非球面Surface 2和Surface 5的系數(shù)如下：k=0,α1=-1.63×10-6,α2=3.76×10-11,α3=2.56×1012,α4=-2.34×10-16;k=0,α1=7.03×109,α2=-8.48×10-11,α3=7.94×1012,α4=-6.53×10-12; 其中α1，α2，α3，α4為非球面系數(shù)，k為圓錐系數(shù).

2.2 變焦凸輪結(jié)構(gòu)曲線分析

在設(shè)計(jì)軟件中利用差值法均勻地取出系統(tǒng)更多的焦距采樣點(diǎn)，利用Origin軟件擬合出系統(tǒng)的焦距變倍組和像差補(bǔ)償組的相對(duì)位置關(guān)系如圖3所示.由圖3可以看出，凸輪結(jié)構(gòu)曲線過(guò)渡平滑，有效地減小了變焦變化過(guò)程中的不連續(xù)性.

2.3 像質(zhì)評(píng)價(jià)

調(diào)制傳遞函數(shù)(Modulation Transfer Function，MTF)和點(diǎn)列圖是光學(xué)系統(tǒng)唯一的像質(zhì)評(píng)價(jià)方式，評(píng)價(jià)方式如圖4所示.

圖3 焦距變倍組與像差補(bǔ)償組的變化關(guān)系曲線

系統(tǒng)傳遞函數(shù)在頻率為20 lp·mm-1時(shí)，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)值在0.4以上滿足設(shè)計(jì)要求.彌散斑的均方值最大為20 μm，在一個(gè)像元尺寸(像元尺寸為25 μm)內(nèi)，滿足紅外系統(tǒng)對(duì)分辨率的成像要求.

圖4 系統(tǒng)在各焦距處的傳遞函數(shù)圖、點(diǎn)列圖

3 冷反射分析

在制冷型紅外光學(xué)系統(tǒng)中，必須考慮冷反射現(xiàn)象(Narcissus).冷反射是從制冷出瞳發(fā)出的冷光線，被系統(tǒng)光學(xué)表面反射或者散射后又返到制冷性探測(cè)器的光線，最終產(chǎn)生的冷反射現(xiàn)象[8].冷反射不僅會(huì)影響系統(tǒng)的成像質(zhì)量和性能識(shí)別，還會(huì)對(duì)探測(cè)器造成一定的傷害[9-11].因此，為了提高光學(xué)系統(tǒng)的工作效率，對(duì)制冷性紅外光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行冷反射的抑制顯得尤為重要.表4為系統(tǒng)不同組態(tài)在每個(gè)面的冷反射值.

表4 冷反射分析結(jié)果

從表4可以看出，系統(tǒng)在1，2，3和4面短焦組態(tài)YNI和I/IBAR絕對(duì)值都小于1，因此，重點(diǎn)對(duì)這些面在全視場(chǎng)的冷反射進(jìn)行反向光線追擊，其反向光線追跡圖如圖5所示.

圖5 全視場(chǎng)反向光線追跡圖

從圖5可以看出，系統(tǒng)在短焦第2,3和4面在0視場(chǎng)光線均發(fā)散，不會(huì)到達(dá)制冷紅外焦平面上；第1面在0視場(chǎng)光線經(jīng)反射可以聚焦到焦平面上，但是冷反射光線均勻散開(kāi).對(duì)于變焦制冷紅外光學(xué)系統(tǒng)，要同時(shí)考慮同一光學(xué)表面在不同組態(tài)下的冷反射分析，由表4可以看出，第17，18和19面在所有組態(tài)YNI和I/IBAR絕對(duì)值都小于1，因此對(duì)這些面在全視場(chǎng)進(jìn)行冷反射分析，17面在不同組態(tài)的反向光線追跡圖如圖6(a)～6(d)所示，18面在不同組態(tài)的反向光線追跡圖如圖6(e)～6(h)所示，19面在不同組態(tài)的反向光線追跡圖如圖6(i)～6(l)所示.

圖6 不同組反向光線追跡圖

由以上反向光線追跡圖可知，雖然紅外光學(xué)系統(tǒng)在17，18和19面的YNI和I/IBAR的絕對(duì)值都小于1，但這些面在全視場(chǎng)產(chǎn)生的冷反射光線比較發(fā)散，冷像噪聲強(qiáng)度對(duì)系統(tǒng)的影響非常微弱.系統(tǒng)其他各面YNI和I/IBAR絕對(duì)值大于1，產(chǎn)生的冷像對(duì)系統(tǒng)的影響為零.

4 公差分析

加工裝調(diào)公差不僅會(huì)影響光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，且還會(huì)影響產(chǎn)品的適用性.文中設(shè)計(jì)使用傳遞函數(shù)值變化來(lái)評(píng)價(jià)公差敏感度.一般情況下，加工裝調(diào)公差的評(píng)價(jià)方式在最敏感情況下MTF下降量不能超過(guò)0.15，對(duì)給定的公差容限分別在不同組態(tài)下進(jìn)行多次蒙特卡洛分析，公差容限見(jiàn)表5.

表5 不同組態(tài)公差列表

經(jīng)過(guò)20次蒙特卡洛分析，大多數(shù)敏感的公差為元件表面傾斜公差，最差的使得MTF下降值約為0.003，滿足設(shè)計(jì)要求.不同組態(tài)下公差分析的MTF圖如圖7所示.

圖7 系統(tǒng)公差分析傳遞函數(shù)圖

5 結(jié) 論

1) 為了提高紅外系統(tǒng)對(duì)景物分辨本領(lǐng)和對(duì)景物場(chǎng)景細(xì)節(jié)的描述，文中設(shè)計(jì)了一款640×512 pixel大靶面制冷連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)切換視場(chǎng)可以連續(xù)快速進(jìn)行，可以防止在采集圖像信息的過(guò)程中，丟失快速移動(dòng)的目標(biāo)信息，保證圖像視頻信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)連續(xù)性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)焦距在50～601 mm范圍內(nèi)無(wú)延時(shí)連續(xù)切換，具有對(duì)所有目標(biāo)輻射特性信息進(jìn)行全天候偵查的優(yōu)勢(shì).

2) 為了減小系統(tǒng)的徑向尺寸，系統(tǒng)由一次成像結(jié)構(gòu)和二次成像結(jié)構(gòu)構(gòu)成，滿足100%冷光闌效應(yīng).使用鍺和硅兩種材料，結(jié)合非球面，保證了系統(tǒng)在奈奎斯特頻率20 lp·mm-1處傳遞函數(shù)值高于0.4，滿足成像設(shè)計(jì)要求.

3) 利用ZEMAX軟件對(duì)紅外光學(xué)系統(tǒng)每一個(gè)面在不同組態(tài)運(yùn)用反向光線追跡，并對(duì)紅外系統(tǒng)的冷反射進(jìn)行了仿真分析，冷像對(duì)像面的影響滿足成像要求.系統(tǒng)具有非常高的熱靈敏度、圖像對(duì)比度一致性均勻以及變焦凸輪曲線過(guò)渡平滑等優(yōu)勢(shì)，因此，該系統(tǒng)在野外偵查識(shí)別、空中預(yù)警等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用.

參 考 文 獻(xiàn):

[1] 費(fèi)繼揚(yáng),李林.紅外大變倍比連續(xù)變焦距系統(tǒng)光學(xué)被動(dòng)式無(wú)熱化設(shè)計(jì)[J].光學(xué)技術(shù),2017,43(1):1.

FEI Jiyang,LI Lin.Design of the Continuously Zooming Infrared Optical Passive Athermalized System[J].Optical Technique,2017,43(1):1.(in Chinese)

[2] 常軍,沈本蘭，王希，等.寬譜段、動(dòng)態(tài)局部高分辨離軸主動(dòng)反射變焦系統(tǒng)[J].光學(xué)精密工程,2016,24(1):7.

CHANG Jun,SHEN Benlan，WANG Xi，et al.Off-axis Reflective Active Zoom System with Broad Spectrum and Dynamic Local High-resolution[J].Optics and Precision Engineering,2016,24(1):7.

(in Chinese)

[3] 李巖,張葆,洪永豐.大變倍比中波紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2013,33(4):0422005-1.

LI Yan,ZHANG Bao,HONG Yongfeng.Design of Large Zoom Ratio Middle Wavelength Infrared Zoom Optical System[J].Acta Optica Sinica,2013,33(4):0422005-1.(in Chinese)

[4] 李西杰,劉鈞,陳陽(yáng).雙波段大變倍比連續(xù)共變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光子學(xué)報(bào),2016,45(10):46.

LI Xijie,LIU Jun,CHEN Yang.Design of Dual-band,High Zoom Ratio and Continuous Co-focal Optical System[J].Acta Photonica Sinica,2016,45(10):46.(in Chinese)

[5] VIZGAITIS J N,HASTINGS A R.Dual Band Infrared Picture-in-picture Systems[J].Optical Engineering,2013,52(6):061306.

[6] FANG Y C,LIN H C.Optical Design and Optimization of Zoom Optics with Diffractive Optical Element[C]//4th International Symposium on Advanced Optical Manufacturing and Testing Technologies:Advanced Optical Manufacturing Technologies.Chengdu:SPIE Proceedings,2009:72820F.

[7] 江倫,黃瑋.高變倍比變焦距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2011,31(12):1222006.

JIANG Lun,HUANG Wei.Lens Design for Optical System of High Zoom Ratio[J].Acta Optical Sinica,2011,31(12):1222006.(in Chinese)

[8] HOWARD J W,ABEL I R.Narcissus:Reflections on Retroreflections in Thermal Imaging Systems[J].Applied Optics,1982,21(18):3393.

[9] ARASA J,PIZARRO C,TOMAS N,et al.Contribution of Ghost and Narcissus Effects in MTF Calculation[J].SPIE Proceedings,1999,3737:118.

[10] 吳振森,竇玉紅.空間目標(biāo)的可見(jiàn)散射與紅外輻射[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2003,23(10):1250.

WU Zhensen,DOU Yuhong.Visible Light Scattering and Infrared Radiation of Spatial Object[J].Acta Optica,2003,23(10):1250.(in Chinese)

[11] 張良.凝視型紅外光學(xué)系統(tǒng)中的冷反射現(xiàn)象[J].紅外與激光工程,2006,35(S1):8.

ZHANG Liang.Narcissus Effect in Staring Infrared Optical System[J].Infrared and Laser Engineering,2006,35(S1):8.(in Chinese)