高變倍比中波制冷型連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓 星，芮 濤，于雙雙，張 振，張晨鐘

(天津津航技術(shù)物理研究所，天津 300308)

引言

紅外系統(tǒng)具有識(shí)別偽裝能力強(qiáng)、被動(dòng)成像等優(yōu)點(diǎn)，成為機(jī)載吊艙不可或缺的光電偵查設(shè)備[1]。隨著機(jī)械加工技術(shù)、紅外探測(cè)器的快速發(fā)展，變焦光學(xué)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于紅外熱像儀、航空吊艙、無(wú)人機(jī)遙感等系統(tǒng)中。紅外連續(xù)變焦系統(tǒng)能夠在大視場(chǎng)范圍內(nèi)跟蹤和搜索目標(biāo)，在小視場(chǎng)范圍內(nèi)捕獲和觀察目標(biāo)，而且在視場(chǎng)轉(zhuǎn)換過(guò)程中能夠保持圖像的連續(xù)性，能較好地兼顧系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的捕獲、跟蹤、監(jiān)視與標(biāo)定[2]，隨著光學(xué)冷加工、精密機(jī)械加工、鍍膜技術(shù)等工藝水平的不斷進(jìn)步以及現(xiàn)代科技的發(fā)展要求，紅外變焦鏡頭向高變焦比方向發(fā)展，同時(shí)還須保持良好的成像和消熱差性能[3]。

近年來(lái)多家研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的研究，華中光電技術(shù)研究所設(shè)計(jì)了焦距13 mm～460 mm，變倍比35倍的中波連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)MTF@32 lp/mm大于0.1[1]；西安工業(yè)大學(xué)實(shí)現(xiàn)了50 mm～600 mm的中波紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)常溫下光學(xué)系統(tǒng)冷反射開(kāi)展了控制[4]；昆明物理研究所研制了焦距為25 mm～750 mm的中波紅外系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)方式上采用了三組元變焦方式，變倍形式復(fù)雜、控制難度大、結(jié)構(gòu)體積大[5]。以上多家單位的研究多集中在常溫情況下紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)上，在溫度改變時(shí)，通過(guò)查表法調(diào)整系統(tǒng)某片透鏡實(shí)現(xiàn)清晰成像，該種方法數(shù)據(jù)量大，使用過(guò)程中需要實(shí)時(shí)調(diào)整，不利于機(jī)載吊艙穩(wěn)定工作。針對(duì)該問(wèn)題，采用中波640×512(像素尺寸15 μm)制冷型焦平面陣列探測(cè)器，設(shè)計(jì)了一款高變倍比連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)焦距范圍覆蓋30 mm～500 mm，工作溫度范圍覆蓋-40℃～+60℃，變焦過(guò)程中F數(shù)恒定為4，系統(tǒng)變焦全過(guò)程具有100%冷光闌效應(yīng)。設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)全焦距、全溫度帶系統(tǒng)冷反射進(jìn)行了詳細(xì)分析，對(duì)凸輪曲線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)在全溫度帶具有較好的成像質(zhì)量和較高的工程實(shí)用性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)及變焦補(bǔ)償方式

本實(shí)例采用中波640×512、15 μm×15 μm制冷型焦平面陣列探測(cè)器，系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)Table 1 System design indices

變焦距系統(tǒng)的變焦補(bǔ)償方式主要可分為機(jī)械補(bǔ)償法和光學(xué)補(bǔ)償法。其中，光學(xué)補(bǔ)償法只能在某些點(diǎn)做到像面穩(wěn)定，在全變焦范圍內(nèi)的像面是有一定漂移的[6-8]；機(jī)械補(bǔ)償法中各透鏡組分擔(dān)職責(zé)比較明顯，整體結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單。隨著機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械補(bǔ)償系統(tǒng)中凸輪曲線的加工已不象過(guò)去那么困難，加工精度也越來(lái)越高，所以，目前此種類型變焦距物鏡得到了廣泛的應(yīng)用。機(jī)械補(bǔ)償法的具體實(shí)現(xiàn)型式具有多種方式，變倍組一般是負(fù)透鏡組，而補(bǔ)償組可以是正透鏡組也可以是負(fù)透鏡組，前者稱為正組補(bǔ)償，后者稱為負(fù)組補(bǔ)償[9]，如圖1所示。

圖1 機(jī)械補(bǔ)償法的兩種補(bǔ)償方式Fig.1 Two mechanical compensation methods

以上兩種形式中，正補(bǔ)償組更有利于縮減系統(tǒng)總長(zhǎng)、實(shí)現(xiàn)高變倍比[10-11]，因此本設(shè)計(jì)采用正組補(bǔ)償?shù)臋C(jī)械補(bǔ)償法，實(shí)現(xiàn)高變倍比的連續(xù)變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果及分析

2.1 設(shè)計(jì)結(jié)果

按照前邊的設(shè)計(jì)指標(biāo)及選擇的變焦補(bǔ)償方式，首先對(duì)連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的高斯光學(xué)進(jìn)行計(jì)算，然后依據(jù)初始解建議取值，采用經(jīng)典變焦高斯光學(xué)計(jì)算的透鏡組理想焦距及間隔[6]，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始建模。采用的公式如下：

(1)

(2)

dq2=f′3dM3

(3)

式中：f′2為變倍組焦距；f′3為補(bǔ)償組焦距；q1和q2為變倍組與補(bǔ)償組的相對(duì)移動(dòng)量；M2和M3分別為變倍組和補(bǔ)償組的倍率。

最終經(jīng)等比放大、優(yōu)化設(shè)計(jì)后，得到的光學(xué)系統(tǒng)原理如圖2所示。其中圖2(a)、2(b)、2(c)分別為系統(tǒng)短焦(f=30 mm)、中焦(f=180 mm)、長(zhǎng)焦(f=500 mm)的結(jié)構(gòu)示意圖。系統(tǒng)變焦過(guò)程中F#恒定為4，且變焦全過(guò)程具有100%冷光闌效率。為了進(jìn)一步縮短體積、有利空間布局，系統(tǒng)利用了3片反射鏡實(shí)現(xiàn)空間立體布局，如圖3所示，折疊后系統(tǒng)體積為300 mm×115 mm×105 mm。

圖2 不同焦距情況下的光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of optical system with different focal lengths

圖3 光學(xué)系統(tǒng)空間立體布局圖Fig.3 Spatial tridimensional distribution diagram of optical system

2.2 像質(zhì)評(píng)價(jià)

光學(xué)傳遞函數(shù)能夠整體衡量光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量，是光學(xué)系統(tǒng)的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，圖4(a)～4(c)分別給出了光學(xué)系統(tǒng)在短焦、中焦、長(zhǎng)焦情況下在25 lp/mm處的光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)；圖5(a)～5(c)分別給出了光學(xué)系統(tǒng)在短焦、中焦、長(zhǎng)焦情況下在33 lp/mm處光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)。

圖4(a)～4(c)及圖5(a)～5(c)表明光學(xué)系統(tǒng)0.8視場(chǎng)內(nèi)在25 lp/mm處的MTF大于0.4，在33 lp/mm處MTF大于0.25，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)成像性能滿足使用需求。

圖4 光學(xué)系統(tǒng)不同焦距下在25 lp/mm處的MTF曲線Fig.4 MTF curve of different focal lengths at 25 lp/mm

圖5 光學(xué)系統(tǒng)不同焦距下在33 lp/mm處的MTF曲線Fig.5 MTF curve of different focal lengths at 33 lp/mm

為了考察系統(tǒng)工程可實(shí)現(xiàn)性以及實(shí)際系統(tǒng)成像性能能否滿足使用需求，對(duì)系統(tǒng)開(kāi)展公差分析，系統(tǒng)在公差作用下短焦及長(zhǎng)焦在33 lp/mm處的MTF如圖6所示。

由圖6可知，公差作用下，光學(xué)系統(tǒng)MTF@33 lp/mm處大于0.13，滿足使用需求。

圖6 光學(xué)系統(tǒng)公差作用下在33 lp/mm處的MTF曲線Fig.6 MTF curve of optical system with tolerance at 33 lp/mm

2.3 溫度適應(yīng)性分析

空間立體布局的連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)一般應(yīng)用于機(jī)載吊艙平臺(tái)，平臺(tái)采用氣密抵御壓力帶來(lái)的變化，考慮其裝校測(cè)試環(huán)境，系統(tǒng)工作溫度范圍應(yīng)覆蓋-40℃～+60℃。本實(shí)例采用在一定被動(dòng)無(wú)熱化帶寬基礎(chǔ)上，進(jìn)行主動(dòng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)-40℃～+60℃的全溫度帶、全焦距范圍下的溫度補(bǔ)償。在短焦及長(zhǎng)焦時(shí)的補(bǔ)償結(jié)果如表2所示。

表2 光學(xué)系統(tǒng)不同溫度下長(zhǎng)短焦的MTF曲線Table 2 MTF curve of long focal length at different temperatures in optical system

系統(tǒng)采用最后一片透鏡的微動(dòng)實(shí)現(xiàn)-40℃～+60℃的全溫度帶、全焦距范圍下的溫度補(bǔ)償，其移動(dòng)范圍為1 mm。通過(guò)該片透鏡的微動(dòng)，實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)在不同溫度下各個(gè)焦距時(shí)成像質(zhì)量相似，擴(kuò)展了系統(tǒng)工作溫度帶，使系統(tǒng)更具工程實(shí)用性。

2.4 冷反射分析

對(duì)于連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，除了常規(guī)的計(jì)算單焦距點(diǎn)，不同溫度下的冷反射狀況，還需要提供相同溫度不同焦距下的系統(tǒng)冷反射變化趨勢(shì)。本實(shí)例基于減反射膜的剩余反射比按0.5%，成像器的NETD 50 mK的基礎(chǔ)上，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行冷反射分析。表3為全視場(chǎng)誘導(dǎo)溫度變化，表4為20%視場(chǎng)區(qū)域內(nèi)誘導(dǎo)溫度變化最大值，圖7給出了相同溫度，不同焦距下的系統(tǒng)冷反射變化趨勢(shì)。

表3 全視場(chǎng)誘導(dǎo)溫度變化(NETD)Table 3 Full FOV induced temperature variation

表4 20%視場(chǎng)區(qū)域內(nèi)誘導(dǎo)溫度變化(NETD)最大值Table 4 Maximum variation of induced temperature of per 20% FOV

圖7 光學(xué)系統(tǒng)相同溫度、不同焦距下冷反射變化曲線Fig.7 Cold reflection variation curve at same temperature and different focal lengths

由表3和表4及圖7可以看出，光學(xué)系統(tǒng)冷反射總體控制較好，但在短焦、高溫時(shí)冷反射還是較嚴(yán)重，需要進(jìn)行非均勻校正。

2.5 凸輪曲線設(shè)計(jì)

變焦距系統(tǒng)在實(shí)際使用過(guò)程中，是通過(guò)凸輪曲線來(lái)實(shí)現(xiàn)改變焦距的功能，因此變焦距系統(tǒng)設(shè)計(jì)還涉及到凸輪曲線設(shè)計(jì)。本實(shí)例的凸輪曲線設(shè)計(jì)更多的是考慮工程實(shí)現(xiàn)問(wèn)題，主要目的在于減少拐點(diǎn)、優(yōu)化凸輪升角，都是為了便于機(jī)械實(shí)現(xiàn)的目的。經(jīng)反復(fù)優(yōu)化后，本實(shí)例凸輪曲線如圖7所示。

圖8 光學(xué)系統(tǒng)凸輪曲線Fig.8 Cam curve of optical system

由圖8可以看出，光學(xué)系統(tǒng)在-1×點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了平滑換根，凸輪曲線無(wú)拐點(diǎn)，具有很強(qiáng)的工程實(shí)現(xiàn)性。

3 結(jié)論

采用機(jī)械補(bǔ)償法變焦型式，設(shè)計(jì)了一款立體布局的16.67×中波制冷型連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)焦距范圍覆蓋30 mm～500 mm，工作溫度范圍覆蓋-40℃～+60℃，變焦過(guò)程中F數(shù)恒定為4，系統(tǒng)變焦全過(guò)程具有100%冷光闌效應(yīng)。該系統(tǒng)具有變焦軌跡平滑、冷反射抑制特性優(yōu)良、成像質(zhì)量佳、環(huán)境適應(yīng)性好及工程可實(shí)現(xiàn)性等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于機(jī)載、車載等光電偵查領(lǐng)域。