變F數(shù)紅外光學(xué)設(shè)計(jì)方法

王嘉晨,李江勇

(華北光電技術(shù)研究所,北京100015)

1 引 言

光學(xué)系統(tǒng)中的F數(shù)可以粗略的描述為焦距和入瞳直徑的比值,對(duì)于制冷型探測(cè)器而言可以看作是冷光闌到焦平面的距離和冷光闌直徑的比值。

紅外探測(cè)器可以分為制冷型和非制冷型,主要區(qū)別就是是否有無(wú)冷光闌。冷光闌在起到阻攔雜光輻射,只允許需要的紅外輻射進(jìn)入系統(tǒng)作用的同時(shí),為了達(dá)到優(yōu)秀的成像效果,需要光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)與探測(cè)器的F數(shù)匹配。

對(duì)于一個(gè)雙F數(shù)系統(tǒng),F數(shù)的選擇有一定的考究,在性能和設(shè)計(jì)方面有幾個(gè)需要考慮的問(wèn)題。由于F數(shù)會(huì)影響到光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì),一般選擇能使系統(tǒng)性能得到提升的F數(shù)。我們可以從信號(hào)以及探測(cè)器的分辨率,也就衍射極限光斑直徑的方面討論有關(guān)F數(shù)選取問(wèn)題。

傳統(tǒng)的制冷型紅外光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)不能改變。但是在同一個(gè)F數(shù)的情況下,如果減小系統(tǒng)焦距那么通光孔徑也會(huì)跟著減小,系統(tǒng)的收集的輻射減小,則系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度也會(huì)受影響降低。由于冷光闌的尺寸是固定不變的,所以光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)可以近似看成紅外探測(cè)器的F數(shù)即冷光闌匹配。

圖1 定F數(shù)光學(xué)系統(tǒng)

圖2 變F數(shù)光學(xué)系統(tǒng)

對(duì)于傳統(tǒng)的定F數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),雖然系統(tǒng)可以有多個(gè)視場(chǎng)但是每一個(gè)視場(chǎng)都會(huì)受限于F數(shù),每個(gè)視場(chǎng)都需要在分辨率和靈敏度之間做出選擇,這限制了光學(xué)設(shè)計(jì)者可以對(duì)不同視場(chǎng)設(shè)計(jì)出理想的光學(xué)系統(tǒng)。所以變F數(shù)的光學(xué)設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。

2 設(shè)計(jì)方法

根據(jù)F數(shù)的定義可以知道改變焦距和通光口徑的比例就可以改變系統(tǒng)的F數(shù),改變系統(tǒng)F數(shù)的前提保證系統(tǒng)的性能良好,簡(jiǎn)而言之就是獲得非常高的冷光闌匹配效率。否則,噪聲、雜散光等圖像偽影會(huì)降低系統(tǒng)的性能和成像質(zhì)量。通過(guò)冷光闌的工作原理和作用分析,如果在不改變冷光闌直徑的情況下改變F數(shù),那么將會(huì)產(chǎn)生大量系統(tǒng)不需要的輻射。所以就一定需要通過(guò)改變冷光闌直徑的方法。目前有兩種可能的實(shí)現(xiàn)方法:一個(gè)可移動(dòng)的溫闌,一個(gè)可變冷光闌。

從光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)切換的角度來(lái)考慮變F數(shù)是一個(gè)合理的方式。根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)角公式和F數(shù)的計(jì)算公式,當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)處于長(zhǎng)焦?fàn)顟B(tài)的時(shí)候系統(tǒng)為小視場(chǎng),在通光口徑不變的情況下匹配的是較大的F數(shù)。當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)處于短焦距的時(shí)候又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大視場(chǎng)。這時(shí)大視場(chǎng)匹配較小的F數(shù),但是有一個(gè)前提條件,那就是大視場(chǎng)的前光圈等于或小于小視場(chǎng)的前光圈,否者無(wú)法通過(guò)變F數(shù)來(lái)提升通光口徑的利用率。同樣可以通過(guò)改變視場(chǎng)光闌的大小位置來(lái)改變系統(tǒng)的視場(chǎng),但是無(wú)論用什么方法改變視場(chǎng),在前端光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)改變的情況下,最終都會(huì)改變探測(cè)器冷光闌的大小或者位置來(lái)保證冷光闌匹配。

2.1 可變冷光闌

如果從理論上分析,能夠保證最好系統(tǒng)性能的解決方案應(yīng)該是可變冷光闌。這種方法可以保證系統(tǒng)在對(duì)不同F(xiàn)數(shù)的時(shí)候能夠擁有100%冷光闌。實(shí)現(xiàn)這種方法可以有兩種思路一個(gè)是在杜瓦瓶空間體積內(nèi)提供多個(gè)孔徑,第二種就是安裝一個(gè)孔徑可變的冷光闌。

多孔徑法是指在杜瓦瓶的冷空間中使用兩個(gè)或多個(gè)預(yù)先定義好的孔徑,并通過(guò)某種機(jī)械或其他方法將其移動(dòng)到合適的位置。這種多孔徑方法的一個(gè)獨(dú)特特點(diǎn)是可以為每個(gè)位置使用不同形狀的孔徑。比如長(zhǎng)春光機(jī)所在2014年的時(shí)候申請(qǐng)的一項(xiàng)專利,這項(xiàng)專利設(shè)計(jì)的設(shè)備能夠改變紅外相機(jī)冷闌與成像波段。這項(xiàng)專利將紅外探測(cè)器、孔徑光闌盤與濾光片盤全部都放置于杜瓦中,通過(guò)孔徑光闌盤的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)切換冷光闌的孔徑。

圖3 可以改變紅外相機(jī)冷闌與成像波段裝置

另一種可變冷光闌的方法就是直接改變冷光闌的大小。目前使用較多的結(jié)構(gòu)是虹膜或類似虹膜的組件,它位于冷光闌內(nèi),同樣也需要制冷并維持與探測(cè)器相同的溫度。

美國(guó)設(shè)計(jì)的第三代前視紅外探測(cè)器系統(tǒng)使用的就是這種方式,直接通過(guò)改裝紅外探測(cè)器,加入一個(gè)刀片虹膜結(jié)構(gòu)來(lái)改變冷光闌的直徑,從而改變探測(cè)器的F數(shù)。

第三代前視光學(xué)系統(tǒng)擁有四個(gè)視場(chǎng)和兩個(gè)F數(shù),兩個(gè)F數(shù)分別為F/3和F/6。在此系統(tǒng)中,刀片虹膜式的調(diào)整結(jié)構(gòu)存在于紅外杜瓦內(nèi),具有小尺寸,高集成度等特點(diǎn)。

這種結(jié)構(gòu)可以保持100%的冷光闌效率,而且小視場(chǎng)中沒(méi)有加入移動(dòng)組件,直接通過(guò)改變冷光闌的直徑來(lái)改變F數(shù)。其次在虹膜組件有精密的機(jī)械結(jié)構(gòu)的條件下,系統(tǒng)可選擇的F數(shù)范圍也更大?？紤]到虹膜組件對(duì)系統(tǒng)雜散輻射的影響對(duì)構(gòu)成虹膜組件的材料和表面鍍膜也有要求。

圖4 可變冷光闌

2.2 溫 闌

除了直接對(duì)探測(cè)器的冷光闌進(jìn)行改裝,還可以使用另外一種減少雜散輻射的溫闌去代替冷光闌,溫闌的位置是在杜瓦瓶窗口的附近。想要使用溫闌必須要增強(qiáng)溫闌減少系統(tǒng)雜散輻射的效果,設(shè)計(jì)一種反射溫闌可以把杜瓦瓶?jī)?nèi)部的冷輻射反射回自身,同時(shí)阻止任何其他高溫的背景輻射到達(dá)探測(cè)器。它使探測(cè)器處于一種虛擬的低溫環(huán)境中。在消除雜散光效果上,溫闌相比冷光闌有一定的差距。為了縮短這種差距,可以對(duì)溫闌的形狀做出一定的改變,采用球面溫闌可以一定程度上解決這樣的問(wèn)題。

圖5 球面反射溫闌設(shè)計(jì)原理圖

2.3 二次成像

二次成像很早就應(yīng)用于美國(guó)第三代紅外系統(tǒng),現(xiàn)在也廣泛應(yīng)用于制冷型紅外光學(xué)設(shè)計(jì),因?yàn)樘綔y(cè)器冷光闌存在于制冷型紅外光學(xué)系統(tǒng)中,前置的紅外光學(xué)系統(tǒng)需要保持和探測(cè)器的F數(shù)一致。一般探測(cè)器的冷光闌離探測(cè)器的焦平面都很近,所以對(duì)于一些長(zhǎng)焦距系統(tǒng)來(lái)說(shuō)如果不使用二次成像的方式,會(huì)使得系統(tǒng)的整體徑向尺寸過(guò)大。這會(huì)造成系統(tǒng)的重量和體積增加,給最終系統(tǒng)的裝調(diào)和加工以及后續(xù)的使用也帶來(lái)不便。

圖6 二次成像圖

2.4 視場(chǎng)的切換

光學(xué)設(shè)計(jì)中視場(chǎng)的切換通過(guò)改變系統(tǒng)焦距來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了保證變焦的時(shí)候像面不會(huì)隨著焦距的改變而發(fā)生變化,我們可以把系統(tǒng)分為變倍組和補(bǔ)償組。變倍組是有變倍的效果的,與此同時(shí),補(bǔ)償組能夠補(bǔ)償像面漂移。通過(guò)物象交換位置來(lái)保證像面的穩(wěn)定。

圖7 物像交換位置

當(dāng)透鏡處于兩個(gè)位置的時(shí)候物像共軛距保持不變,其中出于兩個(gè)位置時(shí)的透鏡的垂軸放大率分別為為β1和β2,因此透鏡的變倍比即為:

(1)

通過(guò)將二次成像組和變焦組結(jié)合起來(lái),在保持冷光闌100%匹配的條件下改變系統(tǒng)F數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)雙視場(chǎng)變F數(shù)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。比如2019年中國(guó)電子科技集團(tuán)第十一研究所提出的一種變F數(shù)紅外熱像儀的發(fā)明專利。其在大視場(chǎng)和小視場(chǎng)下光學(xué)系統(tǒng)具有兩種F數(shù),短焦距對(duì)應(yīng)小F數(shù)具有大視場(chǎng),而與此同時(shí)長(zhǎng)焦距對(duì)應(yīng)大F數(shù)具有小視場(chǎng)。

圖8 大視場(chǎng)光路圖

圖9 小視場(chǎng)光路圖

該設(shè)計(jì)通過(guò)切入和切出視場(chǎng)鏡組來(lái)改變系統(tǒng)焦距,視場(chǎng)鏡組切出系統(tǒng)為長(zhǎng)焦出現(xiàn)小視場(chǎng),視場(chǎng)鏡組切入系統(tǒng)為短焦出現(xiàn)大視場(chǎng)。系統(tǒng)冷光闌為可變冷光闌,在前端光學(xué)系統(tǒng)因視場(chǎng)鏡組切入而改變F數(shù)時(shí),改變冷光闌大小使得系統(tǒng)保持冷光闌100%匹配。

圖10 二次成像光學(xué)系統(tǒng)

3 思路擴(kuò)展

不同于一些設(shè)計(jì)中變倍組負(fù)責(zé)改變焦距,二次成像負(fù)責(zé)將一次成像的像面成像到探測(cè)器的焦平面上?；谧兘咕嘣?我們可以賦予二次成像組變倍的功能,使其既能將前端物鏡組的像成像于焦平面,又可以通過(guò)改變二次像組的結(jié)構(gòu)或者位置來(lái)改變系統(tǒng)的焦距。

L2、L3分別為一次成像面和探測(cè)器焦平面到二次成像鏡的距離;M為二次成像組放大倍率;fR為二次成像組的焦距。

L2=fR÷M+fR

(2)

L3=(M+1)·fR

(3)

因?yàn)榍岸宋镧R鏡片沒(méi)有移動(dòng),一次成像面的位置保持不變,并且一次成像面的位置到二次成像面的距離需要保持不變。根據(jù)這些前提條件以及公式(2)、(3)可以有兩種思路來(lái)對(duì)二次成像組進(jìn)行改動(dòng)。

第一種是移動(dòng)二次成像組的位置,不改變二次成像組的結(jié)構(gòu)。因?yàn)楸３至私Y(jié)構(gòu)不變所以二次成像組的焦距不會(huì)改變,同時(shí)要保持L2與L3的和不變,所以二次成像組只能在其物象交換位置的兩點(diǎn)移動(dòng)。根據(jù)公式3得知L2和L3的相差的越多變倍比越大,因?yàn)槎纬上窠M都很靠近探測(cè)器,難以滿足過(guò)大的變倍比需求。

此外這種方式同樣可以使用溫闌來(lái)代替可變冷光闌。系統(tǒng)的總焦距為前端物鏡組的焦距和二次成像組放大倍率的乘積。當(dāng)L3大于L2時(shí),放大倍率大于1系統(tǒng)為長(zhǎng)焦距,此時(shí)溫闌離焦平面應(yīng)該較遠(yuǎn),系統(tǒng)和探測(cè)器的處于大F數(shù)狀態(tài)。當(dāng)L2大于L3時(shí),系統(tǒng)為短焦距,溫闌離焦平面較近,系統(tǒng)和探測(cè)器處于小F數(shù)狀態(tài)。需要注意的是變焦過(guò)程中鏡片和溫闌不要相撞。

第二種是改變二次成像組的結(jié)構(gòu),從而改變二次成像組的焦距。改變結(jié)構(gòu)的方式可以減少或者增加二次成像組的鏡片數(shù),或者鏡組中鏡片之間的距離。使得不同結(jié)構(gòu)的二次成像組的放大倍率不同。這種方式相比第一種可選擇的變倍比較大,因?yàn)樵谧儽侗群徒咕喽几淖兊耐瑫r(shí)要保持一次和二次成像面距離,需要的計(jì)算較多。

4 結(jié) 語(yǔ)

紅外技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于日常生活以及軍事裝備當(dāng)中,隨著人們的需求增加,以及應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜化,人們對(duì)紅外設(shè)備的要求也越來(lái)越高。

光學(xué)設(shè)計(jì)的發(fā)展過(guò)程中定焦距逐漸升級(jí)為變焦距,而多檔變焦最終也會(huì)升級(jí)為連續(xù)變焦,單波段也會(huì)變成多波段。當(dāng)前的連續(xù)變焦紅外光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)得到廣泛的研究和應(yīng)用,在此基礎(chǔ)上這對(duì)光學(xué)設(shè)計(jì)上做出進(jìn)一步的改進(jìn)。光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)是一個(gè)很重要的系統(tǒng)參數(shù),它會(huì)影響到系統(tǒng)的分辨度和靈敏度。不同波段的紅外光較合適的F數(shù)也會(huì)不同,在變F數(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合多波段光學(xué)技術(shù),最大化利用變F數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。