便攜式多波段共孔徑光學(xué)設(shè)計

劉秋佐,曹景華,楊加強(qiáng),馮位欣

(中國電子科技集團(tuán)第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

在傳統(tǒng)的多波段非制冷便攜式熱像儀中,可見光成像和紅外成像等不同波段的光學(xué)系統(tǒng)分別采用各自的光學(xué)系統(tǒng)單獨成像。系統(tǒng)具有集成度低、尺寸大、重量重、光學(xué)有效口徑難以做大等諸多缺陷[1-2]。鑒于目前紅外技術(shù)的快速發(fā)展以及手持熱像儀競爭的日趨激烈,多鏡頭分孔徑集成的方式難以滿足越來越高的體積、重量、口徑等指標(biāo)需求。多波段共孔徑集成必將是下一代非制冷便攜式熱像儀的一個研究重點[3-4]。

共孔徑集成是指將不同波段的光線通過同一個物鏡,再利用分光鏡或分光棱鏡將不同波段的光線分開,經(jīng)各自的矯正光路后,最終成像于不同探測器。該種方式具有無視場遮攔,重量輕、有效口徑大等優(yōu)點,具有很強(qiáng)的市場競爭力[5]。

本文設(shè)計目的在于提供一種小型化緊湊型多波段共孔徑光學(xué)系統(tǒng),該光學(xué)系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)多波段分孔徑集成光學(xué)系統(tǒng)集成度低、尺寸大、重量重、光學(xué)有效口徑難以做大等缺陷,針對多波段非制冷成像系統(tǒng)在軍用和民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景,需要發(fā)明結(jié)構(gòu)型式簡單、高集成度、低成本、高性能的光學(xué)系統(tǒng),以增強(qiáng)多波段非制成像系統(tǒng)的市場競爭力。

2 光學(xué)設(shè)計

2.1 技術(shù)指標(biāo)

系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)要求Tab.1 Requirements of optical system design parameters

2.2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

光學(xué)系統(tǒng)一般分為折射和反射系統(tǒng)。反射系統(tǒng)基于鏡面反射的原理工作,具有重量輕,無色差的優(yōu)點,同時有利于減小筒長,使結(jié)構(gòu)更加緊湊。當(dāng)用相同熱膨脹系數(shù)的鏡面和鏡筒進(jìn)行組合,能夠有效的消除環(huán)境溫度變化帶來的影響。但因為入射和反射光線位于鏡片同側(cè),同軸反射式系統(tǒng)存在遮攔中心的問題,且隨著視場增大,軸外像差會難于矯正,且中心遮攔也會明顯增大,光學(xué)傳遞函數(shù)會迅速下降,因此一般適用于視場角較小的系統(tǒng)。離軸反射式系統(tǒng)存在加工難,價格高,裝調(diào)難等問題[6-7],也不適用與本系統(tǒng)。所以選擇折射式系統(tǒng)為初始結(jié)構(gòu)。

為了實現(xiàn)該設(shè)計效果,需要光焦度(φ)和色差系數(shù)(ω)滿足下述兩個方程:

1)光焦度方程

(1)

2)消色差方程

(2)

式中,h1是近軸光線在系統(tǒng)第一片鏡片的入射高度,hi是近軸光線在系統(tǒng)第i片鏡片的入射高度,如果透鏡組為密接型,忽略鏡片厚度引起的相鄰鏡片h1間高度差異,則近似認(rèn)為h1=hi,φi和ωi分別為第鏡片組的光焦度和消色差系數(shù)。

根據(jù)上述理論,采用光學(xué)設(shè)計軟件CODEV進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。首先根據(jù)設(shè)計參數(shù)選擇初始結(jié)構(gòu),確定光學(xué)結(jié)構(gòu)型式和外形尺寸,并在此基礎(chǔ)上建立約束條件和進(jìn)行優(yōu)化,直至最終成像質(zhì)量和各項指標(biāo)滿足要求。最后對系統(tǒng)公差進(jìn)行分析。最終設(shè)計結(jié)果如圖1所示。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical system structure

共孔徑物鏡的選擇從增大視場和矯正像差兩個方面考慮[8],保證系統(tǒng)視場角滿足指標(biāo)要求且在486～656 nm和8000～12000 nm具有較高的透過率,因此選擇具有負(fù)光焦度的ZNS材料?？梢姽夂图t外光路的光闌分別設(shè)置在各自光路第一片透鏡的前面,既可以平衡軸外像差,又可以有效限制后面透鏡的尺寸；同時紅外光路引入非球面降低系統(tǒng)單色像差,從而減少透鏡數(shù)量,引入衍射面,校正系統(tǒng)的色差和熱差。

可見光光路中引入樹脂材料,利用樹脂材料易于單點金剛石車削加工的優(yōu)點,在該材料上設(shè)置非球面,達(dá)到校正像差,減少鏡片數(shù)量的效果。同時系統(tǒng)中加入具有負(fù)光焦度的雙膠合透鏡,校正系統(tǒng)色差。

2.3 設(shè)計結(jié)果

光學(xué)系統(tǒng)的最終設(shè)計光路如圖1所示,整個光學(xué)系統(tǒng)尺寸約為160 mm×100 mm×50 mm。光學(xué)傳遞函數(shù)MTF是反應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)綜合性能的重要指標(biāo),該系統(tǒng)的可見光光路MTF如圖2所示,從圖中可以看出,該系統(tǒng)MTF在50 lp/mm時軸上大于0.5,軸外大于0.3,能夠保證系統(tǒng)成像清晰。紅外光路MTF如圖3所示,從圖中可以看出,該系統(tǒng)MTF在30 lp/mm時軸上大于0.5,軸外大于0.3,能夠保證系統(tǒng)成像清晰。

圖2 可見光MTFFig.2 Visible light MTF

圖3 紅外MTFFig.3 Infrared MTF

大視場光學(xué)系統(tǒng)的畸變是反應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)性能的重要指標(biāo),圖4給出了可見光光路的場曲和畸變曲線,從圖4中可以看出,該系統(tǒng)的畸變小于3 %,能夠保證圖像不失真；圖5給出了紅外光路的場曲和畸變曲線,從圖5中可以看出,該系統(tǒng)的畸變小于5 %,能夠保證圖像不失真。

圖4 可見光畸變Fig.4 Visible light distortion

圖5 紅外畸變Fig.5 Infrared distortion

3 公差分析

為使本設(shè)計方案滿足實際加工、生產(chǎn)的需求,對該系統(tǒng)進(jìn)行公差分析?？梢姽夤饴返墓罘峙淙绫?所示,紅外光路的公差分配如表3所示,公差是加工和裝調(diào)過程中,較為成熟和容易達(dá)到的精度。最終可見光光路公差分析和紅外光路公差分析結(jié)果如圖6、圖7所示?？梢姽夤鈱W(xué)傳遞函數(shù)值的空間頻率在50 lp/mm有97.7 %的概率在0.3350以上；紅外光路光學(xué)傳遞函數(shù)值的空間頻率30 lp/mm有97.7 %的概率在0.5350以上。結(jié)果表明,系統(tǒng)成像質(zhì)量良好。

圖6 可見光光路公差Fig.6 Visible light path tolerance

圖7 紅外光路公差Fig.7 Infrared optical path tolerance

表2 可見光光路公差Tab.2 Tolerance of visible light path

表3 紅外光路公差Tab.3 Infrared optical path tolerance

4 實驗驗證

實際完成裝調(diào)的樣機(jī)實物如圖8所示,將該成像系統(tǒng)對遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行拍攝,獲得的可見光圖像和熱輻射圖像如圖9所示。該成像系統(tǒng)對近距離目標(biāo)進(jìn)行拍攝,獲得的可見光圖像和熱輻射圖像如圖10所示,從圖中可以看出,系統(tǒng)成像質(zhì)量良好。并且由于共孔徑系統(tǒng)的優(yōu)勢,可見光和紅外的圖像不需要再做配準(zhǔn)就可以進(jìn)行圖像融合。

圖8 實物圖Fig.8 Physical image

圖9 近距離圖像Fig.9 Close-up image

圖10 遠(yuǎn)距離圖像Fig.10 Long-distance image

5 結(jié) 論

本文介紹了一種非制冷便攜式可見光/長波紅外雙光系統(tǒng),該系統(tǒng)采用共孔徑設(shè)計,克服了寬波段和大視場的設(shè)計難度,實現(xiàn)了雙波段寬視場的高清晰成像設(shè)計；同時通過對公差的合理分配和設(shè)計,保證了系統(tǒng)的良品率。該系統(tǒng)整體尺寸為160 mm×100 mm×50 mm,具備尺寸小、多波段、低成本、集成度高等優(yōu)勢。后續(xù)設(shè)計改進(jìn)主要針對系統(tǒng)成像中出現(xiàn)雜散光和鬼像進(jìn)行分析,使成像更加清楚。