中波紅外連續變焦系統設計

楊為錦,孫 強

(1.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,吉林長春 130033; 2.中國科學院研究生院,北京 100049)

1 引 言

紅外成像技術是目前各軍兵種都非常需要的新型高科技技術。紅外探測系統具有環境適應性好、隱蔽性好、抗干擾能力強以及能在一定程度上識別偽裝目標,且設備體積小、重量輕、功耗低等特點,在軍事上被廣泛應用于紅外夜視、紅外偵察以及紅外制導等。一般紅外變焦成像系統分為連續變焦和定檔變焦兩種,定檔變焦又多以兩檔、三檔變焦為主。連續變焦的紅外光學系統用于機載光電偵察系統,既能為飛行員在巡航和搜索時提供最好的態勢了解,又能在發現目標時,調到小視場瞄準跟蹤。在視場轉換過程中能夠保持圖像的連續性,對搜索和跟蹤高速運動目標是非常有利的,該系統解決了兩檔與多檔鏡頭在視場切換的時間間隔內對快速運動的目標丟失這一缺陷,因此,廣泛應用于的機載光電偵察設備中。

本文基于中波紅外 320×240制冷型探測器,設計了一套高變倍比中波紅外連續變焦光學系統。該系統可以實現 11～200 mm變焦,變倍比為 18×,F#為 3,工作波段為 3～5μm,滿足 100%冷光闌效率,在空間頻率 16 lp/mm處的 MTF值＞0.6。系統具有結構緊湊,易于裝調,靈敏度高,質量輕等優點。

2 系統設計

2.1 光學技術指標

系統采用 320×240凝視焦平面陣列探測器,探測器的性能指標為:光譜響應范圍 3.7～4.8μm,像元尺寸 30μm ×30μm,探測靈敏度峰值 ＞1.5×1011W-1Hz1/2cm,工作溫度 110～130 K,像面對角線尺寸 12 mm,質量 600 g。

光學系統的設計指標為:工作波段 3～5μm;焦距 11～200 mm;F#為 3;像面 ＜12 mm;系統總光學效率≥70%;光學系統的冷屏效率 100%;外型尺寸 ＜320 mm×200 mm×180 mm(W×H×L)。

2.2 系統分析

2.2.1 系統整體分析

由于長焦距系統視場窄,入瞳大,本文采用二次成像光學系統來實現系統前端光學零件較小口徑的目的 (滿足工藝要求),盡管增加了透鏡的個數,但為像差校正提供了更大的空間,因此,可將系統分為變焦組份和二次成像組份。變焦組份由前固定組、變倍組、補償組、后固定組組成,可將它們對系統的光焦度的貢獻設計為正、負 、負、正[1]。為了減小器件和鏡筒內熱輻射的影響,要求冷光闌效率達到 100%,也就是將探測器的冷光闌作為系統孔徑光闌。通過兩個反射鏡使系統結構緊湊,滿足最后尺寸小于 320 mm×200 mm×180 mm的要求。系統采用直流伺服電機驅動來實現連續變焦,而且隨著加工工藝的不斷提高,系統設計需要盡可能少的鏡片以提高透過率,因此,系統引入了非球面。

2.2.2 二次成像系統和光瞳銜接

二次成像系統主要用于解決長焦距 (窄視場)入瞳太大的問題。二次成像中的光瞳銜接[2],即前面變焦部分的出瞳和二次成像系統的入瞳銜接,才能保證系統冷光闌的效率。本文的銜接方法如下,其主光線光路如圖1所示。圖中的L1、L2、L3、L4分別為出瞳到第一像面、第一像面到二次成像透鏡、二次成像系統到冷光闌、冷光闌到探測器的距離;h1、h2、h3、h4、h5分別為出瞳半口徑、第一像面大小的一半、主光線在二次成像系統的高度、冷光闌的半口徑、探測器像面大小的一半;a1、a2分別為光線在二次成像系統前后與水平線的夾解 ,其中L4、h4、h5、a1、a2為已知量。

圖1 主光線圖Fig.1 Schematic drawing of chief ray

由牛頓公式可得:

其中,f為二次成像的焦距,M為二次成像的放大率。

由圖 (1)中的三角關系可知:

聯合方程 (1)～(9),解得:

于是 ,由式 (1)、式 (2)分別可以求得f、L2。

由冷光闌的半口徑,可求得上述系統的出瞳(后面系統的入瞳)大小。求解過程得出結論如下:

1)出瞳到探測器的距離 (L1+L2+L3)隨著a1角度的變小而變短。

2)隨著轉向系統的倍率M增大,出瞳到探測器的距離變短,符合系統緊湊的原則,但是整個系統的F數也隨之增加,系統的靈敏度降低,因此二次成像系統多采用M=1。

3 設計結果

系統由變焦部分和二次成像系統組成。變焦部分由前面的 4個鏡片組成,分為前固定組、變倍組、補償組、后固定組。系統的第 1片為前固定組,引入一個非球面用于校正球差、彗差,和一個衍射面用于校正初級色差和色球差;第 2、3片為變倍組,采用高折射率鍺材料,以及低色散的硅材料來校正軸向色差、彗差、軸外像差;第 4、5片為后固定組;第 6、7片為二次成像系統,引入了 2個非球面。系統光路追跡圖如圖2所示,分別為長焦、中焦、短焦。

圖2 光學系統原理圖Fig.2 Schematic drawing of zoom optical system

3.1 像質評價

3.1.1 傳遞函數

傳遞函數是光學系統的主要評價手段之一。該系統的傳遞函數如圖3所示,(a)、(b)、(c)分別為長焦、中焦、短焦的曲線圖。從圖中可以看出,16 lp/mm空間頻率下 MTF＞0.6。說明該系統有較高的像質,即可以有一定的加工、裝配裕度。由于窄視場只是用于對環境態勢的了解,相對于正畸變,負畸變更有利于視場增大。本系統寬視場的畸變為 -4.94%,滿足紅外系統大視場的畸變 ＜±5%。

圖3 系統的傳遞函數曲線Fig.3 MTF curves of system

3.2 能量分布

能量的分布直接反映了能量的聚集狀況[3],本系統長焦、中短、短焦的 80%能量都分布在一個像元內。能量分布曲線如圖4中 (a)、(b)、(c)所示。

4 冷反射現象及分析

圖4 能量分布Fig.4 Curves of energy distribution for system

冷反射現象是熱成像系統所特有的一種圖像異態,在紅外熱成像系統中是指被制冷的探測器從透鏡組光學表面的反射中看到自己,探測器自身作為反射像而成像的現象[4,5]。這種現象一旦產生,影像中心在呈現被攝物體像的同時還呈現探測器的影像,通常表現為在圖像中心有一個黑點。凝視型光學系統中,冷反射值的大小并不代表實際光學系統中冷像就顯現出來,可以通過電路的非均勻校正來消除冷像。凝視型光學系統冷像顯現的可能條件是振動和視場切換,因為非均勻校正只是針對系統某一狀態進行的,校正完成以后,如果因為振動 (或視場切換)等原因引起了系統布局的變化,就會導致某一光學表面在變化前后對系統的冷反射的貢獻的差值過大,超過系統的最小分辨溫度差 (MRTD),系統的冷像就會顯現出來。因此,對于變焦系統 (透鏡軸向移動,視場變化),必須進行系統的冷反射分析。通常引入兩個特征量YN I和I/IBAR來反映冷反射的強弱,其中Y是邊緣光線在該面的投射高,N是折射率,I是邊緣光線的入射角度,IBAR是主光線的入射角度。實驗表明,如某面的YN I值很小,但I/IBAR值 ＞1,那么該面的冷象影響就很小,反之亦然。在變焦系統設計中,在選擇結構和優化過程中應該考慮I/IBAR、YN I,確保各面的I/IBAR,YN I越大越好[6]。因此將YN I或I/IBAR絕對值＞1的基本要求作為系統結構選擇和優化的一個約束條件來對變焦系統的各重結構的各個面的冷反射強度進行分析和控制。通過冷反射分析,得知系統在短焦距時冷反射最為強烈,分析結果如表1所示。

表1 冷反射分析Tab.1 Analysis of cold reflection

由表1可知,根據兩個特征向量判斷第 3、7、8、9、10、14面的冷反射可能會使系統冷反射的強度較大 ,其中 ,第 3、7、8、14面的I/IBAR＞1,說明冷反射噪聲幾乎不隨視場的變化而變化,可以把它疊加在冷電平上濾除掉。對與I/IBAR＞1的面采用反向追跡光線的方法,將整個系統倒過來,用探測器作為冷光源,追跡從它發出的反向光線。圖5的 (a)和 (b)分別是第 9、10兩個面的冷反射光線追跡示意圖。

圖5 冷反射光路追跡圖Fig.5 Schematic of cold reflection ray-tracing

由圖5可知,第 9面追跡后,光線受到平面的反射沒有聚集到探測器上。第 10面追跡后,近軸光線聚集到探測器前面 12 mm處,因此,不會帶來嚴重的冷反射效應。

5 結 論

本文基于 320×240凝視焦平面陣列探測器,設計了一套中波紅外連續變焦光學系統,并介紹了光瞳銜接問題的解決方法。該系統具有像質好、變倍比大、分辨率高、熱靈敏度高的特點。分析了系統可能的冷反射強度,利用反射鏡的折疊光路實現了系統結構緊湊、質量輕,滿足技術指標的要求。該系統可用于導航、搜索、跟蹤、警戒、偵查等方面。

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