朱海濱+張遠(yuǎn)健+周亮+徐志剛+朱大略

摘要：為提高航空相機(jī)識(shí)別目標(biāo)能力，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于全景式航空偵查相機(jī)的可見光/紅外雙視場(chǎng)成像光學(xué)系統(tǒng)，可見光光學(xué)系統(tǒng)焦距為200 mm/400 mm，相對(duì)孔徑為1∶8.8，視場(chǎng)角為9.4°×7°/4.7°×3.5°。紅外光學(xué)系統(tǒng)焦距為117 mm/234 mm，相對(duì)孔徑為1∶4，視場(chǎng)角為9.4°×7.5°/4.7°×3.76°。該光學(xué)系統(tǒng)利用物像交換原則采用軸向移動(dòng)變倍方式，設(shè)計(jì)結(jié)果表明，光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量接近衍射極限，可以滿足實(shí)際使用需求。

關(guān)鍵詞： 雙波段； 雙視場(chǎng)； 航空相機(jī)； 光學(xué)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： O 435 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2017.02.009

文章編號(hào)： 1005-5630（2017）02-0048-05

引 言

航空相機(jī)是安裝在航空器上對(duì)地面攝影的精密光學(xué)儀器，廣泛應(yīng)用在澇災(zāi)防治、城市規(guī)劃、國(guó)土測(cè)繪等領(lǐng)域。航空相機(jī)主要有畫幅式、推掃式及全景式三種。與前兩者相比，全景式航空相機(jī)利用普通視場(chǎng)角的物鏡通過前方的反射鏡擺掃，即能實(shí)現(xiàn)特寬視野的攝影，獲得較大的信息量。

由于目標(biāo)在不同的波段會(huì)表現(xiàn)出不同的光學(xué)特征，為了增大獲得的目標(biāo)信息量，提高處理判讀的準(zhǔn)確性，多波段航空相機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛。國(guó)外很早就開展了多波段光學(xué)系統(tǒng)的研制[1]，目前應(yīng)用較為廣泛的是具有全天候應(yīng)用能力的可見光/紅外航空相機(jī)。國(guó)內(nèi)對(duì)于可見光/紅外雙波段成像技術(shù)的研究起步較晚，研究多集中在畫幅式航空相機(jī)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多采用卡塞格林主光學(xué)共孔徑系統(tǒng)，再利用分光鏡實(shí)現(xiàn)雙波段分光[2-4]，關(guān)于雙波段全景式航空相機(jī)的研究鮮有報(bào)道。此外，為提高航空偵查的靈活性與準(zhǔn)確性，雙視場(chǎng)航空相機(jī)的需求也日益增加，它能滿足不同飛行高度對(duì)地面覆蓋范圍的需求，也可實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)搜索目標(biāo)、小視場(chǎng)精確觀察目標(biāo)。

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于全景航空相機(jī)上的可見光/紅外雙波段雙視場(chǎng)成像光學(xué)系統(tǒng)。該光學(xué)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

1 雙視場(chǎng)變倍光學(xué)原理

變倍原理采用物像交換原則[5]，利用光學(xué)系統(tǒng)中一組透鏡的移動(dòng)來改變整個(gè)系統(tǒng)的焦距，保證在大、小視場(chǎng)兩個(gè)位置成像質(zhì)量良好且像面位置保證不變。如圖1所示，對(duì)光學(xué)系統(tǒng)中任何一片透鏡或透鏡組，當(dāng)其由A位置移動(dòng)到B位置時(shí)，能夠保證共軛距不變而放大倍率發(fā)生變化，雙視場(chǎng)系統(tǒng)采用物像交換原則變倍。

2 相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)

主要光學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

2.2 光學(xué)系統(tǒng)選型及布局

光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式有折射式、折反式及反射式三種[6]，關(guān)于可見光/紅外雙視場(chǎng)成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)多數(shù)采用卡塞格林折反式光學(xué)系統(tǒng)以及全反射式光學(xué)系統(tǒng)，而這兩類系統(tǒng)只能承擔(dān)較小的視場(chǎng)角度，本文紅外、可見光大視場(chǎng)系統(tǒng)視場(chǎng)角度大，故不予考慮。折射式光學(xué)系統(tǒng)具有視場(chǎng)角度大、成像質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)[7]，故本文采用折射式光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式，適當(dāng)采用平面反射鏡折轉(zhuǎn)光路便于小型化。

光學(xué)系統(tǒng)變倍方式有軸向移動(dòng)式及切入切出式，由于切入切出變倍方式需要占用較大結(jié)構(gòu)空間，故采用軸向移動(dòng)變倍方式。制冷紅外探測(cè)器的冷光闌是為了消除視場(chǎng)外的雜散光干擾而設(shè)置的，光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮出瞳與冷光闌的匹配，保證實(shí)現(xiàn)100%冷光闌效率，實(shí)現(xiàn)方式是直接把冷光闌作為光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌或者設(shè)計(jì)時(shí)把出瞳放置在冷光闌上，并保證大小與冷光闌一致。另外為避免長(zhǎng)焦時(shí)光學(xué)零件口徑過大，采用二次成像[8-9]的方式壓縮了光學(xué)零件口徑，同時(shí)在一次像面處設(shè)置視場(chǎng)光闌抑制雜散光。

相對(duì)于應(yīng)用兩塊地物掃描鏡的兩個(gè)獨(dú)立的紅外/可見光雙視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)，本文這種集成方式可實(shí)現(xiàn)更高的電控精度且成本低。另外若采用紅外、可見光系統(tǒng)共用一片大尺寸地物反射鏡而不需分光的方式，由于本文長(zhǎng)焦焦距較長(zhǎng)，會(huì)造成地物反射鏡尺寸太大，考慮工藝及成本，最終選擇如圖2所示的光學(xué)系統(tǒng)布局。通過地物掃描鏡和分光鏡把紅外、可見光系統(tǒng)集成到一起，由于紅外材料與可見光材料相比，光吸收損耗大且成本高，故分光鏡采用可見光透射、紅外反射的分光方案，紅外系統(tǒng)采用移動(dòng)一片單透鏡實(shí)現(xiàn)變倍，可見光系統(tǒng)采用移動(dòng)一組雙膠合透鏡實(shí)現(xiàn)變倍。

2.3 光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化方案

利用高斯光學(xué)理論合理分配光焦度，計(jì)算好初始結(jié)構(gòu)后，利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax設(shè)定邊界條件后對(duì)初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，為使光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，紅外系統(tǒng)及可見光系統(tǒng)均采用“正負(fù)正”的光焦度結(jié)構(gòu)形式，即前固定組及后固定組為正透鏡組，變倍組為負(fù)透鏡組。在系統(tǒng)光路中，為縮小體積，紅外系統(tǒng)采用三片反射鏡折轉(zhuǎn)光路，可見光系統(tǒng)采用二片反射鏡折轉(zhuǎn)光路。

為便于軸外像差校正，大、小視場(chǎng)切換時(shí)孔徑光闌的大小不發(fā)生變化及兼顧光學(xué)系統(tǒng)前部、后部尺寸，把紅外系統(tǒng)及可見光系統(tǒng)的孔徑光闌置于光路中部附近、后固定組之前。采用彎曲孔徑光闌位置附近的透鏡來校正軸上像差，同時(shí)光線入射角大的透鏡表面使其彎向光闌，以減少高級(jí)像差。為了減少紅外系統(tǒng)透鏡數(shù)量，從而提高透過率，獲得滿意的成像質(zhì)量，紅外系統(tǒng)在透鏡2的后表面、透鏡3的前表面及透鏡4的后表面引入3個(gè)高次非球面，用以平衡軸上球差及場(chǎng)曲。

為了保證材料供貨渠道，紅外系統(tǒng)的透鏡材料選用常用的單晶鍺、硅及硒化鋅，可見光系統(tǒng)的透鏡材料均選自成都光明生產(chǎn)的頻次高、性能優(yōu)良的材料。

2.4 像質(zhì)評(píng)價(jià)[10]

傳遞函數(shù)是最客觀、最全面的光學(xué)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)手段，根據(jù)指標(biāo)中紅外器件及可見光器件的像元尺寸，計(jì)算出紅外系統(tǒng)及可見光系統(tǒng)的奈奎斯特頻率分別為33 lp/mm和78 lp/mm。圖3、圖4分別給出了33 lp/mm下紅外光學(xué)系統(tǒng)大、小視場(chǎng)的調(diào)制傳遞函數(shù)圖，圖5、圖6分別給出了78 lp/mm下可見光光學(xué)系統(tǒng)大、小視場(chǎng)的調(diào)制傳遞函數(shù)圖，最上面的實(shí)線是系統(tǒng)的衍射極限，由圖可知系統(tǒng)成像質(zhì)量良好，設(shè)計(jì)結(jié)果接近衍射極限。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于全景航空偵查相機(jī)的可見光/紅外雙視場(chǎng)成像光學(xué)系統(tǒng)，給出了詳細(xì)的光學(xué)設(shè)計(jì)指標(biāo)，對(duì)設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行了分析，最后通過地物掃描鏡、分光鏡把可見光、紅外雙視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)集成到一起。設(shè)計(jì)結(jié)果表明，光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量接近衍射極限，可以滿足工程實(shí)際使用需求。

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（編輯：劉鐵英）