劉秋佐,曹景華,楊加強(qiáng),馮位欣

(中國(guó)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(jiàn)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(dú)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(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈,多鏡頭分孔徑集成的方式難以滿足越來(lái)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(gè)研究重點(diǎn)[3-4]。

共孔徑集成是指將不同波段的光線通過(guò)同一個(gè)物鏡,再利用分光鏡或分光棱鏡將不同波段的光線分開(kāi),經(jīng)各自的矯正光路后,最終成像于不同探測(cè)器。該種方式具有無(wú)視場(chǎng)遮攔,重量輕、有效口徑大等優(yōu)點(diǎn),具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[5]。

本文設(shè)計(jì)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(duì)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(jiǎn)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2 光學(xué)設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)指標(biāo)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

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

2.2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(wú)色差的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)有利于減小筒長(zhǎng),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(lái)的影響。但因?yàn)槿肷浜头瓷涔饩€位于鏡片同側(cè),同軸反射式系統(tǒng)存在遮攔中心的問(wèn)題,且隨著視場(chǎng)增大,軸外像差會(huì)難于矯正,且中心遮攔也會(huì)明顯增大,光學(xué)傳遞函數(shù)會(huì)迅速下降,因此一般適用于視場(chǎng)角較小的系統(tǒng)。離軸反射式系統(tǒng)存在加工難,價(jià)格高,裝調(diào)難等問(wèn)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(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)效果,需要光焦度(φ)和色差系數(shù)(ω)滿足下述兩個(gè)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(jì)軟件CODEV進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先根據(jù)設(shè)計(jì)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(xiàng)指標(biāo)滿足要求。最后對(duì)系統(tǒng)公差進(jìn)行分析。最終設(shè)計(jì)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(chǎng)和矯正像差兩個(gè)方面考慮[8],保證系統(tǒng)視場(chǎng)角滿足指標(biāo)要求且在486～656 nm和8000～12000 nm具有較高的透過(guò)率,因此選擇具有負(fù)光焦度的ZNS材料。可見(jiàn)光和紅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(shí)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(jiàn)光光路中引入樹(shù)脂材料,利用樹(shù)脂材料易于單點(diǎn)金剛石車(chē)削加工的優(yōu)點(diǎn),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(shí)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(jì)結(jié)果

光學(xué)系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)光路如圖1所示,整個(gè)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(jiàn)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(shí)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(shí)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(jiàn)光MTFFig.2 Visible light MTF

圖3 紅外MTFFig.3 Infrared MTF

大視場(chǎng)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(jiàn)光光路的場(chǎng)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(chǎng)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(jiàn)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(jì)方案滿足實(shí)際加工、生產(chǎn)的需求,對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行公差分析?？梢?jiàn)光光路的公差分配如表2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(guò)程中,較為成熟和容易達(dá)到的精度。最終可見(jiàn)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?jiàn)光光學(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(jiàn)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(jiàn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)際完成裝調(diào)的樣機(jī)實(shí)物如圖8所示,將該成像系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行拍攝,獲得的可見(jiàn)光圖像和熱輻射圖像如圖9所示。該成像系統(tǒng)對(duì)近距離目標(biāo)進(jìn)行拍攝,獲得的可見(jiàn)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(shì),可見(jiàn)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(shí)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(jiàn)光/長(zhǎng)波紅外雙光系統(tǒng),該系統(tǒng)采用共孔徑設(shè)計(jì),克服了寬波段和大視場(chǎng)的設(shè)計(jì)難度,實(shí)現(xiàn)了雙波段寬視場(chǎng)的高清晰成像設(shè)計(jì)；同時(shí)通過(guò)對(duì)公差的合理分配和設(shè)計(jì),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(shì)。后續(xù)設(shè)計(jì)改進(jìn)主要針對(duì)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。