孫 浩,高 益,鄧 巖,于 興,于小春,梁進(jìn)智

(北京華北萊茵光電技術(shù)有限公司,北京 100015)

1 引 言

無(wú)人機(jī)作為一種有效的作戰(zhàn)手段越來(lái)越多的應(yīng)用于現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)中,傳統(tǒng)的機(jī)載吊艙體積大、質(zhì)量重,不利于無(wú)人機(jī)遠(yuǎn)程應(yīng)用。吊艙的小型化設(shè)計(jì)需要對(duì)搭載的各種探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)一步降低體積和質(zhì)量。相比于制冷型紅外探測(cè)器,長(zhǎng)波非制冷探測(cè)器省去了杜瓦以及斯特林制冷機(jī)的空間和質(zhì)量,適合于一些小型化吊艙的設(shè)計(jì),但其N(xiāo)EDT相較于非制冷探測(cè)器要高很多,所以非制冷探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)需要更大相對(duì)孔徑以提高目標(biāo)的探測(cè)效率,同時(shí)為了兼顧導(dǎo)航和目標(biāo)探測(cè),光學(xué)系統(tǒng)需要采用連續(xù)變焦的結(jié)構(gòu)形式。

在軍用領(lǐng)域和民用領(lǐng)域,基于長(zhǎng)波非制冷探測(cè)器的連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。何伍斌等人采用6片透鏡,負(fù)組變倍、正組補(bǔ)償?shù)淖兘菇Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種26～120 mm的大相對(duì)孔徑連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)[1],虞翔等人基于補(bǔ)償組兼顧調(diào)焦群作用的Varifcocal結(jié)構(gòu),采用4片透鏡設(shè)計(jì)了一種變倍比為6×的長(zhǎng)波紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)[2],吳海清等人使用5片透鏡,兩組元聯(lián)動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了光學(xué)總長(zhǎng)125 mm、焦距25～75 mm的長(zhǎng)波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)[3],但是當(dāng)系統(tǒng)軸向尺寸壓縮,雙組聯(lián)動(dòng)連續(xù)變焦結(jié)構(gòu)中各個(gè)組元光焦度進(jìn)一步增大,超過(guò)了組元的孔徑容限,無(wú)法保證連續(xù)變焦過(guò)程中的成像性能。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上,采用機(jī)械補(bǔ)償三組元聯(lián)動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式,針對(duì)陣列規(guī)模1024×768,像元尺寸12 μm的非制冷長(zhǎng)波紅外探測(cè)器,設(shè)計(jì)了焦距25～150 mm,F1.4的長(zhǎng)波紅外連續(xù)變焦光學(xué)鏡頭,其光學(xué)總長(zhǎng)155 mm,結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度132.7 mm,在-40～+60 ℃溫度范圍內(nèi)采用系統(tǒng)內(nèi)調(diào)焦鏡組進(jìn)行補(bǔ)償,適用于小型化的吊艙、手持型紅外設(shè)備以及類(lèi)似場(chǎng)景下的應(yīng)用。

2 設(shè)計(jì)原理

在光學(xué)系統(tǒng)焦距、相對(duì)孔徑一定的條件下,壓縮系統(tǒng)長(zhǎng)度,對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)組元的光焦度會(huì)變大,其孔徑角也會(huì)變大。這樣的結(jié)果一方面增大了球差、彗差等大孔徑像差,提升了系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度；另一方面各個(gè)組元的偏心誤差會(huì)引起系統(tǒng)MTF顯著下降,提高加工和裝調(diào)難度。

三組元聯(lián)動(dòng)的變焦結(jié)構(gòu)形式相比于傳統(tǒng)兩組元機(jī)械補(bǔ)償式連續(xù)變焦結(jié)構(gòu),增加一個(gè)補(bǔ)償組元,可以通過(guò)控制該補(bǔ)償組元的光焦度和像距,使其在放大倍率絕對(duì)值小于1的位置附近補(bǔ)償焦面偏移,總的軸向運(yùn)動(dòng)量為0。此時(shí)補(bǔ)償組處在快速補(bǔ)償曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)區(qū)域[4],系統(tǒng)在變倍過(guò)程中光學(xué)總長(zhǎng)度沒(méi)有變化,但增加了補(bǔ)償組的軸向運(yùn)動(dòng)自由度。

圖1是三組聯(lián)動(dòng)連續(xù)變焦原理示意圖,系統(tǒng)由5片透鏡組成,分別為前固定組、變倍組、補(bǔ)償組1、后固定組、補(bǔ)償組2,對(duì)應(yīng)焦距為f′1、f′2、f′3、f′4、f′5,變倍組、補(bǔ)償組1、后固定組、補(bǔ)償組2對(duì)應(yīng)放大倍率為m2、m3、m4、m5。變倍組、補(bǔ)償組1、補(bǔ)償組2在長(zhǎng)焦時(shí)放大倍率為m2l、m3l、m5l。補(bǔ)償組2總軸向運(yùn)動(dòng)量為Δq5。補(bǔ)償組2滿(mǎn)足以下條件:

|m5|<1,Δq5=0,m5=m5l。

同時(shí)有:

f′1m2m3m4>f′1m2m3m4m5

f′1m2lm3lm4>f′1m2lm3lm4m5l

在此條件下系統(tǒng)總焦距不變,但前變焦組組合焦距變長(zhǎng),組元內(nèi)光焦度分配得到優(yōu)化,降低了孔徑角壓力,從而在保證變倍比和軸向長(zhǎng)度的條件下,能夠獲得更好的公差。

圖1 三組聯(lián)動(dòng)連續(xù)變焦原理示意圖

補(bǔ)償組2的運(yùn)動(dòng)軌跡由下式表達(dá),在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)系統(tǒng)長(zhǎng)度的要求,以及后固定組與補(bǔ)償組2的最小間隔、像距,合理選擇補(bǔ)償組2的焦距。補(bǔ)償組2的放大倍率變化范圍應(yīng)控制在合理區(qū)間,過(guò)大不利于相對(duì)運(yùn)動(dòng)的控制,結(jié)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)；過(guò)小則其在變焦過(guò)程穩(wěn)定像面作用不明顯。因?yàn)槠溥\(yùn)動(dòng)的對(duì)稱(chēng)性,補(bǔ)償組2最小倍率處在整個(gè)變焦過(guò)程的中焦段,依焦距對(duì)稱(chēng)分布。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

探測(cè)器選用長(zhǎng)波非制冷焦平面陣列,具體的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

3.2 設(shè)計(jì)結(jié)果

系統(tǒng)共包含5片透鏡,結(jié)構(gòu)為正、負(fù)、正、負(fù)、正,透鏡材料選用鍺,系統(tǒng)光學(xué)長(zhǎng)度155 mm。設(shè)計(jì)使用了光學(xué)軟件Zemax對(duì)系統(tǒng)像差進(jìn)行了優(yōu)化,結(jié)果如圖2所示,采用非球面對(duì)系統(tǒng)球差進(jìn)行了矯正,在補(bǔ)償組1位置使用了衍射面修正色差,系統(tǒng)的溫度補(bǔ)償以及近距離調(diào)焦由后固定組實(shí)現(xiàn),根據(jù)后工作距離以及后固定組的間隔要求,對(duì)補(bǔ)償組2的光焦度及放大倍率進(jìn)行了控制。

圖2 系統(tǒng)圖

系統(tǒng)短焦、中焦、長(zhǎng)焦在常溫下設(shè)計(jì)傳函如圖3所示,MTF在30 lp/mm,軸上大于0.4,軸外大于0.1,滿(mǎn)足非制冷紅外探測(cè)器的使用要求。

(a)

系統(tǒng)短焦、中焦、長(zhǎng)焦在常溫下設(shè)計(jì)點(diǎn)陣圖如4所示,全視場(chǎng)能量收斂到艾里斑內(nèi),能量較為集中。

(a)

系統(tǒng)短焦、長(zhǎng)焦設(shè)計(jì)畸變?nèi)鐖D5所示,在短焦端畸變小于4 %,在長(zhǎng)焦端畸變小于3 %,滿(mǎn)足使用要求。

(a)

3.3 樣機(jī)及性能

根據(jù)以上設(shè)計(jì),進(jìn)行了樣機(jī)的制造。如圖6所示對(duì)各個(gè)組元變焦過(guò)程的運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)進(jìn)行了平滑處理,采用凸輪保證組元在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的相對(duì)位置,由兩臺(tái)直流電機(jī)提供變焦和調(diào)焦的動(dòng)力,使用外置溫度傳感器提供環(huán)境溫度的測(cè)量,并通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制板利用存儲(chǔ)的調(diào)焦補(bǔ)償數(shù)據(jù)在高溫和低溫狀態(tài)下對(duì)焦面偏移進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償,保證高低溫變焦過(guò)程的清晰,圖7為樣機(jī)外型及實(shí)物圖。

圖6 各組元運(yùn)動(dòng)曲線(xiàn)

使用OPTIKO傳函測(cè)試儀在常溫下對(duì)樣機(jī)長(zhǎng)焦端中心視場(chǎng)光學(xué)傳遞函數(shù)進(jìn)行了測(cè)試,結(jié)果如圖8所示,使用640×512,12 μm探測(cè)器進(jìn)行了成像測(cè)試,結(jié)果如圖9所示,傳函測(cè)試結(jié)果及成像質(zhì)量滿(mǎn)足技術(shù)指標(biāo)要求。

圖8 長(zhǎng)焦中心視場(chǎng)MTF測(cè)試結(jié)果

圖9 長(zhǎng)焦和短焦實(shí)測(cè)效果(640×512 12 μm探測(cè)器)

4 結(jié) 論

討論了一種機(jī)械補(bǔ)償三組元聯(lián)動(dòng)的連續(xù)變焦結(jié)構(gòu)形式,這種結(jié)構(gòu)適合應(yīng)用到大變倍比緊湊的設(shè)計(jì)條件,使系統(tǒng)獲得更好的設(shè)計(jì)公差,滿(mǎn)足成像要求。利用此種結(jié)構(gòu)形式,針對(duì)陣列規(guī)模1024×768像元尺寸12 μm的非制冷長(zhǎng)波紅外探測(cè)器,設(shè)計(jì)了焦距25～150 mm,F1.4的長(zhǎng)波紅外連續(xù)變焦光學(xué)鏡頭,光學(xué)總長(zhǎng)155 mm,結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度132.7 mm,適用于小型化的吊艙、手持型紅外設(shè)備以及類(lèi)似場(chǎng)景下的應(yīng)用。