300～1 100 nm多波段成像光學系統設計及雜光分析

郭幫輝,孫 強,王 志,王 健,吳宏圣,劉殿雙

(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 100039)

1 引 言

在工業檢測和國防軍事應用領域,為了對目標進行準確探測,除了要求得到目標的可見光圖像之外,還需要得到目標的近紫外和近紅外圖像[1～3]。如果將多套光學系統拼合在一起來實現多波段成像[4],系統體積大,結構復雜,機動性能差,在戰場上容易被敵方發現。為了滿足對目標多波段信息進行探測的要求,本文設計了 300～1 100 nm多波段成像儀,該成像儀能對目標的近紫外、可見光和近紅外 3個波段進行成像,同時獲得目標在 3個波段的光譜信息,能夠滿足目標多波段成像和探測的要求。

為了減小系統體積,在光學系統設計中,令 3個波段共用一個光學孔徑,然后利用膠合棱鏡進行分光,采用面陣 CCD探測器進行成像,從而減小了系統體積和復雜程度,能用于對系統體積、重量和機動性能要求嚴格的場合。不過由于系統中膠合棱鏡的分色膜和表面反射,該系統容易引入雜光,甚至會在像面上形成鬼像,從而降低系統成像質量。為了減小雜光對系統成像質量的影響,本文建立了雜光分析模型,對系統進行雜光分析,找到了雜光來源,并采取合適的措施降低了雜光的影響。

2 工作原理

本文設計并研制了一套 300～1 100 nm多波段光學系統,其參數如表1所示。

表1 主要技術指標Tab.1 Ma in specifications

圖1 光學系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical system

光學系統原理如圖1所示。近紫外、可見光和近紅外波段共用同一透鏡組,然后采用膠合棱鏡進行分光,在棱鏡的膠合面上鍍有分色膜,用于反射和透射不同波段的光束。入射光束經過透鏡組之后,到達棱鏡第一膠合面時,近紫外波段被反射,聚焦到紫外探測器靶面,形成近紫外圖像;同時,波長 ＞380 nm的可見光和近紅外光被透射,到達棱鏡第二膠合面時,可見光被反射,聚焦到可見光探測器靶面,形成可見光圖像;波長 ＞760 nm的近紅外光被棱鏡第二膠合面透射,聚焦到近紅外探測器靶面,形成近紅外圖像。

3 光學系統設計

多波段光學系統的波長為 300～1 100 nm,適合于這個波段的透鏡材料比較少,常用的材料有CaF2和熔融石英,這給寬波段范圍的色差校正帶來一定困難。在進行光學系統設計時,為了減小系統的色差,根據色差平衡方程組,選擇了色散小的 CaF2作為正透鏡,色散大的熔融石英作為負透鏡。由于 CaF2易潮解,故在透鏡表面鍍一層保護膜。

由于系統采用棱鏡進行分光,從而增加了透鏡組后表面到像面之間的距離,因此,光學系統采用了反遠距結構形式,以滿足長的后工作距要求。

由于本系統可在 -40～+60℃使用,不僅溫度范圍寬,而且作用距離變化也大,要想獲得高的成像質量,必須對系統像面進行調節。由于本系統中有 3個成像探測器,若移動探測器會增加結構復雜度,因此,采用移動一片透鏡的方法進行溫度和距離調焦補償,使 3個波段在溫度和物距變化時都能清晰成像。

圖2為多波段系統光路圖,透鏡 1～6組成反遠距結構透鏡組,其中透鏡 1和 2組成前負透鏡組,透鏡 3～6組成后正透鏡組,光闌位于透鏡 4和 5之間。近紅外濾光片用于濾除波長＞1 100 nm的光束,以確保近紅外波段的準確性。通過移動透鏡 2微量調節焦距,可以對溫度和物距變化時的像面位置進行補償,透鏡 2移動量在±1.8 mm。

圖2 光學系統結構圖Fig.2 Structure of optical system

圖3 光學系統的MTFFig.3 MTFs of optical system

圖3為系統 3個波段的傳遞函數曲線,在50 lp/mm時,近紫外波段的 MTF＞0.4,可見光波段的MTF＞0.46,近紅外波段的 MTF＞0.55,均能滿足清晰成像的要求。

4 光學系統雜光分析

雜光是指非正常傳輸到光學系統像面的光,當雜光在像面聚焦時,會形成鬼像,嚴重影響成像質量[5,6]。雜光主要是由光學元件、機械鏡筒表面的反射和散射產生[7]。在多波段系統中,主要考慮膠合棱鏡表面反射和鏡筒內壁反射產生的雜光。

4.1 棱鏡上下表面的反射

當棱鏡表面沒有鍍增透膜時,根據菲涅爾公式可以近似計算棱鏡表面的反射率:

式中,n為材料折射率,棱鏡材料為熔融石英,n=1.458,計算得到R=3.5%。

棱鏡的長度為 36 mm,一定角度的入射光線經過前面 6片透鏡,可能到達棱鏡的上下表面,發生一次反射,進入探測器靶面范圍,形成雜光。由于棱鏡表面的反射率高達 3.5%,形成的雜光強度很大,嚴重影響像質。

圖4是利用 LightTools軟件建立的棱鏡內表面反射的光線追跡模型。在模型中,考慮了鏡筒內表面的反射,棱鏡上下表面的反射,以及棱鏡膠合面分色膜曲線的反射和透射特性。此系統的視場角為 ±3.5°,圖4中,光束以視場之外的 15°入射角進入光學系統,經過透鏡 1和透鏡 2,一部分光線被透鏡 2和透鏡 3之間的鏡筒 1反射,此部分反射光線到達棱鏡下表面,反射形成光束b1和c1,在可見光和近紅外靶面之外,不會影響成像質量;另一部分光線透過前 6片透鏡,到達棱鏡上表面被反射,形成光束A、B和C分別聚焦到 3個探測器靶面范圍內,形成鬼像。

圖4 棱鏡內表面反射的光線追跡圖Fig.4 Ray trace of light reflected from inner surface of pris m

利用此模型進行光線追跡,發現 11.7～18.3°和 -11.7～ -18.3°的入射光線,透過前 6片透鏡后,被棱鏡上下表面反射,雜光在 3個探測器靶面范圍內聚焦形成鬼像。

4.2 鏡筒內表面的反射

通常光學系統的鏡筒內表面要加工消光螺紋,并進行發黑處理,以降低鏡筒內表面的反射系數。但是采取這些處理方式也不能保證到達鏡筒內壁的光線能被完全吸收。

圖5是鏡筒內表面反射的光線追跡圖。光束以 7.5°入射到達鏡筒 1,被鏡筒 1反射后,到達棱鏡下表面,再被棱鏡下表面反射形成雜光束Y和Z,進入可見光和近紅外探測器靶面范圍內,光束Y和Z在靶面上未聚焦,因此不會形成鬼像,但是形成的雜光會降低成像清晰度。

圖5 鏡筒內表面反射的光線追跡圖Fig.5 Ray trace of light reflected from inner surface of barrel

利用此模型進行光線追跡,發現 6.2～9.8°和 -6.2～-9.8°的入射光線被鏡筒 1反射,然后被棱鏡上下表面反射,在 3個探測器上形成雜光。從此模型可以看出入射光線容易在鏡筒 1反射形成雜光,而不會在鏡筒 2反射。主要是因為鏡筒1的長度為 26 mm,而鏡筒 2的長度為 8 mm,鏡筒長度越長,入射光線越容易在內表面反射到達靶面范圍內形成雜光。

4.3 減少雜光的措施

通過以上分析,針對雜光產生的途徑,提出以下減少雜光的措施:

(1)在棱鏡上下表面和左右表面鍍增透膜,使透過率達 99%以上。從以上光線追跡分析可以看出,雜光及鬼像都是經過棱鏡上下表面的一次反射形成的,在上下表面鍍 99%透過率的增透膜之后,棱鏡表面反射率低于 1%,能大大減小雜光和鬼像的能量。在棱鏡入射和出射的左右表面鍍增透膜,能減少左右表面的反射引入的雜光。

(2)在鏡筒內表面加工消光螺紋,并且進行發黑處理,同時涂消光漆,處理之后,鏡筒內壁的反射率大大降低,減少了鏡筒內壁反射引入的雜光。如果可能的話,光學設計時應盡量縮短鏡片之間的距離,使鏡筒盡量短,這樣由鏡筒一次反射到達像面的雜光就會減少。

(3)在鏡頭前加遮光罩。通過以上雜光分析,已經得到雜光和鬼像的入射角范圍,在鏡頭前加遮光罩,可以擋住視場之外的光線,使其不能直接進入光學系統,從而大大減小系統的雜光。在遮光罩內表面加工消光螺紋,進行發黑處理,減小由于遮光罩內表面反射進入系統的光線能量。

為盡最大可能減少系統雜光,最好在光學系統中同時采取以上 3種措施。

5 實驗分析

本部分對以上雜光和鬼像分析進行了實驗驗證,并采用了以上提到的消雜光方案進行實驗。

圖6是未采取消雜光措施采集的近紅外波段圖像,目標是建筑物的墻壁和窗戶,從圖中很容易看到窗戶產生的鬼像。與周圍景物對比,找到鬼像對應的目標,利用測角儀測量,發現左上角的窗戶白色框架鬼像對應的目標位于光學系統軸外 17.2°附近,與 3.1節中的鬼像分析相吻合。同時,可以看出,圖像比較模糊,對比度不高,說明系統除了鬼像之外,還有其他類型的雜光到達像面。

圖6 有雜光及鬼像的近紅外圖像Fig.6 Near infrared image with stray light and ghost image

圖7是采取了上文提出的消雜光 3個措施之后,采集的近紅外波段圖像,目標與圖6一致。與圖6相比,圖7不僅沒有鬼像,而且像面更加清晰,說明采取消雜光措施之后,雜光的影響得到遏制,在很大程度上提高了成像質量。

圖7 采取消雜光措施之后的近紅外圖像Fig.7 Near infrared image without stray light and ghost image

6 結 論

本文設計了 300～1 100 nm多波段 (包含近紫外波段、可見光波段和近紅外波段)光學系統,該系統共用同一透鏡組,使用膠合棱鏡進行分光。利用LightTools軟件對此多波段系統的鏡筒反射和棱鏡表面反射產生的雜光和鬼像進行模擬分析,并通過實驗對模擬結果進行驗證。實驗結果表明,雜光和鬼像使成像質量大大降低,證明了以上模擬分析的正確性,以及提出的消雜光措施是切實可行的。本文的工作對于使用棱鏡作為分光元件的多波段系統的設計和研制具有重要的意義。

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