可見與紅外雙波段光學系統的共變焦補償方法

呂 宏，高 明，陳 陽

(西安工業大學光電工程學院，陜西 西安710021)

1 引言

在工業檢測和國防軍事應用領域，為了在不同外界環境下快速、及時發現目標并實現對目標的實時跟蹤和精確測量，既要求得到目標的可見光圖像，還需要得到目標的紅外圖像。隨著科技的進步，多波段光學系統和變焦光學系統相結合的光學系統因其觀測范圍廣、測量精確而得到了廣泛應用［1－3］。2010年，Jay N．Vizgaitis［4］設計了一款軍用11．7X中波/長波紅外連續變焦系統，系統采用折、反混合光路，并使用紅外雙色焦平面陣列對中波/長波紅外同時成像。2011年，Jeong-Yeol Han等人［5］針對可見光/紅外雙波段系統體積過大的問題，采用多次反射的形式分別對可見光/紅外兩個系統進行折疊，在一定程度上減小了系統體積。2009年，李永剛等人［6］對紅外連續變焦鏡頭的結構進行了設計。目前，國內外對于可見、紅外雙通道甚至多通道變焦光學系統的研究較多，但通常是對可見光與紅外各波段光學系統分開單獨設計，然后組合成為多波段變焦光學系統。

本文提出將可見與紅外雙波段光路整合在一起，系統中目標光波通過分光棱鏡實現可見、紅外光分光，反射紅外光路的變倍比差補償組采用直接變倍比補償形式，在變倍比小的紅外光路上進行補償，通過對可見與紅外雙波段變焦比差異進行補償，使二者在任意變焦位置的焦距和變焦比都相同，當需用不同波段觀察時，無需光路轉換可以直接進行觀察，提高可見、紅外雙波段光學系統的反應速度。

2 系統方案

可見光與紅外雙波段共口徑共光路共變焦融合成像光學系統的共口徑變焦部分主要包括前固定組、變倍組和補償組，可同時通過可見和紅外光波，并且實現兩者共同變焦，光線從公共部分出來后進入棱鏡，棱鏡上鍍有反紅外透可見光薄膜將可見、紅外兩路光分開。可見、紅外光路分別對從棱鏡分出的可見、紅外光進行像差矯正。光學系統結構如圖1所示。

圖1 光學系統構成示意圖

由于可見、紅外波段波長像差較大，即使透過結構完全相同的變焦系統，兩者的變焦比也不會相同。因此需要在變焦比較小的光路后拼接一個變焦比補償光路，以使兩者達到相同的變焦比，滿足共調焦的要求。變倍比差補償一般可以通過兩種形式，一種為二次成像補償方式，另一種為直接補償方式，直接補償方式是在原來系統上直接再加一個變焦組來改變原來系統的變焦曲線，當補償的變焦比不大時，直接補償是近似的加和補償。直接補償式結構簡單，變焦補償范圍滿足系統要求，采用直接變倍比補償形式，選取一個變焦比為4×的變焦系統，將其變焦組進行尺寸縮放，并對它的移動量適當調整后拼接到反射紅外光路中。本系統采用的變焦比補償方式如圖2所示。

圖2 變倍比差補償方式

3 基本原理

根據變焦理論［7］，變焦系統的變焦比Γ、焦距f'和相應的像面位移量Δ滿足下列公式:

式中，β2L為系統長焦處變倍組的放大率;β3L為系統長焦處補償組的放大率;β2為當前變焦位置變倍組的放大率;β3為當前變焦位置補償組的放大率;f'為當前變焦位置系統焦距，f'L為長焦處的系統焦距。

相應的中紅外波段的變焦比Γ、焦距f'以及像面位移量Δ滿足如下關系式:

式中，β4L為系統長焦處變焦比差補償組的放大率;β4當前變焦位置處變焦比差補償組的放大率;q3為變焦比差補償組的位移量。

由于透鏡的放大率取決于焦距值，可見光和中紅外變倍組焦距f'2與補償組焦距f'3的不同決定了兩者變倍組和補償組的放大率的不同。結合式(1)與式(2)可知，放大率的不同將導致二者同一變焦位置變焦比及焦距產生差異。由式(3)可以得出，當可見光滿足像面穩定時，中紅外波段無法滿足Δ=0，因此中紅外波段存在像面移動。為了達到可見光、中紅外在任意變焦位置焦距和變焦比相同，同時補償中紅外波段的像面移動，根據式(1)、式(4)和式(6)可以推導出以下兩式:

其中，帶有V(Visible)下標的參量表示可見光參量，帶有I(Infrared)下標的參量表示紅外光參量。式(7)表明可見光兩組元變焦方式的變焦比與中紅外三組元變焦方式的變焦比相同，式(8)表明中紅外波段滿足像面穩定條件。

4 變倍比差補償

綜上所述，結合ZEMAX中的多重組態設置，調整、優化得到多個符合變焦比補償的特征點。通過對得到的特征點進行曲線擬合，可分別得到可見光、中紅外兩個波段焦距隨變倍組移動量q的變化曲線，可見光、中紅外可分別由如下兩式表示:

其中，F1與F2分別表示可見光及紅外光焦距;q表示變倍組移動量。為了便于檢驗，將兩條曲線在同一坐標下顯示進行比較，如圖3所示。從圖3中可以看出，可見光與中紅外兩波段焦距隨變倍組移動量的變化完全一致，說明可見、中紅外焦距在變焦過程中焦距相同。

圖3 可見光、中紅外兩波段焦距隨變倍組移動量的變化曲線

為了進一步檢驗變倍比差補償結果，得到可見光、中紅外兩個波段焦距在不同變倍組移動量的差值曲線，如圖4所示。從圖中4可以看出，當變倍組移動量為40 mm時兩波段焦距的最大差值小于0．02 mm，同時，根據焦深公式可以得到可見光、中紅外波段的焦深分別為0．027 mm和0．137 mm，焦距的最大差值小于兩者的焦深，說明可見光、中紅外兩個波段下系統都能對目標清晰成像，滿足焦距補償的設計要求。

圖4 不同變倍組移動量時焦距的差值

5 結論

本文基于可見、紅外雙波段探測成像共光路光學系統，分析了雙波段同步變焦技術的實現原理及方法，通過對系統進行分光，對于可見和紅外光波通過同一個變焦系統變倍比不同產生的變倍比差，采取在變倍比小的紅外光路上加變倍比差補償組，擴大它的變倍比，達到不同波段焦距相同的目的。采用直接變倍比補償形式，選取一個變焦比為4倍的系統，將它的變焦組進行尺寸縮放拼接到系統中，通過數據擬合得到可見光、中紅外兩波段焦距隨變倍組移動量的變化情況，可知補償變焦曲線光滑，變焦比差補償后不會出現折點，變焦過程順暢。結果表明，研究可見與紅外雙波段光學系統的共變焦技術可提高雙波段光學系統的反應速度，在不同波段同步觀測目標，并滿足了系統在探測過程中的實時性要求。

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