長波紅外輔助駕駛系統鏡頭設計

嚴楊等

摘 要：針對規格為384×288型像元尺寸為25？滋m的非制冷微測輻射熱計，設計了一款工作波段為8～12？滋m、焦距f'=15mm、F#=1、工作溫度為-37℃～49℃的輔助駕駛紅外鏡頭。通過合理的選擇鏡片材料，利用ZEMAX對系統進行優化設計。設計結果表明，該系統結構簡單，在空間頻率20lp/mm處調制傳遞函數MTF大于0.5，彌散斑半徑較小，具有良好的成像質量。

關鍵詞：光學設計；輔助駕駛系統；長波紅外

引言

紅外輔助駕駛系統是一種應用于黑夜、大霧天氣、大雪天氣等惡劣氣候條件下的熱成像儀，可以在很大程度上保障駕乘人員的人身安全。隨著紅外技術的日漸成熟，很多紅外產品得到廣泛的應用，得到了用戶的好評與青睞。從最初的軍工領域逐漸向民用領域延伸，由于紅外輔助駕駛系統和我們的日常生活有著密切的聯系，所以它作為一種典型的應用得到很多的關注。通過使用紅外輔助駕駛系統，駕駛員可以輕松地掌握道路周邊的實時動態，提前預知可能出現的危險情況并及時的做出調整避免發生交通事故，提高駕駛的安全性。據研究發現將系統的相對孔徑設置在F#=1左右，可以在很大程度上提高對溫差的靈敏度[1]。

像差是影響光學系統成像質量的主要因素且并不能完全消除，所以為了得到更為良好的成像質量我們只能采取一些手段來盡可能的減少像差對于系統的影響，經研究發現衍射元件可以很好的校正色差及像差。通過改變面型相互比較發現，單一使用球面鏡面的系統，結構復雜、質量較重、像質差，加入非球面和衍射面能較好地校正像差，改善成像質量[2]。因此文章混合使用非球面與衍射面設計了一款長波紅外輔助駕駛系統。

1 結構選取

在對系統進行設計時需要著重考慮以下幾點：（1）系統結構選取。相對孔徑又稱為光圈，是光學系統（或鏡頭）入瞳直徑與焦距的比值，其倒數稱為F數。對于一個光學系統來說，能夠接受到較為多的能量是擁有良好像質的關鍵，同時因為輔助駕駛系統的特殊性我們也需要系統對微弱目標的探測能力更為敏感，這就要求系統選擇較大口徑[3]。但F數過大勢必造成系統難以設計，增加鏡頭生產成本，因此文章將F數定為1。從消軸上像差（球差）考慮需要采用相互補償的結構，相互補償的結構中屬兩片透鏡最為簡單，同時對兩片透鏡進行適當的彎曲處理、厚度調整還能用于消除軸外像差（慧差，場曲，像散等）。為了盡可能節約成本，迎合民用系統的需求，文章選用兩片式結構來進行系統的設計。系統屬于大孔徑大視場系統，選用負正結構的透鏡組可以更好消除像差。（2）系統材料選取。由于能夠透射紅外波段的紅外材料較少，其中材料鍺（Ge）在8-12μm波段范圍內的折射率變化小，色散較小所以鏡片材料可以全部采用鍺[4]。

2 鏡頭設計

2.1 主要設計指標

文章的系統需適配規格為384×288？滋m，像元尺寸為25×25？滋m的非制冷微測輻射熱計探測器。由于需要考慮系統的體積、重量、性能等，系統的主要設計指標制定如表1所示。

2.2 設計思路

根據前面所確定的系統初始結構，利用ZEMAX軟件進行優化實現設計。為了能更好的提高用戶體驗，這就要求系統在滿足設計指標的同時還應具備良好的成像質量。ZEMAX軟件中存在一些判斷像質的手段，例如要求系統的調制傳遞函數曲線要盡可能平直并接近衍射極限、能量分布集中、波前差小于四分之一波長及彌散斑半徑小于艾里斑半徑等。

在優化過程中首先將玻璃間的空氣間隔設置為變量進行優化盡量減少對透鏡結構的影響，之后再改變透鏡的厚度和曲率半徑進行初步優化。由于成像質量不太理想，根據混合使用非球面與衍射面的特性在適當的位置引進非球面與衍射面，并通過將非球面系數和衍射面位相系數設置為變量深度優化。與此同時為了保障設計與加工的一致性，優化時除了要盡可能的減小系統的各種像差，透鏡在實際生產中的可加工性也需要重點考慮。由于目前衍射面的加工工藝還不太成熟，為了方便加工文章采用以非球面為基底、衍射級次較低的衍射面[5]。針對透鏡本身我們需要保證其厚度不能過薄否則容易破碎，邊緣不能過于彎曲不然難以加工，針對系統整體出于可攜性、人性化考慮其總長不能過長，后截距要適中[6]。經過對初始結構的反復優化，我們最終得到滿足要求的光學系統其結構如圖1所示。

本系統總長為60mm，后截距為19mm；其中第一面到第四面的面型依次為球面、非球面、二元衍射面、球面，所有材料均選用Ge材料。鏡筒材料選擇鋁合金，因為鋁合金材料的性價比高，性能比較穩定。

3 系統性能分析

從結構上看本系統采用負-正的兩片式結構，結構簡單便于加工。從鏡頭外形上看鏡頭的長度適中，后截距長度足夠保證結構設計和裝調的需要。因為在Ge材料上鍍制金剛石保護膜的工藝較成熟故第一片透鏡材料選用Ge，同時可提高透射率。

圖2為系統的調制傳遞函數曲線，探測器像元尺寸為25？滋m×25？滋m，經計算在空間頻率為20lp/mm下具有極限衍射率。由圖可以看出系統在20lp/mm時MTF均大于50%，大部分大于60%接近衍射極限。

圖3為系統的能量分布圖，由圖可以看出所有視場的能量分布曲線陡直，80%的能量集中在20μm的范圍內，說明包圍圓能量高，可以在探測器上獲得良好的成像質量。圖4為系統的波前圖，由圖可以看出波程差=0.2088？姿小于滿足瑞利判斷，可以認為成像是完善的。圖5為系統的點列圖，從圖中可看出彌散斑半徑基本都小于艾里斑半徑，大部分直徑小于25μm可以很好地適配所選擇的探測器。

4 結束語

文章設計了一個焦距=15、F#=1，配合384×288，25非制冷輻射熱計探測器的輔助駕駛紅外鏡頭。經ZEMAX光學設計軟件優化后系統的調制傳遞函數MTF曲線接近衍射極限，能量分布曲線也達到了探測器要求。該系統具有結構簡單，性能高，成本低的特點，滿足長波紅外輔助駕駛系統的設計要求。

參考文獻

[1]沈為民，薛鳴球，余建軍.大視場大相對孔徑長波紅外物鏡[J].光子學報，2004，33（4）：460-463.

[2]歐旭鋒，舒朝濂.衍射元件在大相對孔徑紅外鏡頭中的應用[J].西安工業學院學報，2006，26（1）：13-16.

[3]張華衛，張金旺，劉秀軍，等.大相對口徑制冷型紅外相機鏡頭的光學設計[J].紅外技術，2015，37（2）：124-129.

[4]關英姿，康立新.長波紅外非制冷光學系統設計[J].紅外技術，2008，30（2）：79-82.

[5]劉慶京.金剛石車削在紅外衍射光學元件加工中的應用[J].激光與紅外，2002，32（2）：107-109.

[6]王遠方舟，白玉琢，賈鈺超，等.一種長波紅外光學消熱差系統設計[J].紅外技術，2012，34（9）：531-534.

*通訊作者：王遠方舟。