變F數(shù)紅外光學系統(tǒng)的進展和關鍵技術

譚淞年，于 瀟，張洪偉，李全超

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變F數(shù)紅外光學系統(tǒng)的進展和關鍵技術

譚淞年，于 瀟，張洪偉，李全超

（中國科學院航空光學成像與測量重點實驗室 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

根據(jù)現(xiàn)代戰(zhàn)爭對夜間進行目標跟蹤、偵察及監(jiān)視的迫切需求，紅外光學系統(tǒng)在國防領域獲得了廣泛的應用。與變焦紅外光學系統(tǒng)相比，基于可變冷光闌的變F數(shù)紅外光學系統(tǒng)可以進行大視場搜索與極小視場監(jiān)視的轉換，提高通光孔徑利用率，提高成像質(zhì)量。隨著對視場范圍、圖像質(zhì)量、系統(tǒng)小型化等需求的不斷提高，變F數(shù)紅外光學系統(tǒng)逐漸凸顯其優(yōu)勢。對變F數(shù)光學系統(tǒng)的原理進行了研究，概述了國內(nèi)外在變F數(shù)紅外光學系統(tǒng)領域的研究進展。通過分析，提出了系統(tǒng)關鍵結構可變冷光闌實現(xiàn)的技術路線。最后簡要分析了可變冷光闌設計的關鍵技術。

紅外光學系統(tǒng)；變F數(shù)；可變冷光闌；視場轉換

0 引言

紅外相機與可見光相機相比，可以探尋到可見目標不具備的信息，極大地增強了對背景和干擾信息的抗干擾特性，使觀察者可以全天候?qū)δ繕诉M行觀測，因此紅外光學系統(tǒng)越來越廣泛的應用在跟蹤、偵察、監(jiān)視等軍事領域。隨著對紅外相機性能要求的不斷提高，對紅外光學系統(tǒng)和紅外探測器提出了越來越高的要求[1-2]。變F數(shù)紅外光學系統(tǒng)可以根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢，特別是觀察目標的距離，選用合適的F數(shù)，靈活的進行大視場與極小視場的切換，實現(xiàn)大視場范圍內(nèi)搜索目標，極小視場范圍內(nèi)識別與跟蹤目標，滿足對軍事目標偵察和監(jiān)視需求，有廣泛的應用前景。

本文在變焦紅外光學系統(tǒng)的基礎上，對基于可變冷光闌的變F數(shù)紅外光學系統(tǒng)的原理進行了分析，介紹了國內(nèi)外變F數(shù)紅外光學系統(tǒng)的研究進展，提出了紅外光學系統(tǒng)可變冷光闌實現(xiàn)的技術路線，并提出了可變冷光闌設計的關鍵技術，對變F數(shù)紅外光學系統(tǒng)的研究有借鑒意義。

1 基于可變冷光闌的變F數(shù)光學系統(tǒng)原理

在紅外探測器中，冷光闌（即光學系統(tǒng)的視場光闌）是決定紅外探測器F數(shù)的重要組件，其只允許需要的紅外輻射進入，阻止所有其他不需要的雜光輻射。同時本身溫度很低，減少自身的輻射，達到更好的成像效果[3]。一般情況下，由于紅外探測器冷光闌的大小是固定不變的，所以在光學系統(tǒng)設計過程中，光學系統(tǒng)的F數(shù)近似設計為紅外探測器的F數(shù)值，即光闌匹配。

光學系統(tǒng)的F數(shù)與探測器的F數(shù)相匹配是獲得高質(zhì)量圖像的必要條件。探測器的F數(shù)與冷光闌大小直接相關，當探測器冷光闌過大時，會有不需要的輻射進入，降低成像效果；當冷光闌過小時，會擋住成像所需要的輻射，引起漸暈現(xiàn)象，如圖1所示[4]。

(a)F數(shù)匹配 ?????? ?????? (b)F數(shù)不匹配

圖1 冷光闌匹配

Fig.1 Cold aperture matching

在傳統(tǒng)紅外光學系統(tǒng)中，F(xiàn)數(shù)通常是固定的，僅通過改變焦距大小來對光學系統(tǒng)的通光孔徑進行改變，進而對所觀察的視場進行切換。但當所觀察視場變化較大時，在同一F數(shù)下，由于最大通光孔徑一定，僅通過改變焦距大小很難滿足對成像質(zhì)量的要求。因此，在這種情況下，變F數(shù)的光學系統(tǒng)凸顯出其優(yōu)勢。變F數(shù)光學系統(tǒng)可以同時改變焦距和通光孔徑來對遠近視場進行切換，同時滿足對成像質(zhì)量的要求。

傳統(tǒng)變焦紅外光學系統(tǒng)如圖2所示。在對紅外成像系統(tǒng)體積有限制的時候，成像系統(tǒng)應最小化系統(tǒng)的孔徑光闌，這時只有一個視場占用了整個通光孔徑。如圖所示，窄視場時占用了整個通光孔徑，但是寬視場時僅占用了整個通光孔徑的一少部分，大部分能量都損失掉了。當窄視場決定了通光孔徑大小的情況下，目標寬視場只能通過改變焦距大小來獲得。在此情況下，想提高通光孔徑利用率，就必須改變光學系統(tǒng)的F數(shù)。

變F數(shù)紅外光學系統(tǒng)如圖3所示。在系統(tǒng)處于寬視場情況下，保持焦距不變，通過改變冷光闌大小，改變系統(tǒng)的F數(shù)，使系統(tǒng)獲得在最大通過孔徑范圍內(nèi)的更大的通光孔徑，提高通光量，提高成像質(zhì)量。

圖2 傳統(tǒng)變焦紅外光學系統(tǒng)

圖3 變F數(shù)紅外光學系統(tǒng)

因此可以看出，變F數(shù)紅外光學系統(tǒng)的實質(zhì)是改變紅外探測器的冷光闌大小。保證冷光闌匹配是變F數(shù)光學系統(tǒng)設計的關鍵，即當光學系統(tǒng)的F數(shù)變化時，通過改變探測器冷光闌大小，保證探測器的F數(shù)隨之變化。

通過對變F數(shù)紅外光學系統(tǒng)分析，有其獨特的優(yōu)勢：

通過改變紅外探測器冷光闌大小，可以做到與光學系統(tǒng)的F數(shù)匹配，提高光學系統(tǒng)設計的靈活性。

通過改變冷光闌大小，可以進行大視場搜索/極小視場監(jiān)視的轉換，提高在寬視場觀察時通光口徑的利用率，提高成像質(zhì)量。

在極小視場觀察時，通過改變F數(shù)與焦距大小，在一定程度上，可以解除光學通光口徑對系統(tǒng)的限制，減小光學系統(tǒng)的體積，實現(xiàn)系統(tǒng)的小型化。

2 國內(nèi)外可變冷光闌研究進展

2.1 國外研究進展

HALO（高空觀測系統(tǒng)）是美國彈道導彈防御局（BMDO）的彈道導彈測試監(jiān)視、數(shù)據(jù)收集與跟蹤平臺。該系統(tǒng)設計了一個大體積杜瓦，將長波與中波紅外焦平面、分光鏡、濾光片封裝在其中，分別有制冷器對焦平面進行制冷。每個焦平面之前包括一個6位置的濾光片轉盤，6位置的濾光片轉盤包括5個帶通濾光片和1個用于背景測試的空白片。每個焦平面有單獨的冷屏來減小背景輻射，同時在杜瓦內(nèi)設置一個溫度為155K的內(nèi)擋板來降低背景輻射。紅外系統(tǒng)結構如圖4所示[5]。

圖4 雙波段紅外系統(tǒng)

Mitchell等人設計了焦距為0.5m（F/2.8）以及1.5m（F/8.4）的紅外望遠鏡，兩個視場分別是0.9°×0.9°和0.3°×0.3°。兩視場的切換是通過次鏡互換的方法實現(xiàn)的。窄視場的次鏡永久地固定在光學平臺，寬視場的次鏡安裝在一副導軌上，能夠允許通過機電杠桿系統(tǒng)將次鏡移出光路。插入寬視場次鏡時，杠桿系統(tǒng)驅(qū)動鏡片重新回到光路上。如圖5所示為紅外檢測系統(tǒng)的光路圖[6]。其將焦平面、冷光闌及分光鏡封裝在杜瓦內(nèi)。短波與中波紅外焦平面封裝在液氦制冷的杜瓦中，長波紅外焦平面封裝在液氮制冷的杜瓦中。短波紅外和中波紅外公用一個光闌，被放置在分光器之前，溫度保持在65K。長波紅外的Lyot光闌保持在4.2K。

2007年，Nahum等人通過設計外置式的可變冷光闌機構[7]，實現(xiàn)了F數(shù)為10.5的光學系統(tǒng)與F數(shù)為4.1的紅外探測器的連接。機構設計的難點是在設計了低溫可變冷光闌的同時，進行比例為1.25:1的縮小，滿足了成像要求。如圖6所示，透鏡組1和透鏡組2用于放置可變冷光闌，透鏡組3實現(xiàn)1.25:1的比例縮小。

可變冷光闌置于透鏡3與4之間，空間密封無窗口，兩側使用兩個透鏡在兩側進行真空密封，透鏡的形狀被設計成可以用于O型圈真空密封。冷光闌使用1W的斯特林制冷機進行制冷，冷光闌的大小通過數(shù)字千分表顯示調(diào)節(jié)的蝸輪蝸桿來進行手動調(diào)節(jié)。可變冷光闌如圖7所示。

圖5 紅外檢測系統(tǒng)光路圖

2013年，Nahum等人發(fā)表了一篇名為基于調(diào)整刀片虹膜的前式紅外相機的連續(xù)可變冷光闌的專利，提出了一種內(nèi)置式的可變冷光闌結構。可變冷光闌結構整體很小，集成在紅外探測器杜瓦當中。可變冷光闌結構為刀片虹膜調(diào)整式，冷光闌由4個刀片虹膜組成，刀片放置在驅(qū)動板與基板之間，通過旋轉驅(qū)動板即可以對光闌的大小進行調(diào)整。如圖8所示。刀片虹膜的厚度很薄，表面鍍聚四氟乙烯，保證刀片在滑動過程中摩擦力很小，可以自由移動，同時刀片虹膜表面附著一層材料，具有低反射性[8]。

2014年，雷神公司Eric等人在Nahum的設計基礎上，設計了適用于低溫環(huán)境的可變冷光闌機構[9]。Eric同樣采用了刀片虹膜式調(diào)整機構，但在控制上使用了雙穩(wěn)態(tài)螺線管電機，保證了控制的精度[10]。同時考慮了在調(diào)整光闌過程中的熱傳導問題，設計了光闌僅在調(diào)整過程中與外界接觸，在探測器工作過程中冷光闌與調(diào)整機構分離的結構，保證了冷光闌在工作過程中自身沒有溫差，提高了成像效果[11]。在材料的選擇上，刀片虹膜材料為鈹銅合金，表面鍍金，進一步減小刀片虹膜調(diào)整過程中的摩擦。

圖6 光學系統(tǒng)設計

Fig.6 Optical system design

圖7 可變冷光闌結構

圖8 刀片虹膜式可變冷光闌

美國軍方設計的第三代前視紅外探測器系統(tǒng)是變F數(shù)光學系統(tǒng)應用的典型[12-15]，其主要特點是光學系統(tǒng)擁有4個視場、雙F數(shù)和可變冷光闌。第三代前視紅外探測器設計了F/3和F/6的光學系統(tǒng)，實現(xiàn)了11.5的放大倍數(shù)，最大焦距達609.6mm。系統(tǒng)同樣采用刀片虹膜式調(diào)整機構，調(diào)整機構集成在紅外杜瓦內(nèi)，整體尺寸小，集成度高。集成可變冷光闌的紅外探測器如圖9所示。

圖9 第三代前視紅外探測器系統(tǒng)

第三代前視紅外探測器系統(tǒng)在極窄視場下采用F/6的光學系統(tǒng)，在其他視場下采用F/3的光學系統(tǒng)。通過改變焦距與F數(shù)，保證了光學系統(tǒng)在極窄視場與窄視場有近似相同的通光孔徑，減小了光學系統(tǒng)的體積。如圖10為光學系統(tǒng)在各個視場下拍攝的MWIR圖像[16]。

2.2 國內(nèi)研究進展

2014年長春光機所提出了一種可以改變紅外相機冷光闌與成像波段的裝置專利[17]，專利中將紅外探測器、孔徑光闌盤與濾光片盤集成在紅外相機杜瓦中，孔徑光闌盤、濾光片盤的轉動通孔徑光闌盤轉動軸和濾光片盤轉動軸來實現(xiàn)，孔徑光闌盤裝有不同孔徑大小的光闌，濾光片盤裝有不同波段的濾光片，如圖11所示。本設計的特點是通過可變式的固定光闌來對紅外光闌大小進行調(diào)節(jié)。

WFOV ????????? MFOV

NFOV ????????? UFOV

圖10 中波紅外圖像

Fig.10 MWIR infrared images

圖11 可變式的固定光闌

昆明物理研究所賈星蕊等人設計了一個大變倍比長波紅外連續(xù)變焦系統(tǒng)，變倍比為25: 1，系統(tǒng)使用8片透鏡實現(xiàn)連續(xù)變焦[18]。洛陽光電設備研究所研究出了長波紅外連續(xù)變焦光學系統(tǒng)，全焦距范圍內(nèi)傳遞函數(shù)在0.35以上[19]。長春理工大學設計了可以同時在白天與夜間工作的可見光與紅外光波段的變焦光電瞄準鏡光學系統(tǒng)，滿足了紅外系統(tǒng)的小型化應用需求[20]。長春光機所設計了雙視場紅外光學系統(tǒng)，可以以60ms的變倍速率實現(xiàn)視場的高速切換，結構緊湊[21]。

綜上所示，國外對于變F數(shù)紅外光學系統(tǒng)的研究比較成熟，已經(jīng)成功研發(fā)第三代前視紅外成像系統(tǒng)，并應用于軍事領域。國內(nèi)實現(xiàn)紅外視場切換主要是通過變焦技術來實現(xiàn)，對變焦紅外光學系統(tǒng)的研究進展較快，已經(jīng)具備連續(xù)平滑變焦、高變倍比、小型化等特點，并且具有高分辨率，但是對于變F數(shù)紅外光學系統(tǒng)的研究較少，還處于理論階段。

3 可變冷光闌實現(xiàn)的技術路線

通過對國內(nèi)外變F數(shù)紅外光學系統(tǒng)研究進展分析發(fā)現(xiàn)，可變冷光闌是實現(xiàn)變F數(shù)紅外光學系統(tǒng)的關鍵結構。總結得出有以下3點實現(xiàn)可變冷光闌的技術路線。

1）對紅外探測器進行改裝，將可變冷光闌機構放置于紅外探測器內(nèi)部，實現(xiàn)內(nèi)置式的可變冷光闌。這種內(nèi)置式可變冷光闌實現(xiàn)難度大，需要考慮制冷、探測器改造封裝等各方面的問題，但是集成度最高，是可變冷光闌未來發(fā)展的方向。

2）將紅外探測器（或焦平面）、可變冷光闌及部分光學系統(tǒng)封裝在一個杜瓦中，對杜瓦進行密封與制冷，實現(xiàn)可變冷光闌的調(diào)節(jié)，例如國外HALO中設計的杜瓦裝置，可以在焦平面前加裝可變冷光闌，實現(xiàn)探測器變F數(shù)的設計。該技術路線是實現(xiàn)可變冷光闌的一個有效方法，其本質(zhì)是設計一個大的紅外探測器，該方法會增大整個系統(tǒng)的體積與功耗，同時涉及到對杜瓦的封裝與制冷，實現(xiàn)難度相對較高。但是隨著杜瓦及內(nèi)部結構設計的小型化與輕量化，可以制造出高集成度的可變冷光闌紅外探測器。

3）通過光學設計，將紅外探測器冷光闌的位置前置，在光路中通過對冷光闌局部制冷的方式實現(xiàn)可變冷光闌的設計。該技術路線增加了光學系統(tǒng)設計的難度，整個系統(tǒng)的體積與功耗也有一定程度的增加，但是不涉及對紅外探測器部分的改造，可行性高。

以美國軍方設計的第三代前視紅外探測器系統(tǒng)為例，介紹變F數(shù)紅外光學系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。第三代前視紅外探測器系統(tǒng)是通過第一條技術路線實現(xiàn)的。其具體實施方案是設計了雙F數(shù)的光學系統(tǒng)，研制了內(nèi)置式可變冷光闌組件，在通過改變冷光闌實現(xiàn)探測器F數(shù)變換時，保證了光學系統(tǒng)的冷闌匹配。同時實現(xiàn)了控制和圖像處理電路和冷光闌調(diào)整組件的小型化，實現(xiàn)了整個紅外探測器系統(tǒng)的高度集成化。紅外探測器組成如圖12所示。

圖12 紅外探測器系統(tǒng)組成

4 可變冷光闌設計的關鍵技術

變F數(shù)紅外光學系統(tǒng)的研發(fā)關鍵是基于國內(nèi)現(xiàn)有變焦紅外光學系統(tǒng)的成熟技術，確定可變冷光闌實現(xiàn)的技術路線，完成可變冷光闌的結構設計，同時完成可變冷光闌工作環(huán)境的搭建。需要突破4項關鍵技術。

1）可變冷光闌結構設計

選擇合理的結構形式對可變冷光闌的實現(xiàn)起著至關重要的作用。對國內(nèi)外實現(xiàn)可變冷光闌的結構進行分析，主要分為刀片虹膜調(diào)整式和可變式固定冷光闌兩種。刀片虹膜調(diào)整式優(yōu)點是結構緊湊，體積空間小，缺點是結構復雜，實現(xiàn)起來難度較大。可變式固定冷光闌優(yōu)點是結構簡單，缺點是體積空間占用大。冷光闌的傳動方式有齒輪傳動和蝸輪蝸桿傳動等[22]。傳動方式的選擇對結構設計有很大的影響,可以根據(jù)具體的應用環(huán)境選擇設計不同的結構形式。

在可變冷光闌的設計過程中，不同材料的選擇對紅外成像有很大的影響。在刀片虹膜調(diào)整式的內(nèi)置可變冷光闌結構中，關鍵件刀片虹膜的材料及其表面鍍膜材料的選擇對整個結構的設計起著至關重要的作用。通過研究，刀片虹膜材料可以選擇鈹銅合金，刀片表面鍍金，可以保證冷光闌的自由調(diào)整，不需要依靠油脂及其他會散發(fā)氣體的潤滑劑，同時具有低反射性。

2）高精度穩(wěn)定驅(qū)動技術

可變冷光闌的驅(qū)動方式有多種選擇，一般分為手動驅(qū)動、磁驅(qū)動和電機驅(qū)動。手動調(diào)節(jié)精度較低，同時應用有很大的局限性，僅可應用在測試階段。磁驅(qū)動相比于電機驅(qū)動，控制難度高，且需要考慮屏蔽問題，所以應用范圍較窄。電機驅(qū)動有在真空狀態(tài)穩(wěn)定工作、大功率輸出等優(yōu)點，可以作為驅(qū)動方式的首選。不同的電機驅(qū)動對光闌的調(diào)整有很大影響，可以選用壓電陶瓷電機或雙穩(wěn)態(tài)螺線管電機來對冷光闌進行驅(qū)動，可以提供大功率輸出的同時不會產(chǎn)生外物損傷，保證真空環(huán)境無雜質(zhì)。

3）紅外探測器及冷光闌的溫控技術

在確定具體可變冷光闌結構方案之后，如何搭建可變冷光闌的工作環(huán)境是保證設計成功的另一關鍵因素。

紅外探測器工作時要求嚴格的低溫環(huán)境。常溫光闌會給紅外成像帶來較強的熱背景噪聲，降低紅外探測系統(tǒng)的靈敏度，影響成像質(zhì)量，在遠距離弱目標的紅外探測等領域上應用是不適宜的。紅外探測器工作溫度越低，光譜截止波長越長，背景噪聲越小，其分辨率和信噪比也越高。冷光闌與探測器溫度在77K左右，光闌與其驅(qū)動部件有至少200K的溫差，要求光闌的溫度變化范圍在10K以內(nèi)。所以在冷光闌大小調(diào)整之后，要保證冷光闌制冷的速度與效率，保證在紅外成像過程中，冷光闌與探測器溫度相差不大且自身無溫差。溫控是影響紅外成像效果最直接的因素，所以合理的溫控方案對可變冷光闌的設計至關重要。通常選用閉式機械循環(huán)制冷系統(tǒng)，斯特林制冷機就可以滿足可變冷光闌的制冷要求。

4）動密封技術

在可變冷光闌設計過程中，另一個重要問題是對整個紅外系統(tǒng)的真空密封問題。將可變冷光闌的驅(qū)動電機封裝在杜瓦內(nèi)，會造成整個杜瓦空間變大。為了實現(xiàn)杜瓦結構的小型化與輕量化，可以應用直線導入器等動密封裝置解決真空狀態(tài)下杜瓦與外界的連接問題[23]。

5 結論

本文對基于可變冷光闌的變F數(shù)紅外光學系統(tǒng)的原理進行了分析，與變焦紅外光學系統(tǒng)相比，變F數(shù)紅外光學系統(tǒng)有著大視場搜索與極小視場監(jiān)視轉換，提高通光孔徑利用率，提高成像質(zhì)量等優(yōu)勢。通過研究國內(nèi)外變F數(shù)紅外光學系統(tǒng)的進展發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)對于變F數(shù)紅外光學系統(tǒng)的研究較少，尚處于理論階段。為了實現(xiàn)變F數(shù)紅外光學系統(tǒng)，提出了關鍵結構可變冷光闌實現(xiàn)的技術路線，最后提出了可變冷光闌設計的關鍵技術，對變F數(shù)紅外光學系統(tǒng)的研究和應用起到很好的指導作用。

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Progress and Key Technologies of Infrared Optical System with Variable F-number

TAN Songnian，YU Xiao，ZHANG Hongwei，LI Quanchao

(,,,,130033,)

According to the modern warfare urgent needs on target tracking, reconnaissance and surveillance at night, infrared optical system has been widely used in the national defense field. Compared with zoom infrared optical system, variable F-number infrared optical system which is based on variable cold aperture could achieve the switch of large-scale search and minimum-scale surveillance, the increase of aperture efficiency and the improvement of the image quality. With the increasing demand on the field of view, image quality and system miniaturization, the infrared optical system with variable F-number gradually highlights its advantages. The principle of infrared optical system with variable F-number is studied and the research progress in the field of which is summarized. Via analysis, the technical routes to achieve the key structure variable cold aperture are proposed. In the end, a brief analysis on the key technologies of the available cold aperture is given. It is useful for the development of infrared optical system.

infrared optical system，variable F-number，variable cold aperture，zoom

TN216

A

1001-8891(2016)05-0367-07

2015-12-15；

2015-12-21.

譚淞年（1989-），男，吉林省通化市人，碩士，研究實習員，主要研究方向為航空光電系統(tǒng)設計及分析。E-mail：tansongnian@126.com。

國家自然科學基金青年科學基金項目（61405192），中國科學院國防科技創(chuàng)新基金項目（CXJJ-15S158）。