用于光學像移補償的紅外望遠光學系統

2020-11-05 11:55:26焦明印王一力

激光與紅外 2020年10期

焦明印,張勇,王一力

(西安應用光學研究所,陜西西安 710065)

1 引言

周視光電偵察或搜索警戒系統工作時,須使成像器件相對于所關注的物方空間作相對運動,以完成對大空間范圍的偵察、搜索或警戒,一般采用搭載光電系統的平臺做步進或連續的轉動來實現,其中步進轉動因控制難度大、搜索效率低而較少使用。目前大部分周視光電偵察或搜索警戒系統采用了焦平面成像器件,因其屬于凝視器件,工作時必須停留一定的積分時間,才能達到要求的信噪比。采用焦平面成像器件的光電偵察、搜索或警戒設備必須采取像移補償措施,以消除平臺在連續轉動過程中產生的像移或拖尾。像移補償的手段有光學式、集成式、電子式及圖像式等[1-6],其中光學式像移補償是利用光路中的物方或像方掃描反射鏡或透射平板,在平臺運動時使反射鏡同步反向擺動,進而使外界景物的光學圖像在積分時間內與焦平面成像器件相對靜止[7]。為了減小補償反射鏡及伺服單元的尺寸重量,可將其放置于望遠鏡像方的平行光路中,以補償平臺轉動引起的像移。理想的像移補償應該能夠消除整個光學視場內的圖像拖尾,但由于望遠光學系統的像方視場角與物方視場角的非線性關系,計算表明普通紅外望遠系統在邊緣視場存在顯著的殘留像移,本文設計了一種像方視場角與物方視場角具有線性關系的紅外望遠光學系統,系統工作波段為7.7～10.3 μm,放大率為10×,系統使用單元尺寸為15 μm的640×512元焦平面探測器,可有效減小殘留像移。

2 殘留像移的產生

如圖1所示,物鏡1至物鏡4構成望遠光學系統,當光電系統進行周視搜索時通過反向擺動像移補償反射鏡實現“凝視”,即光學像面相對于探測器靶面不動,但由于視場角度的不同,在反射鏡擺動時像面上不同點在探測器靶面上的位置變化是有微量差別的。實際產品的分辨力和最小可分辨溫差的測試表明,軸外視場相對于靜止狀態有較大降低。對于普通望遠光學系統,其像方視場角的正切與對應的物方視場角的正切有以下關系:

tan(FOVI/2)=Γ×tan(FOVO/2)

(1)

(2)

反射鏡做補償擺動時,相當于FOVI/2發生了微小變化,對式(2)求微分可得:

(3)

式(3)中像高變化量與視場FOVI/2(單位為弧度)有關,即不同視場像點的變化量不同,反射鏡的補償擺動只能補償一個視場的像移,其他視場則殘留一定量的像移。表1為某放大率為10×的紅外望遠光學系統在轉動0.2°、并對0°視場的像移進行補償后,其他視場的殘留像移量(即補償后像高度與補償前像高度之差,計算時望遠系統后接焦距為20 mm的理想透鏡),這里將周視及補償過程分解為首先整體轉動0.2°,然后補償反射鏡反向擺動1°(即10×0.2°/2)使0°視場像高為0,即對0°視場完全實現像移補償。

圖1 光學系統構成示意圖

表1 某10倍紅外望遠光學系統殘留像移

由表1可見,1.375°視場殘留像移量達到了59 μm,對于單元尺寸為15 μm的焦平面探測器件,約為4個像素,0.85°視場的殘留像移量約為1個像素,表現為系統作周視轉動時整個視場內只有中心局部視場圖像清晰,其余視場則圖像模糊或拖尾,嚴重影響光電偵察或搜索預警系統的性能。本文設計的紅外望遠光學系統按視場角度的不同,人為引入負畸變,使望遠系統的像方視場角FOVI/2按線性關系正比于物方視場角FOVO/2,可使全視場范圍內的像移都得到有效補償,即:

FOVI/2=?！罠OVO/2

(4)

3 設計要求及系統構成

設計要求為透射式紅外望遠光學系統,工作波段W=(7.7-10.3) μm,入瞳直徑D=φ100 mm,出瞳直徑d=10 mm,放大率Γ=10倍,瞬時視場:H(水平)×V(垂直)=±1.375°×±1.1°,周視視場n×360°,使用單元尺寸為15 μm的640×512元焦平面探測器,工作方式見圖1。由紅外望遠光學系統與像移補償反射鏡、探測器前置透鏡5、焦平面探測器共同構成n×360°周視搜索/跟蹤光電裝置。紅外望遠光學系統由透鏡1至透鏡4組成,透鏡1和透鏡2組成望遠光學系統的物鏡,透鏡3至透鏡4構成望遠光學系統的目鏡,透鏡3前設置有場鏡。透鏡2材料為化學汽相沉積硒化鋅,以消除物鏡的色差,其余材料均為單晶鍺。加入場鏡的目的是在保證100 %冷屏蔽效率的情況下更好地控制望遠系統的畸變,使像方視場角與物方視場角滿足式(4),設計中控制相對畸變Dist滿足下式:

Dist=[FOVI/2-tan(FOVI/2)]/tan(FOVI/2)

(5)

式中,FOVo/2為以弧度為單位物方半視場角,本文中對應最大水平視場的相對畸變為-1.9 %,不會影響使用。