便攜式多波段共孔徑光學設計

劉秋佐,曹景華,楊加強,馮位欣

(中國電子科技集團第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

在傳統的多波段非制冷便攜式熱像儀中,可見光成像和紅外成像等不同波段的光學系統分別采用各自的光學系統單獨成像。系統具有集成度低、尺寸大、重量重、光學有效口徑難以做大等諸多缺陷[1-2]。鑒于目前紅外技術的快速發展以及手持熱像儀競爭的日趨激烈,多鏡頭分孔徑集成的方式難以滿足越來越高的體積、重量、口徑等指標需求。多波段共孔徑集成必將是下一代非制冷便攜式熱像儀的一個研究重點[3-4]。

共孔徑集成是指將不同波段的光線通過同一個物鏡,再利用分光鏡或分光棱鏡將不同波段的光線分開,經各自的矯正光路后,最終成像于不同探測器。該種方式具有無視場遮攔,重量輕、有效口徑大等優點,具有很強的市場競爭力[5]。

本文設計目的在于提供一種小型化緊湊型多波段共孔徑光學系統,該光學系統克服了傳統多波段分孔徑集成光學系統集成度低、尺寸大、重量重、光學有效口徑難以做大等缺陷,針對多波段非制冷成像系統在軍用和民用領域的廣泛應用前景,需要發明結構型式簡單、高集成度、低成本、高性能的光學系統,以增強多波段非制成像系統的市場競爭力。

2 光學設計

2.1 技術指標

系統設計指標參數如表1所示。

表1 光學系統設計參數要求Tab.1 Requirements of optical system design parameters

2.2 光學系統設計

光學系統一般分為折射和反射系統。反射系統基于鏡面反射的原理工作,具有重量輕,無色差的優點,同時有利于減小筒長,使結構更加緊湊。當用相同熱膨脹系數的鏡面和鏡筒進行組合,能夠有效的消除環境溫度變化帶來的影響。但因為入射和反射光線位于鏡片同側,同軸反射式系統存在遮攔中心的問題,且隨著視場增大,軸外像差會難于矯正,且中心遮攔也會明顯增大,光學傳遞函數會迅速下降,因此一般適用于視場角較小的系統。離軸反射式系統存在加工難,價格高,裝調難等問題[6-7],也不適用與本系統。所以選擇折射式系統為初始結構。

為了實現該設計效果,需要光焦度(φ)和色差系數(ω)滿足下述兩個方程:

1)光焦度方程

(1)

2)消色差方程

(2)

式中,h1是近軸光線在系統第一片鏡片的入射高度,hi是近軸光線在系統第i片鏡片的入射高度,如果透鏡組為密接型,忽略鏡片厚度引起的相鄰鏡片h1間高度差異,則近似認為h1=hi,φi和ωi分別為第鏡片組的光焦度和消色差系數。

根據上述理論,采用光學設計軟件CODEV進行優化設計。首先根據設計參數選擇初始結構,確定光學結構型式和外形尺寸,并在此基礎上建立約束條件和進行優化,直至最終成像質量和各項指標滿足要求。最后對系統公差進行分析。最終設計結果如圖1所示。

圖1 光學系統結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of optical system structure

共孔徑物鏡的選擇從增大視場和矯正像差兩個方面考慮[8],保證系統視場角滿足指標要求且在486～656 nm和8000～12000 nm具有較高的透過率,因此選擇具有負光焦度的ZNS材料。可見光和紅外光路的光闌分別設置在各自光路第一片透鏡的前面,既可以平衡軸外像差,又可以有效限制后面透鏡的尺寸；同時紅外光路引入非球面降低系統單色像差,從而減少透鏡數量,引入衍射面,校正系統的色差和熱差。

可見光光路中引入樹脂材料,利用樹脂材料易于單點金剛石車削加工的優點,在該材料上設置非球面,達到校正像差,減少鏡片數量的效果。同時系統中加入具有負光焦度的雙膠合透鏡,校正系統色差。

2.3 設計結果

光學系統的最終設計光路如圖1所示,整個光學系統尺寸約為160 mm×100 mm×50 mm。光學傳遞函數MTF是反應光學系統綜合性能的重要指標,該系統的可見光光路MTF如圖2所示,從圖中可以看出,該系統MTF在50 lp/mm時軸上大于0.5,軸外大于0.3,能夠保證系統成像清晰。紅外光路MTF如圖3所示,從圖中可以看出,該系統MTF在30 lp/mm時軸上大于0.5,軸外大于0.3,能夠保證系統成像清晰。

圖2 可見光MTFFig.2 Visible light MTF

圖3 紅外MTFFig.3 Infrared MTF

大視場光學系統的畸變是反應光學系統性能的重要指標,圖4給出了可見光光路的場曲和畸變曲線,從圖4中可以看出,該系統的畸變小于3 %,能夠保證圖像不失真；圖5給出了紅外光路的場曲和畸變曲線,從圖5中可以看出,該系統的畸變小于5 %,能夠保證圖像不失真。

圖4 可見光畸變Fig.4 Visible light distortion

圖5 紅外畸變Fig.5 Infrared distortion

3 公差分析

為使本設計方案滿足實際加工、生產的需求,對該系統進行公差分析。可見光光路的公差分配如表2所示,紅外光路的公差分配如表3所示,公差是加工和裝調過程中,較為成熟和容易達到的精度。最終可見光光路公差分析和紅外光路公差分析結果如圖6、圖7所示。可見光光學傳遞函數值的空間頻率在50 lp/mm有97.7 %的概率在0.3350以上；紅外光路光學傳遞函數值的空間頻率30 lp/mm有97.7 %的概率在0.5350以上。結果表明,系統成像質量良好。

圖6 可見光光路公差Fig.6 Visible light path tolerance

圖7 紅外光路公差Fig.7 Infrared optical path tolerance

表2 可見光光路公差Tab.2 Tolerance of visible light path

表3 紅外光路公差Tab.3 Infrared optical path tolerance

4 實驗驗證

實際完成裝調的樣機實物如圖8所示,將該成像系統對遠距離目標進行拍攝,獲得的可見光圖像和熱輻射圖像如圖9所示。該成像系統對近距離目標進行拍攝,獲得的可見光圖像和熱輻射圖像如圖10所示,從圖中可以看出,系統成像質量良好。并且由于共孔徑系統的優勢,可見光和紅外的圖像不需要再做配準就可以進行圖像融合。

圖8 實物圖Fig.8 Physical image

圖9 近距離圖像Fig.9 Close-up image

圖10 遠距離圖像Fig.10 Long-distance image

5 結 論

本文介紹了一種非制冷便攜式可見光/長波紅外雙光系統,該系統采用共孔徑設計,克服了寬波段和大視場的設計難度,實現了雙波段寬視場的高清晰成像設計；同時通過對公差的合理分配和設計,保證了系統的良品率。該系統整體尺寸為160 mm×100 mm×50 mm,具備尺寸小、多波段、低成本、集成度高等優勢。后續設計改進主要針對系統成像中出現雜散光和鬼像進行分析,使成像更加清楚。