三組聯動長波連續變焦紅外光學系統

孫 浩,高 益,鄧 巖,于 興,于小春,梁進智

(北京華北萊茵光電技術有限公司,北京 100015)

1 引 言

無人機作為一種有效的作戰手段越來越多的應用于現代戰場中,傳統的機載吊艙體積大、質量重,不利于無人機遠程應用。吊艙的小型化設計需要對搭載的各種探測系統進一步降低體積和質量。相比于制冷型紅外探測器,長波非制冷探測器省去了杜瓦以及斯特林制冷機的空間和質量,適合于一些小型化吊艙的設計,但其NEDT相較于非制冷探測器要高很多,所以非制冷探測器的光學系統需要更大相對孔徑以提高目標的探測效率,同時為了兼顧導航和目標探測,光學系統需要采用連續變焦的結構形式。

在軍用領域和民用領域,基于長波非制冷探測器的連續變焦光學系統一直是國內外學者研究的熱點。何伍斌等人采用6片透鏡,負組變倍、正組補償的變焦結構設計了一種26～120 mm的大相對孔徑連續變焦光學系統[1],虞翔等人基于補償組兼顧調焦群作用的Varifcocal結構,采用4片透鏡設計了一種變倍比為6×的長波紅外變焦光學系統[2],吳海清等人使用5片透鏡,兩組元聯動的結構設計了光學總長125 mm、焦距25～75 mm的長波紅外連續變焦光學系統[3],但是當系統軸向尺寸壓縮,雙組聯動連續變焦結構中各個組元光焦度進一步增大,超過了組元的孔徑容限,無法保證連續變焦過程中的成像性能。

本文在前人研究的基礎上,采用機械補償三組元聯動的結構形式,針對陣列規模1024×768,像元尺寸12 μm的非制冷長波紅外探測器,設計了焦距25～150 mm,F1.4的長波紅外連續變焦光學鏡頭,其光學總長155 mm,結構長度132.7 mm,在-40～+60 ℃溫度范圍內采用系統內調焦鏡組進行補償,適用于小型化的吊艙、手持型紅外設備以及類似場景下的應用。

2 設計原理

在光學系統焦距、相對孔徑一定的條件下,壓縮系統長度,對應的系統內各個組元的光焦度會變大,其孔徑角也會變大。這樣的結果一方面增大了球差、彗差等大孔徑像差,提升了系統設計難度；另一方面各個組元的偏心誤差會引起系統MTF顯著下降,提高加工和裝調難度。

三組元聯動的變焦結構形式相比于傳統兩組元機械補償式連續變焦結構,增加一個補償組元,可以通過控制該補償組元的光焦度和像距,使其在放大倍率絕對值小于1的位置附近補償焦面偏移,總的軸向運動量為0。此時補償組處在快速補償曲線運動區域[4],系統在變倍過程中光學總長度沒有變化,但增加了補償組的軸向運動自由度。

圖1是三組聯動連續變焦原理示意圖,系統由5片透鏡組成,分別為前固定組、變倍組、補償組1、后固定組、補償組2,對應焦距為f′1、f′2、f′3、f′4、f′5,變倍組、補償組1、后固定組、補償組2對應放大倍率為m2、m3、m4、m5。變倍組、補償組1、補償組2在長焦時放大倍率為m2l、m3l、m5l。補償組2總軸向運動量為Δq5。補償組2滿足以下條件:

|m5|<1,Δq5=0,m5=m5l。

同時有:

f′1m2m3m4>f′1m2m3m4m5

f′1m2lm3lm4>f′1m2lm3lm4m5l

在此條件下系統總焦距不變,但前變焦組組合焦距變長,組元內光焦度分配得到優化,降低了孔徑角壓力,從而在保證變倍比和軸向長度的條件下,能夠獲得更好的公差。

圖1 三組聯動連續變焦原理示意圖

補償組2的運動軌跡由下式表達,在設計時需要根據系統長度的要求,以及后固定組與補償組2的最小間隔、像距,合理選擇補償組2的焦距。補償組2的放大倍率變化范圍應控制在合理區間,過大不利于相對運動的控制,結構無法實現；過小則其在變焦過程穩定像面作用不明顯。因為其運動的對稱性,補償組2最小倍率處在整個變焦過程的中焦段,依焦距對稱分布。

3 設計實例

3.1 設計參數

探測器選用長波非制冷焦平面陣列,具體的設計指標如表1所示。

表1 設計指標

3.2 設計結果

系統共包含5片透鏡,結構為正、負、正、負、正,透鏡材料選用鍺,系統光學長度155 mm。設計使用了光學軟件Zemax對系統像差進行了優化,結果如圖2所示,采用非球面對系統球差進行了矯正,在補償組1位置使用了衍射面修正色差,系統的溫度補償以及近距離調焦由后固定組實現,根據后工作距離以及后固定組的間隔要求,對補償組2的光焦度及放大倍率進行了控制。

圖2 系統圖

系統短焦、中焦、長焦在常溫下設計傳函如圖3所示,MTF在30 lp/mm,軸上大于0.4,軸外大于0.1,滿足非制冷紅外探測器的使用要求。

(a)

系統短焦、中焦、長焦在常溫下設計點陣圖如4所示,全視場能量收斂到艾里斑內,能量較為集中。

(a)

系統短焦、長焦設計畸變如圖5所示,在短焦端畸變小于4 %,在長焦端畸變小于3 %,滿足使用要求。

(a)

3.3 樣機及性能

根據以上設計,進行了樣機的制造。如圖6所示對各個組元變焦過程的運動曲線進行了平滑處理,采用凸輪保證組元在運動過程中的相對位置,由兩臺直流電機提供變焦和調焦的動力,使用外置溫度傳感器提供環境溫度的測量,并通過運動控制板利用存儲的調焦補償數據在高溫和低溫狀態下對焦面偏移進行實時補償,保證高低溫變焦過程的清晰,圖7為樣機外型及實物圖。

圖6 各組元運動曲線

使用OPTIKO傳函測試儀在常溫下對樣機長焦端中心視場光學傳遞函數進行了測試,結果如圖8所示,使用640×512,12 μm探測器進行了成像測試,結果如圖9所示,傳函測試結果及成像質量滿足技術指標要求。

圖8 長焦中心視場MTF測試結果

圖9 長焦和短焦實測效果(640×512 12 μm探測器)

4 結 論

討論了一種機械補償三組元聯動的連續變焦結構形式,這種結構適合應用到大變倍比緊湊的設計條件,使系統獲得更好的設計公差,滿足成像要求。利用此種結構形式,針對陣列規模1024×768像元尺寸12 μm的非制冷長波紅外探測器,設計了焦距25～150 mm,F1.4的長波紅外連續變焦光學鏡頭,光學總長155 mm,結構長度132.7 mm,適用于小型化的吊艙、手持型紅外設備以及類似場景下的應用。