中波红外连续变焦系统设计

杨为锦,孙 强

(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春 130033; 2.中国科学院研究生院,北京 100049)

1 引 言

红外成像技术是目前各军兵种都非常需要的新型高科技技术。红外探测系统具有环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强以及能在一定程度上识别伪装目标,且设备体积小、重量轻、功耗低等特点,在军事上被广泛应用于红外夜视、红外侦察以及红外制导等。一般红外变焦成像系统分为连续变焦和定档变焦两种,定档变焦又多以两档、三档变焦为主。连续变焦的红外光学系统用于机载光电侦察系统,既能为飞行员在巡航和搜索时提供最好的态势了解,又能在发现目标时,调到小视场瞄准跟踪。在视场转换过程中能够保持图像的连续性,对搜索和跟踪高速运动目标是非常有利的,该系统解决了两档与多档镜头在视场切换的时间间隔内对快速运动的目标丢失这一缺陷,因此,广泛应用于的机载光电侦察设备中。

本文基于中波红外 320×240制冷型探测器,设计了一套高变倍比中波红外连续变焦光学系统。该系统可以实现 11～200 mm变焦,变倍比为 18×,F#为 3,工作波段为 3～5μm,满足 100%冷光阑效率,在空间频率 16 lp/mm处的 MTF值＞0.6。系统具有结构紧凑,易于装调,灵敏度高,质量轻等优点。

2 系统设计

2.1 光学技术指标

系统采用 320×240凝视焦平面阵列探测器,探测器的性能指标为:光谱响应范围 3.7～4.8μm,像元尺寸 30μm ×30μm,探测灵敏度峰值 ＞1.5×1011W-1Hz1/2cm,工作温度 110～130 K,像面对角线尺寸 12 mm,质量 600 g。

光学系统的设计指标为:工作波段 3～5μm;焦距 11～200 mm;F#为 3;像面 ＜12 mm;系统总光学效率≥70%;光学系统的冷屏效率 100%;外型尺寸 ＜320 mm×200 mm×180 mm(W×H×L)。

2.2 系统分析

2.2.1 系统整体分析

由于长焦距系统视场窄,入瞳大,本文采用二次成像光学系统来实现系统前端光学零件较小口径的目的 (满足工艺要求),尽管增加了透镜的个数,但为像差校正提供了更大的空间,因此,可将系统分为变焦组份和二次成像组份。变焦组份由前固定组、变倍组、补偿组、后固定组组成,可将它们对系统的光焦度的贡献设计为正、负 、负、正[1]。为了减小器件和镜筒内热辐射的影响,要求冷光阑效率达到 100%,也就是将探测器的冷光阑作为系统孔径光阑。通过两个反射镜使系统结构紧凑,满足最后尺寸小于 320 mm×200 mm×180 mm的要求。系统采用直流伺服电机驱动来实现连续变焦,而且随着加工工艺的不断提高,系统设计需要尽可能少的镜片以提高透过率,因此,系统引入了非球面。

2.2.2 二次成像系统和光瞳衔接

二次成像系统主要用于解决长焦距 (窄视场)入瞳太大的问题。二次成像中的光瞳衔接[2],即前面变焦部分的出瞳和二次成像系统的入瞳衔接,才能保证系统冷光阑的效率。本文的衔接方法如下,其主光线光路如图1所示。图中的L1、L2、L3、L4分别为出瞳到第一像面、第一像面到二次成像透镜、二次成像系统到冷光阑、冷光阑到探测器的距离;h1、h2、h3、h4、h5分别为出瞳半口径、第一像面大小的一半、主光线在二次成像系统的高度、冷光阑的半口径、探测器像面大小的一半;a1、a2分别为光线在二次成像系统前后与水平线的夹解 ,其中L4、h4、h5、a1、a2为已知量。

图1 主光线图Fig.1 Schematic drawing of chief ray

由牛顿公式可得:

其中,f为二次成像的焦距,M为二次成像的放大率。

由图 (1)中的三角关系可知:

联合方程 (1)～(9),解得:

于是 ,由式 (1)、式 (2)分别可以求得f、L2。

由冷光阑的半口径,可求得上述系统的出瞳(后面系统的入瞳)大小。求解过程得出结论如下:

1)出瞳到探测器的距离 (L1+L2+L3)随着a1角度的变小而变短。

2)随着转向系统的倍率M增大,出瞳到探测器的距离变短,符合系统紧凑的原则,但是整个系统的F数也随之增加,系统的灵敏度降低,因此二次成像系统多采用M=1。

3 设计结果

系统由变焦部分和二次成像系统组成。变焦部分由前面的 4个镜片组成,分为前固定组、变倍组、补偿组、后固定组。系统的第 1片为前固定组,引入一个非球面用于校正球差、彗差,和一个衍射面用于校正初级色差和色球差;第 2、3片为变倍组,采用高折射率锗材料,以及低色散的硅材料来校正轴向色差、彗差、轴外像差;第 4、5片为后固定组;第 6、7片为二次成像系统,引入了 2个非球面。系统光路追迹图如图2所示,分别为长焦、中焦、短焦。

图2 光学系统原理图Fig.2 Schematic drawing of zoom optical system

3.1 像质评价

3.1.1 传递函数

传递函数是光学系统的主要评价手段之一。该系统的传递函数如图3所示,(a)、(b)、(c)分别为长焦、中焦、短焦的曲线图。从图中可以看出,16 lp/mm空间频率下 MTF＞0.6。说明该系统有较高的像质,即可以有一定的加工、装配裕度。由于窄视场只是用于对环境态势的了解,相对于正畸变,负畸变更有利于视场增大。本系统宽视场的畸变为 -4.94%,满足红外系统大视场的畸变 ＜±5%。

图3 系统的传递函数曲线Fig.3 MTF curves of system

3.2 能量分布

能量的分布直接反映了能量的聚集状况[3],本系统长焦、中短、短焦的 80%能量都分布在一个像元内。能量分布曲线如图4中 (a)、(b)、(c)所示。

4 冷反射现象及分析

图4 能量分布Fig.4 Curves of energy distribution for system

冷反射现象是热成像系统所特有的一种图像异态,在红外热成像系统中是指被制冷的探测器从透镜组光学表面的反射中看到自己,探测器自身作为反射像而成像的现象[4,5]。这种现象一旦产生,影像中心在呈现被摄物体像的同时还呈现探测器的影像,通常表现为在图像中心有一个黑点。凝视型光学系统中,冷反射值的大小并不代表实际光学系统中冷像就显现出来,可以通过电路的非均匀校正来消除冷像。凝视型光学系统冷像显现的可能条件是振动和视场切换,因为非均匀校正只是针对系统某一状态进行的,校正完成以后,如果因为振动 (或视场切换)等原因引起了系统布局的变化,就会导致某一光学表面在变化前后对系统的冷反射的贡献的差值过大,超过系统的最小分辨温度差 (MRTD),系统的冷像就会显现出来。因此,对于变焦系统 (透镜轴向移动,视场变化),必须进行系统的冷反射分析。通常引入两个特征量YN I和I/IBAR来反映冷反射的强弱,其中Y是边缘光线在该面的投射高,N是折射率,I是边缘光线的入射角度,IBAR是主光线的入射角度。实验表明,如某面的YN I值很小,但I/IBAR值 ＞1,那么该面的冷象影响就很小,反之亦然。在变焦系统设计中,在选择结构和优化过程中应该考虑I/IBAR、YN I,确保各面的I/IBAR,YN I越大越好[6]。因此将YN I或I/IBAR绝对值＞1的基本要求作为系统结构选择和优化的一个约束条件来对变焦系统的各重结构的各个面的冷反射强度进行分析和控制。通过冷反射分析,得知系统在短焦距时冷反射最为强烈,分析结果如表1所示。

表1 冷反射分析Tab.1 Analysis of cold reflection

由表1可知,根据两个特征向量判断第 3、7、8、9、10、14面的冷反射可能会使系统冷反射的强度较大 ,其中 ,第 3、7、8、14面的I/IBAR＞1,说明冷反射噪声几乎不随视场的变化而变化,可以把它叠加在冷电平上滤除掉。对与I/IBAR＞1的面采用反向追迹光线的方法,将整个系统倒过来,用探测器作为冷光源,追迹从它发出的反向光线。图5的 (a)和 (b)分别是第 9、10两个面的冷反射光线追迹示意图。

图5 冷反射光路追迹图Fig.5 Schematic of cold reflection ray-tracing

由图5可知,第 9面追迹后,光线受到平面的反射没有聚集到探测器上。第 10面追迹后,近轴光线聚集到探测器前面 12 mm处,因此,不会带来严重的冷反射效应。

5 结 论

本文基于 320×240凝视焦平面阵列探测器,设计了一套中波红外连续变焦光学系统,并介绍了光瞳衔接问题的解决方法。该系统具有像质好、变倍比大、分辨率高、热灵敏度高的特点。分析了系统可能的冷反射强度,利用反射镜的折叠光路实现了系统结构紧凑、质量轻,满足技术指标的要求。该系统可用于导航、搜索、跟踪、警戒、侦查等方面。

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