双视场像旋转无热化超紧凑的红外无焦镜头

廖小军,段 媛,贺祥清,张灏烨,郑永超

(1.四川九洲电器集团有限责任公司,四川 绵阳 621000;2.北京空间机电研究所,北京 100094)

1 引 言

只要温度高于绝对零度,一切物体都会向所在空间辐射红外光能。红外探测正是通过收集红外辐射而实现的,已成为实现全天时目标探测的重要手段。红外探测系统主要由镜头、探测器和信号处理三个部分组成。近年来,红外探测系统出现了大口径、高清晰、高帧频、自动检测识别和推理、复杂光机功能、更高紧凑度和模块化等发展趋势。这对红外镜头的研制提出了更为严苛的要求。

红外无焦镜头作为模块化探测系统的一个核心组成,一直是国内外研究和研制的重点。为适应不同系统应用的需求,Iain A.Neil[1]将变倍红外无焦镜头划分为变倍物镜和补偿镜/目镜两个子系统,通过互换补偿镜/目镜子系统以适应不同的后端相机；研究了使用变倍镜头实现多个倍率步进式双视场的技术。顿雄等[2]探讨了切换式双视场光学系统的被动无热化设计理论,使用锗、硒化锌、硫化锌三种材料、4个非球面和1个衍射面、共10片透镜,设计了宽窄视场入瞳直径分别为65/150 mm、4片透镜横向切入为宽视场、-55 ℃～+70 ℃温度范围光学被动无热化、总长度≤350 mm的长波红外无焦镜头。Allan[3]对各类公开报道的红外镜头进行了较全面的分析评述。

综合国内外同行的研究情况可以看到,折射式红外镜头的入瞳直径通常在150 mm以内,主要是受孔径边缘光线高阶像差的限制；双视场多采用围绕横向机械轴旋转的切换式[2,4]或轴向移动的步进式[5-6],或者两者的组合[7],轴向尺寸较大；无热化以光学被动、机械被动和主动调焦三种方式为主；多采用硒化锌或衍射面校正色差,并展宽无热化温度范围。

为进一步扩大入瞳直径,在给定大入瞳距和总长度等多重约束条件下实现双视场和像旋转的复杂光机功能,并满足宽温无热化和可批产的要求,本文研究了双视场镜头在薄透镜近似下满足结构和无热化要求的基本关系,分析了光学优化理论和结构等性能改进方法,结合设计实例探讨了镜头的紧凑化方法。

2 双视场镜头的无热化理论

对于光学系统初始结构,通常使用PW方法进行求解[6]。本文尝试将厚透镜的高斯光学近似和薄透镜的无热化条件相接合的方法。在高斯光学[8]近似下,同轴光学系统第i片厚透镜的光焦度ki和焦距fi可用透镜曲率半径ri1、ri2、轴上厚度zi和材料折射率ni表示为:

透镜i前后表面主平面距离透镜顶点的轴上距离为:

其中,

Δi=(ni-1)[ni(ri1-ri2)-(ni-1)zi]

(4)

透镜i的物像及向透镜(i+1)物方的传递关系为:

由于材料的折射特性和几何尺寸随使用环境温度变化,造成镜头的性能随温度而变差。为提高镜头性能的热稳定性,必须采用无热化技术,通过平衡透镜、安装镜座或运动补偿机构随温度的变化[9-10],在给定的温度范围内达到成像质量要求。特别是红外光学材料和镜座常用的铝合金材料具有较大的温度系数,而镜头的使用温度范围通常大于-40 ℃～+60 ℃,必须组合使用光学被动、机械被动或主动调焦等一种或以上的无热化手段才能达到设计要求。

按照近轴光线追迹和初级像差理论,使用3种及以上红外透镜材料可以计算镜头同时实现消色差和无热化的近轴条件[1,11]:

消色差:

无热化:

总光焦度:

其中,vi=(niM-1)/(niS-niL)为透镜色散系数,niS、niM和niL分别为短、中和长波长处的折射率,dl/dt为透镜安装座的热膨胀系数,I为透镜数。衍射面可被视为一种红外透镜材料。

在复杂镜头中,特别是伴随着球面的非球面化,温度变化不仅造成焦面的轴向移动,而且伴随着各类像差的增大和相互转换。因此,在确定镜头初始结构后,仍然必须使用光学优化软件进行实际光线追迹、像差评估和优化。

3 优化和结构等性能方法

光学优化理论的数学模型可表示为[12]:

在工程中,结构等性能方法已获得广泛运用。如在前述薄透镜替换为厚透镜以具体化结构数据,单透镜替换为双分离透镜以减小像散,单透镜替换为消色差透镜对以减小轴上色差等。另一个较普遍的运用是,选择专利等结构形式相近的镜头作为设计起点,通过不断修改和增加约束,使原有设计逐步逼近需求的新设计。

按照结构等性能方法,由初始布置和无热化理论出发,逐步增加孔径光阑尺寸、视场角、波长范围、总光焦度、实际厚透镜数量及其变量数、约束条件、约束权重和无热化温度范围。依据像差理论,首先,使用曲率半径和厚度作为优化变量。其次,针对像差情况,替换透镜材料或增加种类。再次,考虑加入相应的高阶变量或增加透镜数量。

4 设计实例

使用前述方法,本文设计了一套大口径、双视场、像旋转、无热化和超紧凑的红外无焦镜头,其基本结构如图1所示。选择开普勒望远镜为出发点。按照远摄物镜的特点[14],物镜焦距随尺寸较小的负透镜变化敏感,故将该透镜作为扩展被动无热化温度范围的调焦透镜。使用倒置伽俐略望远镜组横向平移或转动切入光路实现宽视场,使两个视场下物镜组的光焦度始终为正、负相间,有利于平衡镜头像差。由于紧凑性和像差对称性,使用别汉棱镜绕光轴旋转,实现物空间在物镜实焦上的像旋转[14]。物镜实焦面位于别汉棱镜之后,由目镜组准直。孔径光阑位于目镜组后,在物方的实像形成入瞳。入瞳的直径和轴向位置随视场切换而改变。

图1 基本结构Fig.1 Basic configuration

双视场方式主要有横向的切换式和轴向移动的步进式两种。尽管切换式有较多的缺点[6],但在本镜头中仍然具有明显的优势。首先,由于切换透镜组不需要同时满足双视场像差平衡的需要,使得设计灵活性更大,可使双视场像差均获得更好的平衡。其次,在切出的小视场大口径情况下,光学效率高于步进式,更利于远距离探测。再次,在与可见光或激光测距光路集成的多光轴情况下,更利于保证大口径情况下的多光轴一致性。

别汉棱镜光程较长,沿光线传输方向展开后的光轴长度为L=4.621D,其中D为棱镜的理想光束直径。因此,远摄物镜至焦面的距离必须足够长,以使焦面位于别汉棱镜之后,消除棱镜材料非均匀造成红外潜像和棱镜对光敏面冷反射的风险[1]。

使用式(1)～(6),沿入瞳向出瞳考察光阑传递关系,物镜组将入瞳成像于焦面之后。将目镜组布置于物镜焦面和入瞳像之间,从而在实现焦面准直的同时,将入瞳像拉出目镜之后形成实像,与孔径光阑重合。在使用远摄物镜的情况下,物镜的焦距比较长,有利于使用小尺寸的目镜实现较大的角放大倍率。在优化过程中适当控制光瞳像差,以使各透镜的净孔径尽可能小。在光机设计上,利用光路梭形包络的腰部空间布置视场切换、调焦和像旋转机械机构。这些措施都有利于提高镜头的紧凑性[1]。

由于镜头和优化过程的复杂性,应注意以下几点:

1)切入透镜组仅影响宽视场,切入前后应保证所有其他光学实体的数据、尺寸传递和坐标关系完全不变。窄视场作为完整的光学系统,与切入透镜组的位置无关。同样地,调焦透镜的轴向移动和像旋棱镜的旋转也应如此。

2)在使用不同机械材料和复杂装配关系的情况下,透镜数据编辑器中的所有厚度、角度和坐标关系应与透镜实际的装配一致,以降低软件仿真模型与实物不一致的风险。因此,按照机械装配关系,需要在透镜数据编辑器中适当增加虚设面和坐标打断,实现模型与实物的严格对应。

3)为避免在后续检查冷反射和公差分析时返工,应当在设计接近目标时,对各温度点加入控制冷反射的YNI、I/I′和公差的相关约束。

冷反射是由制冷红外探测器光敏面作为辐射红外光能的物,经由镜头中各光学面残余反射后,又在光敏感面上成实像而造成的[15]。在光路中没有运动光学面的情况下,冷反射像作为固定模式噪声经由探测器非均匀性校正过程抑制。但在本文研究的镜头中,视场切换、调焦和像旋转均会使非均匀性校正数据与原始非均匀图像在空间上错开,不仅不能校正非均匀性,反而将校正数据的非均匀性反映到图像中。

光学参量YNI和I/I′值是评估冷反射量值的手段之一,其中,Y是边缘光线高度;N是折射率;I和I′分别是边缘光线和主光线的入射角。增加各光学面的YNI绝对值,以增大经该面冷反射的离焦。或者降低低YNI值光学面镀膜的残余反射率。这些措施都可以降低冷反射[1]。

为完全准确地检查各光学面冷反射的成像情况,可对冷反射进行实际光线追迹[15]。限于篇幅,本文不再展开。

5 设计结果与装调讨论

优化后的镜头结构如图2所示,主要参数如表1。

参数优化结果工作波长范围7.7～9.3 μm双视场方式内部横向切换式,透镜组切入为宽视场(WFOV),切出为窄视场(NFOV),切换前后焦面位置不变对角线视场WFOV 6.8 °,NFOV 3.5 °入瞳直径WFOV82 mm,NFOV 160 mm入瞳距(ENPP)WFOV43 mm,NFOV 415 mm轴向长度(TOTR)物方第一光学面至出瞳的轴向总长度345 mm光学材料单晶锗、硒化锌、多光谱硫化锌镜座材料航空铝合金无热化温度范围-40 ℃～+60 ℃

物镜组由L1、L2和L6共3片单晶锗构成。若将L2透镜改为硒化锌,将进一步校正色差[1-3],获得更好的高低温像质；但为降低成本,改用单晶锗。视场切换镜组由L3、L4和L5共3片透镜组成,其中L4为硒化锌,以校正宽视场下的色差,并降低窄视场下的像差难度。在双视场无热化温度范围内,调焦透镜L6轴向运动范围为向前1.3 mm、向后2.2 mm,与像旋棱镜P1/P2间的间隙可以满足过调焦、装调公差累积和相互独立运动的安全距离要求。目镜组由L7和L8构成。整个镜头轴向尺寸TOTR约345 mm,充分利用了光学和光机设计的轴向和横向空间。

宽窄视场下的MTF曲线、能量集中度曲线和场曲/畸变分别如图3～图6所示。出于紧凑性、成本、加工安全性和长期使用的性能稳定性考虑,透镜材料限定于力学和镀膜性能较好的单晶锗等,且镜坯材料尺寸要易于采购,加工过程中毒风险低,面型稳定性高,镀膜工艺成熟,使用过程无脱膜风险；镜座限定于航空铝合金。这些因素都使得镜头各光学面的光焦度和像差绝对值较大。但从图3～图6可以看到,优化后镜头的MTF和能量集中度在-40 ℃～+60 ℃ 范围内接近衍射限,畸变小于3%,像质较好。表2给出了光加、装调的主要公差和其他可生产性项目检查情况,可见该镜头有较好的可生产性。

图3 宽视场的MTFFig.3 MTF in WFOV

(a)+20℃,WFOV

(b)+60 ℃,NFOV

(c)-40 ℃,NFOV图4 窄视场的MTFFig.4 MTF in NFOV

(a) +20 ℃,WFOV

(b)+20 ℃,NFOV图5 能量集中度Fig.5 Encircled energy

(a) +20 ℃,WFOV

(b) +20 ℃,NFOV图6 场曲和畸变Fig.6 Field curvature and distortion表2 可生产性项目检查Tab.2 Checklist of manufacturability

项目结果材料折射率公差0.001 @ 9μm球面光圈公差全局2,局部0.5,@ 0.6328μm非球面面型公差0.6 μm透镜中心厚度公差0.05 mm光学表面偏心公差0.02 mm光学表面倾斜公差0.02 mm透镜装配偏心公差0.1 mm透镜倾斜公差0.1 mm生产装配环境温度～20 ℃主要装配手段反射式中心偏测量、自准直望远镜反射测量、光学定心车削、千分尺补偿加工误差的装调方式目镜组整体移动蒙特卡罗分析结果概率≥0.9 @(MTF≥90%标称值)

该镜头的装配调整难度较大。图7给出了装配简图。为有效地降低非球面透镜的倾角误差,对各非球面随光加一次性车削基准平面；同时每片非球面透镜使用配合平面装配,调整灌胶后使用定心车削实现与非球面光轴的共轴和正交。各透镜组使用单独的基准镜筒完成子装配,再使用中心偏测量仪一次性装夹向主镜筒由后向前装调。主镜筒为各子装配提供的基准面、基准内圆由精密数控机床一次性车削完成,从而为各子装配提供了同轴度和正交度很高的统一基准。

图7 镜头的装配Fig.7 Lens assembly

别汉棱镜的装调一直是工程界的一大难题。当别汉棱镜与前后光路光轴存在平移和角度误差时,透过棱镜的光轴随棱镜旋转以二倍速度划帕斯卡蜗线[16]。本文采取三个步骤解决。首先,棱镜的镀膜既要实现长波红外高效率,又要兼顾可见光装调的读数清晰度。其次,使用高精度的可见光自准直显微镜测量别汉棱镜4个与光轴正交的平面对光源的4个反射自准像,保证胶合前后的平行差小于10″。再次,使用图8的装置,调整别汉棱镜与基准面B的正交度和与基准圆C的同轴度。

经光机设计、加工和装调,配合F/2的工装镜头和制冷型长波红外探测器进行测试,该镜头MTF测试曲线接近设计值,无冷反射现象,一次性通过测试。

在图8中,首先,确保自准直仪A和B与气浮转台同轴,且A与B共焦。其次,安装别汉棱镜子装配,使用千分尺调整至基准B和C分别与气浮转台轴正交和同轴。再次,使用自准直仪A使得别汉入射平面与气浮转台正交,且在气浮转台旋转过程中,A与B共焦测得的A中对B的读数波动小于容许值。此时,别汉棱镜对称面和入射面分别与基准圆C确定的机械轴重合或正交,与基准面B正交或平行。

图8 别汉棱镜的装调Fig.8 Alignment of Pechan

6 结 论

为在限定大入瞳距、总长度、成本和可加工性等多重约束下实现大口径、双视场、像旋转和无热化,并为模块化红外探测系统提供稳定可靠的镜头,本文从高斯光学和无热化理论出发确定镜头的初始结构数据；分析了光学优化理论和结构等性能改进方法,通过逐步扩充结构变量数,以在尽可能低的代价下逼近设计目标；结合设计实例探讨了镜头的紧凑化方法。为验证本文方法的实用性,设计了一套长波红外无焦镜头,并加工、装调和测试完成。设计评估和测试结果表明,该镜头满足所有设计目标,具有较好的可生产性,性价比较好。这为后续研制通用化、系列化和组合化的复杂探测系统,特别是复杂功能的光机系统,提供了有益的借鉴。