便携式多波段共孔径光学设计

刘秋佐,曹景华,杨加强,冯位欣

(中国电子科技集团第十一研究所,北京 100015)

1 引 言

在传统的多波段非制冷便携式热像仪中,可见光成像和红外成像等不同波段的光学系统分别采用各自的光学系统单独成像。系统具有集成度低、尺寸大、重量重、光学有效口径难以做大等诸多缺陷[1-2]。鉴于目前红外技术的快速发展以及手持热像仪竞争的日趋激烈,多镜头分孔径集成的方式难以满足越来越高的体积、重量、口径等指标需求。多波段共孔径集成必将是下一代非制冷便携式热像仪的一个研究重点[3-4]。

共孔径集成是指将不同波段的光线通过同一个物镜,再利用分光镜或分光棱镜将不同波段的光线分开,经各自的矫正光路后,最终成像于不同探测器。该种方式具有无视场遮拦,重量轻、有效口径大等优点,具有很强的市场竞争力[5]。

本文设计目的在于提供一种小型化紧凑型多波段共孔径光学系统,该光学系统克服了传统多波段分孔径集成光学系统集成度低、尺寸大、重量重、光学有效口径难以做大等缺陷,针对多波段非制冷成像系统在军用和民用领域的广泛应用前景,需要发明结构型式简单、高集成度、低成本、高性能的光学系统,以增强多波段非制成像系统的市场竞争力。

2 光学设计

2.1 技术指标

系统设计指标参数如表1所示。

表1 光学系统设计参数要求Tab.1 Requirements of optical system design parameters

2.2 光学系统设计

光学系统一般分为折射和反射系统。反射系统基于镜面反射的原理工作,具有重量轻,无色差的优点,同时有利于减小筒长,使结构更加紧凑。当用相同热膨胀系数的镜面和镜筒进行组合,能够有效的消除环境温度变化带来的影响。但因为入射和反射光线位于镜片同侧,同轴反射式系统存在遮拦中心的问题,且随着视场增大,轴外像差会难于矫正,且中心遮拦也会明显增大,光学传递函数会迅速下降,因此一般适用于视场角较小的系统。离轴反射式系统存在加工难,价格高,装调难等问题[6-7],也不适用与本系统。所以选择折射式系统为初始结构。

为了实现该设计效果,需要光焦度(φ)和色差系数(ω)满足下述两个方程:

1)光焦度方程

(1)

2)消色差方程

(2)

式中,h1是近轴光线在系统第一片镜片的入射高度,hi是近轴光线在系统第i片镜片的入射高度,如果透镜组为密接型,忽略镜片厚度引起的相邻镜片h1间高度差异,则近似认为h1=hi,φi和ωi分别为第镜片组的光焦度和消色差系数。

根据上述理论,采用光学设计软件CODEV进行优化设计。首先根据设计参数选择初始结构,确定光学结构型式和外形尺寸,并在此基础上建立约束条件和进行优化,直至最终成像质量和各项指标满足要求。最后对系统公差进行分析。最终设计结果如图1所示。

图1 光学系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of optical system structure

共孔径物镜的选择从增大视场和矫正像差两个方面考虑[8],保证系统视场角满足指标要求且在486～656 nm和8000～12000 nm具有较高的透过率,因此选择具有负光焦度的ZNS材料。可见光和红外光路的光阑分别设置在各自光路第一片透镜的前面,既可以平衡轴外像差,又可以有效限制后面透镜的尺寸；同时红外光路引入非球面降低系统单色像差,从而减少透镜数量,引入衍射面,校正系统的色差和热差。

可见光光路中引入树脂材料,利用树脂材料易于单点金刚石车削加工的优点,在该材料上设置非球面,达到校正像差,减少镜片数量的效果。同时系统中加入具有负光焦度的双胶合透镜,校正系统色差。

2.3 设计结果

光学系统的最终设计光路如图1所示,整个光学系统尺寸约为160 mm×100 mm×50 mm。光学传递函数MTF是反应光学系统综合性能的重要指标,该系统的可见光光路MTF如图2所示,从图中可以看出,该系统MTF在50 lp/mm时轴上大于0.5,轴外大于0.3,能够保证系统成像清晰。红外光路MTF如图3所示,从图中可以看出,该系统MTF在30 lp/mm时轴上大于0.5,轴外大于0.3,能够保证系统成像清晰。

图2 可见光MTFFig.2 Visible light MTF

图3 红外MTFFig.3 Infrared MTF

大视场光学系统的畸变是反应光学系统性能的重要指标,图4给出了可见光光路的场曲和畸变曲线,从图4中可以看出,该系统的畸变小于3 %,能够保证图像不失真；图5给出了红外光路的场曲和畸变曲线,从图5中可以看出,该系统的畸变小于5 %,能够保证图像不失真。

图4 可见光畸变Fig.4 Visible light distortion

图5 红外畸变Fig.5 Infrared distortion

3 公差分析

为使本设计方案满足实际加工、生产的需求,对该系统进行公差分析。可见光光路的公差分配如表2所示,红外光路的公差分配如表3所示,公差是加工和装调过程中,较为成熟和容易达到的精度。最终可见光光路公差分析和红外光路公差分析结果如图6、图7所示。可见光光学传递函数值的空间频率在50 lp/mm有97.7 %的概率在0.3350以上；红外光路光学传递函数值的空间频率30 lp/mm有97.7 %的概率在0.5350以上。结果表明,系统成像质量良好。

图6 可见光光路公差Fig.6 Visible light path tolerance

图7 红外光路公差Fig.7 Infrared optical path tolerance

表2 可见光光路公差Tab.2 Tolerance of visible light path

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

4 实验验证

实际完成装调的样机实物如图8所示,将该成像系统对远距离目标进行拍摄,获得的可见光图像和热辐射图像如图9所示。该成像系统对近距离目标进行拍摄,获得的可见光图像和热辐射图像如图10所示,从图中可以看出,系统成像质量良好。并且由于共孔径系统的优势,可见光和红外的图像不需要再做配准就可以进行图像融合。

图8 实物图Fig.8 Physical image

图9 近距离图像Fig.9 Close-up image

图10 远距离图像Fig.10 Long-distance image

5 结 论

本文介绍了一种非制冷便携式可见光/长波红外双光系统,该系统采用共孔径设计,克服了宽波段和大视场的设计难度,实现了双波段宽视场的高清晰成像设计；同时通过对公差的合理分配和设计,保证了系统的良品率。该系统整体尺寸为160 mm×100 mm×50 mm,具备尺寸小、多波段、低成本、集成度高等优势。后续设计改进主要针对系统成像中出现杂散光和鬼像进行分析,使成像更加清楚。