基于目标探测光学补偿红外变焦系统设计

蓝岚，任兵，周子楠，王文生

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

近年来，随着科学技术的发展，光学相关探测识别技术在军事战场与民用领域中有着越来越广泛的应用。联合变换相关器是光学相关技术的重要应用之一，通过对两物体的相关运算，可以准确辨识和定位目标［1］。随着红外成像技术越来越成熟及其应用的范围越来越大，对红外变焦光学系统的需求日益增强［2］。由此，红外变焦光学系统可结合联合变换相关器对红外目标进行探测跟踪，连续变焦光学系统可以在一定范围内改变系统焦距，使目标图像的大小连续变化，可以进行大视场搜索目标，小视场仔细观测［3］。

变焦光学系统按照补偿方法可分为机械补偿法和光学补偿法。机械补偿法的变倍组作线性运动，补偿组作非线性运动，通过凸轮、非线性螺纹等机构使补偿组作非线性运动来保持像面不动，结构紧凑，可实现大变倍比；在光学补偿法变焦系统中，所有移动透镜组一起作线性移动，其最大的优点是不需要偏心凸轮，简化了机械构造，减小了整个系统的外形尺寸、重量和成本，适用于小变倍比系统［4］。无论采取哪种补偿方式，都要求光学系统在变焦范围内保持像面稳定及像质良好。针对用户的光学参数变倍比和变焦范围需求，本文选择光学补偿方法。

李正等人［1］设计了一种四倍长波红外变焦系统，变焦范围为60～240mm，该系统的补偿方式是机械补偿，与光学补偿方式相比，多了一组凸轮结构。Milton Laikin［5］设计了一种光学补偿式变焦系统，变焦范围100～200mm，该系统为可见光系统，采用了十片透镜，包括四片双胶合透镜，文献中仅给出了光学传递函数曲线，此光学系统的透镜片数较多。白瑜等人［6］设计了一种长波红外变焦系统，变焦范围为32～160mm，采用切入式变焦方式，仅能实现两档变焦，不能实现连续变焦。陶亮等人［7］设计了一种制冷式光学补偿长波红外变焦系统，变焦范围为53～265mm，利用二次成像的方式来控制光学系统的横向尺寸，且系统中采用了十片透镜，导致系统重量增加，同时降低了系统的透过率。

1 联合变换相关器的原理

图1为联合变换相关器的结构图，1为光源激光器，2为衰减片，3为显微物镜，4为针孔，5为偏振片，6为准直物镜。其基本工作原理是：将CCD1实时摄取的目标图像与参考图像组成联合图像，输入到电寻址液晶EALCD1中；该联合图像经过透镜FTL1傅里叶变换，其功率谱由CCD2接收；计算机处理后的功率谱输入到电寻址液晶EALCD2中，经过透镜FTL2傅里叶变换，由CCD3探测到相关峰；根据相关峰在CCD3的位置可确定目标及其方位［8］。

图1 联合变换相关器的结构

2 光学系统设计

2.1 光学系统技术指标

本文为了满足用户的需求，设计了光学补偿式长波红外变焦系统，变倍比为2倍，应用于联合变换相关器的红外目标探测。针对战场中坦克战车的目标距离，要求系统变焦范围为100～200mm。基于目标图像的像面照度及红外目标图像分辨率的要求，设定F数为3。本系统选用的探测器为2／3英寸红外CCD，其像元数为320×240，像元尺寸为30μm×30μm。根据探测器感光面的尺寸和焦距可知，其视场变化范围为3.15°～6.3°。

2.2 初始结构选择

根据红外变焦系统的技术指标要求，通过查找相应参考文献，确定系统的初始结构。该结构包含八片透镜和一片探测器的保护玻璃，材料全部为锗，系统采用光学补偿变焦方式，变焦范围70～104mm，总长360mm。图2所示为系统在 f=150mm时的二维结构，图3为系统点列图，可知，光学系统的弥散斑的均方根半径远大于艾里斑半径，能量集中度低。图4的MTF曲线远低于衍射受限曲线。

图2 初始结构

图3 点列图

图4 MTF曲线

2.3 设计过程

使用光学设计软件ZEMAX对初始结构进行优化设计，由图5赛德和系数表可知，系统存在较大的球差、色差、像散和畸变。考虑到初始结构采用单一的锗材料，不利于校正色差，故将系统第七片镜片材料改为ZnSe，作负透镜，主要作用用来校正球差与色差。在优化过程中，通过改变光阑位置来校正系统像散和倍率色差。由于系统球差很大，为了更好地校正球差，在系统第二和第四个面引入偶次非球面。同时去掉系统第六片透镜，有效简化了系统结构。控制系统总长度和后截距，对系统进行优化设计。经反复调校和优化设计，使系统的初级像差与高级像差平衡。第二面的圆锥系数为-0.832，偶次非球面的2、4、6、8次位相系数分别为4.412×10-4、1.295×10-7、4.270×10-12、1.239×10-15；第四面的圆锥系数为0.083，偶次非球面的2、4、6、8次位相系数分别为-3.378×10-4、-6.259×10-8、2.180×10-12、-2.039×10-15。在整个优化过程中，保持相对孔径不变，像面稳定，像质优良。

图5 赛德和系数表

2.4 设计结果及像质评价

所设计的长波红外光学补偿变焦光学系统在图6中示出，系统由七片透镜和一片平行平板组成，引入两个非球面，系统总长335mm，在100～200m范围内可实现连续变焦。其在短焦、中焦、长焦三个位置光学系统的三维图如图6所示。

图6 变焦系统三维图

调制传递函数（MTF）是成像光学系统的主要评价手段，在短、中、长焦位置，光学系统的MTF曲线如图7所示。从图中可以看出，在整个变焦范围内，在截止频率17lp／mm处，各视场的MTF值均接近衍射受限曲线，像质优良。但MTF不包括主光线像差，目视光学系统要求畸变小于4%。图8为在短、中、长焦位置，光学系统的畸变曲线，在各变焦位置最大畸变为4%，满足系统像质要求。

3 实验结果

图7 光学系统调制传递函数曲线

图8 畸变曲线

图9 联合图像

图10 联合变换功率谱

图11 相关峰

将所设计的红外变焦光学系统置于联合变换相关器（图1）中CCD1的前端，对红外目标进行相关探测实验。图9是由CCD1所摄取的红外目标与参考图像组成的联合图像，经过FTL1和FTL2获得的联合变换功率谱和相关峰如图10和图11所示，相关峰尖锐明亮。根据该相关峰的位置和变焦光学系统的焦距，可以实现对目标的识别和定位。实验结果表明，该变焦光学系统满足联合变换相关器对红外目标探测的要求。

4 结论

本文针对联合变换相关器的红外目标探测的需求，设计了光学补偿式长波红外变焦系统。该系统由七片透镜构成，仅引入两个非球面，相对于本文引用文献中现有的其他变焦光学系统，该系统结构简单，在整个变焦范围内，在后截距10.198mm处，在截止频率17lp／mm时，各视场的调制传递函数均接近衍射受限曲线，像质优良，像面稳定。该变焦系统可用于坦克装甲车等武器装备对红外目标的探测。

［1］李正，于远航，张宇，等.坦克目标探测跟踪红外变焦光学系统设计［J］.半导体光电，2011，33（1）：130-134.

［2］李卓，闫晶，孙权，等.高变倍比长波红外连续变焦光学系统设计［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2013，36（5）：20-22.

［3］徐亮，张国玉，高玉军，等.8倍非制冷型红外折／衍射连续变焦系统设计［J］.光学学报，2009，29（2）：478-481.

［4］王文生.应用光学［M］.武汉：华中科技大学出版社，2010：234-235.

［5］Milton Laikin.Lens Design［M］.United States of America：Taylor＆Francis Group，2006：387-396.

［6］白瑜，杨建峰，马小龙，等.长波红外两档5倍变焦光学系统设计［J］.红外技术，2008，30（8）：439-441.

［7］陶亮，赵劲松.5×光学补偿长波红外连续变焦物镜系统［J］.红外技术，2008，30（4）：210-213.

［8］梁翠萍，刘斌，苗华，等.光电混合联合变换相关器［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2004，27（2）：63-65.