可见光／红外双波段大视场共口径齐焦光学系统＊

刘 钧，陈 阳

（西安工业大学 光电工程学院，西安710021）

随着科技进步的迫切需求和使用环境的日趋复杂，尤其是图像融合技术的快速进步，双波段乃至多波段成像光学系统得到了迅猛的发展［1-4］．与单波段光学系统相比，双波段、多波段光学系统具有更多的观察通道有利于更快、更早的发现目标，此外将两个或是多个波段采集的信息相融合，能够获得更加全面、精准的目标信息．基于以上优点双波段、多波段光学系统及其相关的融合技术成为光学领域重要的研究课题．文献［5］设计了一款中波和长波红外双波段光学系统，并利用谐衍射元件对系统进行了消热差．文献［6］研究了中波／长波双色多视场光学系统，实现双波段定点变焦，但上述两种光学系统都是将两个红外波段相融合没有采用可见光波段，因此无法在白天进行高精度观察．文献［7］在保证小畸变的前提下，设计了可见光和近红外波段的望远系统，但目前采用这两个波段的光学系统已经很多，设计没有明显的突破性和挑战性．文献［8］中采用折反混合结构，设计了可见光／红外双波段航空侦察相机，但系统视场小、体积大，而且可见与红外波段焦距不相同，不利于实现光路间的快速转换以及对目标的同步观察．文献［9］设计的无人机载多光谱相机，实现了同时接收多个波段光能的目的．但该设计不同波段的系统是相互独立的，不利于减小系统体积．

本文将可见光／长波红外两个波段融合在同一系统中，在很大程度上减小了系统体积．通过齐焦设计，使两波段焦距值之差小于焦深值．实现了利用可见光／长波红外双波段对目标同步观测、同步跟踪、同步测量的目的，保证了不同波段目标信息的一致性，有利于后期图像融合．

1 光学系统结构及设计指标

常用的双波段或多波段系统主要有三种结构形式即，反射式、折反射式和折射式［9］．反射式系统的优点是，对不同波段光波没有选择性，不存在色差和二级光谱，但反射式系统一般体积较大、加工装调较困难，此外如采用共轴反射系统则有遮拦，而采用离轴反射系统则大大增加像差矫正难度．折反系统是将反射镜和透镜相结合，其中透镜主要起像差矫正的作用，然而这种折反系统一般视场较小（小于5°）、F数较大，仅适用于小视场系统中，应用范围较为有限．折射系统是目前应用最为广泛的光学系统，能满足大部分设计需求．与反射系统相比，折射式系统体积小、结构紧凑，且是设计、加工最为成熟的结构形式之一，并能满足大视场、大相对孔径的要求．综合比较上述结构的优缺点，此次设计采用折射式结构．

可见光部分接收器为1／2英寸CCD，像素数为1 186×960，像元尺寸为5．4μm×5．0μm．长波红外部分接收器为非制冷焦平面阵列，像素数为320×256，像元尺寸为25μm×25μm．光学系统主要技术指标见表1．

表1 光学设计指标Tab．1 Optical design specifications

2 光学系统设计

2．1 系统齐焦设计

为了减少齐焦设计对系统整体结构的影响，齐焦设计所需的焦距补偿组要进行单独设计．根据补偿方式的不同齐焦方式可分为主动补偿和被动补偿．主动补偿是在系统中增加机械结构，通过改变光学系统中某一镜组的轴向位置，达到两个或多个波段焦距相同．该方法原理简单，易于实现．但需要电源、驱动电机等电子设备，增加了系统的体积和重量．被动补偿方式主要可以分为两种，一种是通过光焦度分配消除不同波段焦距的差异．单片透镜是无法消除焦距差异的，故设计时用双胶合透镜组代替单透镜．虽然每个单片透镜焦距都存在差异，但其组合的总焦距则存在相等的情况．根据总光焦度公式和透镜焦距与基本参数的关系公式，可以计算出满足在不同波段焦距相同的一组解．这种方法理论上可以完全抵消不同波段间的焦距差异，设计灵活、可靠性高，但增加了系统复杂性，且透镜的光焦度被严格控制，加重了像差校正难度．另一种被动补偿的方法是对系统进行分光，在分光后需要焦距补偿的光路中加入焦距补偿组，已达到不同波段焦距相同的目的．该方法简单、实用，目前应用极为广泛，但要在系统中再加一组透镜，增加了系统整体体积和复杂性．综合比较上述三种齐焦设计方法后，本次设计采用加入镜组被动补偿的方法．

具体分析本次设计的系统，在可见光光路加入一组焦距补偿镜组．这是因为设计后发现可见光焦距小于长波红外焦距，而且可见光波段材料透过率高、价格便宜，即使增加一组透镜也不会影响其透过率，并且有利于降低系统设计成本．可见光部分结构如图1所示．

由图可知此部分为三个透镜组的组合系统．为了实现可见光和长波红外焦距相等，焦距补偿组应满足公式（1）为

式中：φV为可见光部分的总光焦度，φ1，φ2，φ3分别为共口径部分、焦距补偿组和像差矫正组对应的光焦度，h1，h2，h3分别为光线在三个透镜组的入射高度，φLR为长波红外总光焦度．此式的物理意义是补偿后可见光与长波红外的总光焦度相等．

图1 可见光系统结构示意图Fig．1 The structure of visible light system

要求焦距补偿组尽量自身校正像差以免影响系统成像质量，根据双胶合消色差基本公式结合透镜高斯求和公式，得到一个没有三级球差和慧差的消色差双透镜．其计算如式（2）所示．

式中：Va，Na为透镜a（前透镜）的阿贝数和折射率；Vb，Nv为透镜b（后透镜）的阿贝数和折射率；F为总焦距；G1a，…，G8a为透镜a的高斯求和值，G1b，…，G8b为透镜b的高斯求和值，C1，C2，C3，C4为对应表面曲率，A，B，D，E，Q，XI，XJ，XK为中间变量．

为了进一步校正残余像差将该双透镜的前透镜设计成双胶合形式，经优化后焦距补偿组结构如图2所示．最终得到焦距补偿组焦距为124．6 mm，距前组的距离为4．35mm，距后组距离为50．73mm．

2．2 可见光系统设计及结果

图2 焦距补偿组结构图Fig．2 The structure of focal difference compensation group

由于公共部分同时通过可见光、长波红外会产生较大的色差，且此部分可选择的材料较为有限，因此对此部分进行设计分析．首先是材料选择，能同时通过可见光和长波红外的常用材料主要有：CLEARTRAN、氟化物、溴化物氯化物等．综合比较各种玻璃特性，最终选择多光谱硫化锌（CLEARTRAN）和氟化钙（CaF2）．多光谱硫化锌折射率较高、应用广泛、易于加工非球面和衍射面，虽然其吸收系数较大，但设计时可以合理控制其厚度降低吸收．氟化钙吸收系数非常小，通透性良好．氟化钙折射率较低正好与多光谱硫化锌相组合，有利于系统消色差．其次是结构设计，利用三级像差理论和消色差公式进行计算，得到最可能满足要求的系统结构．经过多次计算和优化得到，公共部分共为三片单透镜，第一片透镜材料为CLEARTRAN，第二片和第三片为CaF2．公共部分设计完成后，用棱镜对系统分光，将可见光路（透射光路）与其相应的像差校正组拼接、再次优化得到可见光系统最终结构如图3（a）所示．可见光点列图和传函图如图3（b）～（c）所示，从点列图可以看出，可见光弥散斑的均方值均小于4μm．从传函图可以看出，在100 lp／mm处可见光传函值都大于0．4，成像满足设计要求．由于系统视场角较大，因此要考虑系统畸变问题．从可见光系统场曲和畸变图3（d），可以看出系统畸变在2%范围以内，完全能够达到设计需求．此外系统体积为147．9mm×96mm，在单个像元尺寸内能量集中率约为90%．

图3 可见光系统相关图表Fig．3 The related diagrams for the visible light system

2．3 长波红外系统设计及结果

对于光学系统来说，其分辨率由像元大小决定．红外焦平面器件的像元较大，所以其分辨率不高，故要求其像质接近衍射极限．长波红外点列图和传函图如图4（b）～（c）所示，从点列图可以看出，长波红外弥散斑的均方值均小于10μm．从传函图可以看出，在20lp／mm处长波红外传函值都大于0．4，成像满足设计要求．长波红外系统场曲和畸变如图4（d）所示，从图中可以看出系统畸变小于2%．此外系统体积为92．5mm×96mm，在一个像元尺寸内能量集中率达到85%．

将两个波段系统进行组合，得到可见光／长波红外共口径光学系统如图5所示．从图5中可以看出系统结构紧凑、体积小，达到了预期的设计目标．

图4 长波红外系统相关图表Fig．4 The related diagrams for LWIR system

图5 双波段系统组合结构Fig．5 The assembly configuration of the dual-band optical system

3 系统消热差

公共部分用能够同时通过可见光、长波红外的材料，这些材料受温度变化影响较大，因此可见光、长波红外波段都需要考虑消热差．对系统在-40～＋60℃温度范围内进行分析，发现可见光系统几乎不受到温度变化影响，不必考虑消热差．长波红外系统受温度变化影响严重而产生离焦，应进行消热差设计．光学系统要实现光学被动消热差设计，要使材料的色散因子和热膨胀系数［10-12］同时满足式（3）．

式中：hi为近轴光线在第i个透镜的高度；ψ为系统的光焦度；ψi为第i个透镜的光焦度；ni为透镜的色散因子；χi为热膨胀系数；aj为镜筒机械结构的热膨胀系数；L为镜筒长度．由式（3）可知，当色散离焦量为零而且透镜热离焦量与机械结构热离焦量相互抵消时，才能实现系统的光学被动消热差．

为了简化设计考虑在系统中引入衍射元件．衍射元件和折射透镜的热膨胀系数［13］为

式中：ag为透镜的热膨胀系数；n和n0分别表示透镜及介质的折射率；dn／dt和dn0／dt分别表示材料及介质的折射率温度系数．可以看出，衍射元件的温度特性只与材料的热膨胀系数有关，有助于实现消热差．

图6 不同温度下系统MTF曲线Fig．6 MTF curve under different temperature

在-40℃、20℃、60℃温度下的长波红外系统的MTF曲线如图6所示，从图6中可知不同温度下，空间频率20lp／mm位置处长波红外系统MTF值均不小于0．4，消热差后系统像质满足设计要求．

4 可见光／长波红外齐焦设计结果

要实现利用可见光／长波红外双波段对目标同步观测、同步跟踪、同步测量的目的，要求可见光与长波红外焦距的差值小于其焦深值．其焦深计算公式（5）为

式中：λD为中心波长；F为系统F数，由焦深公式可得可见光焦深为0．009 09mm，长波红外焦深为0．029mm．图7给出了不同温度下可见光／长波红外的焦距值，图7中B线表示可见光，C线表示长波红外．

图7 不同温度下可见光／长波红外的焦距值Fig．7 Focal length of visible／LWIR under different temperature

从图7中可以看出，在不同温度下，可见光／长波红外焦距的最大差值为0．007 8mm小于可见光焦深值，更小于长波红外焦深，达到了可见光／长波红外同时对同一目标清晰成像的目的，因此设计结果满足设计需要．

5 结 论

本文设计了一种可见光／长波红外大视场共口径光学系统，完全采用折射式实现两个波段共口径成像．利用计算公式得出焦距补偿组的结构解，通过补偿达到可见光与长波红外焦距的最大差值小于其焦深值，实现了同时、同步利用两个波段对目标进行跟踪、观察、测量的目的．其中，可见光部分总体积为147．9mm×96mm，其传函值在空间频率100lp／mm处高于0．4．长波红外部分总体积为92．5mm×96mm，其传函值在空间频率20lp／mm处高于0．4．对光学系统在-40～＋60℃温度范围内消热差后，成像质量满足设计要求．本次设计的系统基本达到设计目标，但是系统透镜片数较多，尤其是可见光后组有待进一步改进．

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