近红外成像光学系统设计

吴玲玲，张 欢，陈 靖

（西安工业大学 光电工程学院，陕西 西安710032）

引言

光学系统是各类成像镜头的重要组成部件，目标像可经过光学系统镜片的折射或反射成像于探测芯片上。光学系统（如空间相机和导引头等）因其需要满足不同的使用要求，因此对其指标设计、结构设计及评价指标方面的要求也不同。

光学系统的工作环境常有较强的杂散光，严重影响着光学系统的成像质量，也会降低系统的光学传递函数及信噪比等［1－3］，特别是近红外光学系统尤其如此，所以对杂散光必须进行抑制。

1 光学系统设计

1.1 光学系统指标

光学系统主要有反射式、折反射式、折射式3种结构形式。反射式光学系统采用非球面时加工难度较大；折反式光学系统具有焦距长、口径大的特点，但比较难实现大视场要求，并且存在中心遮拦；折射式光学系统具有结构紧凑、比较容易实现大视场的优点。因此本文选择折射式结构。

光学系统指标如下为

焦距：f＝12.002mm

F＝1.8

视场角：15°×15°

光谱范围：0.75μm～1μm

1.2 光学系统设计

大相对孔径光学系统结构主要有Petzval型物镜、Sonnar型物镜、双高斯物镜等［4］。其中Petzval型物镜、Sonnar型物镜的视场都比较小，所以光学系统初始结构采用双高斯物镜。

设计完成后，成像类折射式光学系统结构如图1所示。

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

主要使用调制传递函数（MTF）曲线、光学系统球差曲线、光学系统点列图、光学系统垂轴像差图、光学系统波差图、光学系统焦移曲线图评价光学系统的成像质量。

调制传递函数（MTF）曲线表示光学系统输出像与输入像的对比度之比，是反映光学系统综合成像质量的主要参数。本文设计的光学系统的MTF如图2所示。

图2 折射式光学系统MTF曲线Fig.2 MTF curve of refractive optical system

从图2中可以看出，除7.5°视场外，其余各视场光学系统MTF曲线基本接近衍射极限。但7.5°视场在133lp／mm 时已达到0.55，因此认为系统成像良好。

图3为光学系统球差曲线。

图3 折射式光学系统球差曲线Fig.3 Spherical aberration curve of refractive optical system

从图3中可知，此时球差约为1μm，小于焦深，满足成像要求。

图4为光学系统的点列图。

图4 折射式光学系统的点列图Fig.4 Spot diagram of refractive optical system

此时，除7.5°视场外，系统各视场弥散斑均集中在Airy斑以内，但7.5°视场的大部分能量都集中在Airy斑以内，因此可认为系统成像良好。

图5为光学系统垂轴像差图。

图5 折射式光学系统垂轴像差图Fig.5 Ray aberration of refractive optical system

从图5可知，光学系统垂轴像差非常小，最大为3μm。

图6为光学系统波差图，PV值约为λ／13。

根据瑞利判据可知，当实际波面与理想波面的差值为λ／4时，可以认为光学系统完善成像，所以本系统成像质量良好。

图6 折射式光学系统波差图Fig.6 Wavefront map of refractive optical system

表1 材料Abg参数Table 1 Parameters of Abg material

图8 杂散光追迹图Fig.8 Stray light tracing diagram

图7为光学系统焦移曲线图。

图7 折射式光学系统焦移曲线图Fig.7 Focal shift of refractive optical system

由图7可知，此时系统的焦移量最大为4.9μm，在焦移范围以内。故优化后的系统具有良好的像质。

2 杂散光评估

将光学系统模型导入Tracepro软件中，并对其进行杂散光分析。镜筒表面涂黑，其材料Abg参数如表1所示。杂散光追迹图如图8所示，光学系统的辐照度如图9所示，点源透射比（PST）曲线如图10所示。

从图9和图10可知，当光线入射角小于17°时，PST值较大，给光学系统带来较强的杂散光，极易淹没目标信号。当光线入射角大于17°时，PST值较小，但此时的能量非常集中，对图像进行处理时不能区分噪声与目标。

图9 折射式光学系统光学辐照图Fig.9 Radiation diagram of refractive optical system

图10 折射式光学系统PST曲线图Fig.10 PST curve of refractive optical system

3 杂散光抑制

目前，在杂散光消除方面主要有利用光阑［5－7］和 遮 光 罩［8］两 种 方 法 。 本 文 利 用 遮 光 罩 进行杂散光抑制，它能在不改变光学系统的同时对杂散光进行有效抑制。遮光罩主要由遮光罩筒和光栏组成。传统遮光罩根据外形与光栏的布置，可分为圆柱状且光栏等高布置、圆柱状且光栏梯度布置、锥状且光栏等高布置、锥状且光栏梯度布置［9－10］。

本文设计了一种圆柱状且光栏梯度布置的遮光罩，并对加有遮光罩的光学系统进行了杂散光评估，加遮光罩后的杂散光追迹图如图11所示，其PST曲线如图12所示。

图11 加遮光罩后杂散光追迹图Fig.11 Stray light tracing diagram after adding lens hood

图12 加遮光罩后光学系统PST曲线图Fig.12 PST curve of optical system after adding lens hood

从图12中可知，与未加遮光罩的光学系统相比，加有遮光罩的光学系统的PST值明显降低76.6%～87.5%。

3 结论

本文设计了一种折射式光学系统，并对其进行杂散光评估。通过各类像差图分析可知，此光学系统像质良好。经过Tracepro仿真可知，当光线入射角大于17°时，杂散光能量较小，但能量集中，在对图像进行处理时无法区别目标与杂散光；当光线入射角小于17°时，杂散光到达探测芯片的能量较大，容易淹没目标像。当对光学系统加入遮光罩后，其PST值降低76.6%～87.5%。因此，当一个成像像质良好的光学系统用于存在杂散光的特殊环境时，采取杂散光抑制等措施可有效地降低杂散光对光学系统的影响，提高光学系统的成像质量、信噪比和光学传递函数等，有利于后续图像处理时目标与背景杂散光的区分。

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