长波红外辅助驾驶系统镜头设计

严杨等

摘 要：针对规格为384×288型像元尺寸为25？滋m的非制冷微测辐射热计，设计了一款工作波段为8～12？滋m、焦距f'=15mm、F#=1、工作温度为-37℃～49℃的辅助驾驶红外镜头。通过合理的选择镜片材料，利用ZEMAX对系统进行优化设计。设计结果表明，该系统结构简单，在空间频率20lp/mm处调制传递函数MTF大于0.5，弥散斑半径较小，具有良好的成像质量。

关键词：光学设计；辅助驾驶系统；长波红外

引言

红外辅助驾驶系统是一种应用于黑夜、大雾天气、大雪天气等恶劣气候条件下的热成像仪，可以在很大程度上保障驾乘人员的人身安全。随着红外技术的日渐成熟，很多红外产品得到广泛的应用，得到了用户的好评与青睐。从最初的军工领域逐渐向民用领域延伸，由于红外辅助驾驶系统和我们的日常生活有着密切的联系，所以它作为一种典型的应用得到很多的关注。通过使用红外辅助驾驶系统，驾驶员可以轻松地掌握道路周边的实时动态，提前预知可能出现的危险情况并及时的做出调整避免发生交通事故，提高驾驶的安全性。据研究发现将系统的相对孔径设置在F#=1左右，可以在很大程度上提高对温差的灵敏度[1]。

像差是影响光学系统成像质量的主要因素且并不能完全消除，所以为了得到更为良好的成像质量我们只能采取一些手段来尽可能的减少像差对于系统的影响，经研究发现衍射元件可以很好的校正色差及像差。通过改变面型相互比较发现，单一使用球面镜面的系统，结构复杂、质量较重、像质差，加入非球面和衍射面能较好地校正像差，改善成像质量[2]。因此文章混合使用非球面与衍射面设计了一款长波红外辅助驾驶系统。

1 结构选取

在对系统进行设计时需要着重考虑以下几点：（1）系统结构选取。相对孔径又称为光圈，是光学系统（或镜头）入瞳直径与焦距的比值，其倒数称为F数。对于一个光学系统来说，能够接受到较为多的能量是拥有良好像质的关键，同时因为辅助驾驶系统的特殊性我们也需要系统对微弱目标的探测能力更为敏感，这就要求系统选择较大口径[3]。但F数过大势必造成系统难以设计，增加镜头生产成本，因此文章将F数定为1。从消轴上像差（球差）考虑需要采用相互补偿的结构，相互补偿的结构中属两片透镜最为简单，同时对两片透镜进行适当的弯曲处理、厚度调整还能用于消除轴外像差（慧差，场曲，像散等）。为了尽可能节约成本，迎合民用系统的需求，文章选用两片式结构来进行系统的设计。系统属于大孔径大视场系统，选用负正结构的透镜组可以更好消除像差。（2）系统材料选取。由于能够透射红外波段的红外材料较少，其中材料锗（Ge）在8-12μm波段范围内的折射率变化小，色散较小所以镜片材料可以全部采用锗[4]。

2 镜头设计

2.1 主要设计指标

文章的系统需适配规格为384×288？滋m，像元尺寸为25×25？滋m的非制冷微测辐射热计探测器。由于需要考虑系统的体积、重量、性能等，系统的主要设计指标制定如表1所示。

2.2 设计思路

根据前面所确定的系统初始结构，利用ZEMAX软件进行优化实现设计。为了能更好的提高用户体验，这就要求系统在满足设计指标的同时还应具备良好的成像质量。ZEMAX软件中存在一些判断像质的手段，例如要求系统的调制传递函数曲线要尽可能平直并接近衍射极限、能量分布集中、波前差小于四分之一波长及弥散斑半径小于艾里斑半径等。

在优化过程中首先将玻璃间的空气间隔设置为变量进行优化尽量减少对透镜结构的影响，之后再改变透镜的厚度和曲率半径进行初步优化。由于成像质量不太理想，根据混合使用非球面与衍射面的特性在适当的位置引进非球面与衍射面，并通过将非球面系数和衍射面位相系数设置为变量深度优化。与此同时为了保障设计与加工的一致性，优化时除了要尽可能的减小系统的各种像差，透镜在实际生产中的可加工性也需要重点考虑。由于目前衍射面的加工工艺还不太成熟，为了方便加工文章采用以非球面为基底、衍射级次较低的衍射面[5]。针对透镜本身我们需要保证其厚度不能过薄否则容易破碎，边缘不能过于弯曲不然难以加工，针对系统整体出于可携性、人性化考虑其总长不能过长，后截距要适中[6]。经过对初始结构的反复优化，我们最终得到满足要求的光学系统其结构如图1所示。

本系统总长为60mm，后截距为19mm；其中第一面到第四面的面型依次为球面、非球面、二元衍射面、球面，所有材料均选用Ge材料。镜筒材料选择铝合金，因为铝合金材料的性价比高，性能比较稳定。

3 系统性能分析

从结构上看本系统采用负-正的两片式结构，结构简单便于加工。从镜头外形上看镜头的长度适中，后截距长度足够保证结构设计和装调的需要。因为在Ge材料上镀制金刚石保护膜的工艺较成熟故第一片透镜材料选用Ge，同时可提高透射率。

图2为系统的调制传递函数曲线，探测器像元尺寸为25？滋m×25？滋m，经计算在空间频率为20lp/mm下具有极限衍射率。由图可以看出系统在20lp/mm时MTF均大于50%，大部分大于60%接近衍射极限。

图3为系统的能量分布图，由图可以看出所有视场的能量分布曲线陡直，80%的能量集中在20μm的范围内，说明包围圆能量高，可以在探测器上获得良好的成像质量。图4为系统的波前图，由图可以看出波程差=0.2088？姿小于满足瑞利判断，可以认为成像是完善的。图5为系统的点列图，从图中可看出弥散斑半径基本都小于艾里斑半径，大部分直径小于25μm可以很好地适配所选择的探测器。

4 结束语

文章设计了一个焦距=15、F#=1，配合384×288，25非制冷辐射热计探测器的辅助驾驶红外镜头。经ZEMAX光学设计软件优化后系统的调制传递函数MTF曲线接近衍射极限，能量分布曲线也达到了探测器要求。该系统具有结构简单，性能高，成本低的特点，满足长波红外辅助驾驶系统的设计要求。

参考文献

[1]沈为民，薛鸣球，余建军.大视场大相对孔径长波红外物镜[J].光子学报，2004，33（4）：460-463.

[2]欧旭锋，舒朝濂.衍射元件在大相对孔径红外镜头中的应用[J].西安工业学院学报，2006，26（1）：13-16.

[3]张华卫，张金旺，刘秀军，等.大相对口径制冷型红外相机镜头的光学设计[J].红外技术，2015，37（2）：124-129.

[4]关英姿，康立新.长波红外非制冷光学系统设计[J].红外技术，2008，30（2）：79-82.

[5]刘庆京.金刚石车削在红外衍射光学元件加工中的应用[J].激光与红外，2002，32（2）：107-109.

[6]王远方舟，白玉琢，贾钰超，等.一种长波红外光学消热差系统设计[J].红外技术，2012，34（9）：531-534.

*通讯作者：王远方舟。