非制冷型红外双波段连续变焦光学系统设计*

刘　钧,鲁茜倩

(西安工业大学 光电工程学院,西安 710021)



非制冷型红外双波段连续变焦光学系统设计*

刘钧,鲁茜倩

(西安工业大学 光电工程学院,西安 710021)

摘要：为了满足同步观测、跟踪，同时探测红外中/长波两个波段信息的目标，文中采用共口径方式将红外中/长双波段融合到同一个光路中，设计了一款非制冷型大变倍比红外双波段连续变焦光学系统，引入衍射面和偶次非球面，进行像差校正，选择机械负组补偿方式进行变焦.通过光学被动式消热差方式，匹配材料及分配透镜光焦度，对双波段红外光学系统在-40～+60℃温度范围内进行了消热差设计，并对系统的像质进行了分析.研究结果表明:在不同温度，系统在两个波段下，各个视场内调制传递函数在奈奎斯特频率为20 lp·mm-1处均接近衍射极限，系统整体无温度离焦，像面稳定，像质良好，结构紧凑，满足使用要求.

关键词：红外双波段；连续变焦；共口径；被动式消热差；焦深

随着现代科技水平的不断发展，红外光学系统以良好的烟雾、尘埃穿透能力，无昼夜限制，受环境影响小，隐蔽性好以及抗干扰能力强等优势，在预警卫星、森林防火和扫描成像等领域应用广泛，引起了国内外学者的强烈关注，并成为了热门的研究课题[1-3].同时，红外变焦光学系统也备受人们关注，很多相关的高性能产品也应运而生.相对于红外单波段定焦和红外单波段定点变焦光学系统，双波段甚至多波段连续变焦光学系统具有更大的优势，可以拥有更多的观察通道，有利于更迅速地发现目标，能够获得更全面的目标信息.文献[4]中采用柯克型结构，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被动式消热差处理，该系统为定焦系统，很难实现连续搜索.文献[5]通过在窄视场光路中插入不同镜组的方式，研究了中波/长波双色多视场光学系统，实现了双波段定点变焦，并使用光学主动式进行温度补偿，但是上述两种设计都不能对目标进行连续搜索.文献[6]基于变焦理论，设计一款红外望远双视场连续变焦光学系统，宽窄视场均成像质量良好，但未阐述消热差的处理结果.上述三个系统在复杂环境下对于快速移动的目标而言，不能进行精确跟踪和观察，系统可靠性不高.文献[7]设计一款双波段双视场成像系统，采用折反式非共口径结构进行成像，但系统体积较大.

因此，本文采用共口径方式，设计一款10倍非制冷红外双波段同步变焦光学系统.并通过消热差设计，在整个连续变焦过程中，两个波段的最大离焦量小于其最小焦深，达到了双波段目标信息同时、同步被系统接收，且两个波段视场、相对孔径及变倍比均相同，提高了像面信息的一致性.

1设计指标以及光学系统设计

1.1光学系统设计指标

根据设计指标，为了满足红外光学系统探测范围广、搜索速度快，能对目标进行不间断观测的要求，考虑到光学系统小型化，轻便化的发展趋势，给定光学系统总长小于600 mm，具体的技术指标参数见表1.根据表1中所示的参数，结合光学系统与探测器相匹配的原则，选择接收器件为非制冷型红外焦平面探测器(型号FLIRTau2)，像素为320 piexl×320 piexl像元尺寸均为25 μm×25 μm.

表1　非制冷型红外双波段连续 变焦光学系统技术指标Tab.1　Technical indicators of uncooled infrared dual-band (10×) continuous-zoom optical system

根据像元尺寸为25 μm，可确定系统传递函数的奈奎斯特频率为20 lp·mm-1.

1.2初始结构的选取

光学系统设计的指标主要包括焦距、相对孔径和视场角.文献[8]中的光学系统结构作为初始结构，该系统共包含15个光学面，光阑面设置在第9个光学面上，锗和硫化锌为玻璃材料.

1.3系统结构设计

系统指标要求F=2，视场较大，并且前固定组作为系统窗口，通光量需充分，因此前固定组口径较大，焦距也相对较大，故光焦度分配比例大，变倍组次之，补偿组与后固定组较小.

由于所设计系统要求满足红外中/长波段同时变焦，变焦系统由前固定组A1、变倍组A2、补偿组A3及后固定组B四个部分组成，其系统结构如图1所示.

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

其中共口径部分A包括前固定组A1、变倍组A2、补偿组A3和一块负透镜，此部分同时透过红外中波、长波两个波段，并且实现两者共同变焦.选取的分光棱镜可以透射红外长波，反射红外中波.光路中的后固定组，分别校正红外中波、长波光路的像差，并汇聚光线在各自的探测器上成像.

由于红外中波、长波两个波段较宽且中心波长不一致，导致焦距值不统一，且在各焦距位置高级像差不易校正，尤其是球差、彗差和色差让系统进行像差校正、消热差处理以及双波段共焦处理难度加大，因此引入了非球面和衍射面，并对像差进行重复调整和平衡.

2公共变焦组初始结构设计及分析

2.1变焦结构初始结构设计

按照设计要求系统的变焦比为10倍，属于大变焦比系统，且要求变倍和补偿曲线平缓且圆滑，以便于后续对变倍比差的补偿，因此采用易于实现大变倍比的机械补偿变焦方式，其主要是利用光学系统中透镜组的移动，改变系统的组合焦距，同时保证所有运动组份共轭距任何瞬间的微分改变量，保证变焦过程中系统像质.

根据应用动态光学理论，可知变倍曲线和补偿曲线之间的关系[9-10]为

(1)

为了像面位置稳定，两个像面移动的代数和为零，满足公式：

(2)

(3)

(4)

由式(3)～(5)可得变倍组和补偿组满足此变焦过程微分方程，表达式为

(5)

式中:M2和M3分别为变倍组和补偿组倍率，d为像面移动量.

2.2初始结构设计结果分析

表2　不同焦距时各组元的间距值Tab.2　Construction parameters of optical system

表3　最终结构部分参数表Tab.3　The parameter table of the final structure

3光学系统设计结果及像质评价

3.1光学系统设计结果

设计的系统共使用10片透镜和一组分光棱镜.其中，红外中波光路总长493.03 mm，红外长波光路总长584.41 mm.公共部分共为四片单透镜，第一片透镜材料为硅，后三片透镜材料均为锗．公共部分设计完成后，用棱镜对系统分光，反射光路为中波红外，投射光路为长波红外.

3.2像质评价

系统红外中波波段点列图和传函图如图2所示.从图2点列图可以看出，在各焦距位置，红外中波波段弥散斑的均方值最大为6.6 μm.从图2传函图可以看出，在20 lp·mm-1空间频率下，红外中波波段各焦距处传函值都大于0.6，接近衍射极限.系统红外长波波段点列图和传函图，如图3所示.从图3点列图可以看出，在各焦距位置，红外长波波段弥散斑的均方值均小于7 μm，在一个像元尺寸(像元尺寸为25 μm)内，满足了系统与探测器匹配的要求.从图3传函图可以看出，在 20 lp·mm-1空间频率下，系统各焦距处传函值都在0.5以上，达到衍射极限，系统成像质量良好.

图2　红外中波在各焦距处的点列图、传函图Fig.2　Spot diagram and MTF diagram of mid-infrared light at each focal length

图3　红外长波在各焦距处的点列图、传函图Fig.3　Spot diagram and MTF diagram of long-infrared light at each focal length

在工程应用中，系统的好坏与图像能量集中度有很大的关系，能量几种度低，系统成像太暗，影响观测和跟踪.能量集中度高的系统，系统信息集中，更容易观测跟踪.图4(a)～(f)分别给出了双波段光学系统在短焦、中焦和长焦时的能量曲线.如图4(a)～(f)所示，系统的红外中波/长波波段在以单个像元尺寸为25 μm半径的圆内，所占能量的比例可分别达到90%和85%.

3.3系统凸轮曲线拟合

对常温下成像质量良好的初始结构进行连续变焦验证，根据式(1)对本系统的变焦曲线进行分析计算，在Zemax软件中多重结构里选取多个位置进行调整及优化，当所有位置均达到良好像质，取多组关于变倍组和补偿组相对于前固定组移动量，再利用Originpro软件对曲线进行拟合，拟合得到的变焦凸轮曲线如图5所示.从图5可以看出，变焦曲线平滑，易于凸轮的加工.

图4红外长波/中波短焦、中焦和长焦几何能量曲线图

Fig.4Geometric energy diagram at short focal length,ntermediate focal length and long focal length of long-infrared light/long-infrared light

图5　变焦凸轮曲线Fig.5　Cam curve of the optical zoom system

4消热差设计

4.1消热差分析

红外光学系统的工作温度在-40～+60 ℃，由于红外光学系统受温度因素影响更为严重，温度的变化会导致光学材料的折射率、厚度和曲率等基本参数的变化，改变了光学系统的内部结构参数，系统各项性能、成像质量等往往会急剧下降，尤其是由此引起的光学系统的离焦现象将会特别显著.为满足系统总长小，轻便化和性能高等要求，选择被动式消热差[11].选用该方法可使影响因素的热离焦量相互补偿.

为了使红外双波段光学系统达到同时消热差和消色差的目的，必须选择合适的透镜光学材料组合[12].而材料的参数必须满足光焦度、消色差及消热差的要求，即满足表达式：

光焦度匹配为

(6)

消热差为

(7)

消轴向色差为

(8)

式中：hi为第一近轴光线在各透镜组的高度；φ为系统的光焦度；φi为各个透镜的光焦度；ωi为光学元件的色散因子(即色散引起的光焦度的相对变化)， αh为外部机械结构的线膨胀系数；L为机械结构件的长度.

根据瑞利原则，温度变化造成的像面离焦与系统离焦的关系[13]为

δ≤±2λ(F/#)2

(9)

式中：λ为红外波段的波长；F/#为系统的F数；δ为像面离焦.

由式(9)算出红外中波和长波的系统焦深分别为33.6 μm、69.6 μm，像面离焦(δ)必须小于等于系统焦深.指标要求中波红外3～5 μm ，中心波段为4.0 μm ，代入式(9)即可算出红外中波的系统焦深为33.6 μm，最大离焦量为30 μm，长波红外8～12 μm，中心波段为10 μm，同样可算出红外中波的系统焦深为69.6 μm，最大离焦量为40 μm，通过计算可知像面最大离焦量都小于系统焦深，系统能在-40～+60 ℃范围保证像面稳定.

4.2消热差后系统点列图和传递函数图

图6～11分别给出了温度在-40 ℃和+60 ℃时系统红外长波、中波在短焦、中焦和长焦位置系统的点列斑和传递函数曲线.从图8～12中可以看出，消热差后系统成像质量没有明显变化，红外长波、中波传递函数在20 lp·mm-1处的最小值接近0.4，接近衍射极限.

图6　不同温度处红外长波段短焦处的点列图、传函图Fig.6　The result of athermalization of long-infrared light at short focal length

图7不同温度处红外长波段中焦处的点列图、传函图

Fig.7The result of athermalization of long-infrared light at intermediate focal length

图8　不同温度处红外长波段长焦处的点列图、传函图Fig.8　The result of athermalization of long-infrared light at long focal length

图9　不同温度处红外中波段短焦处的点列图、传函图Fig.9　The result of athermalization of mid-infrared light at short focal length

图10　不同温度处红外中波段中焦处的点列图、传函图Fig.10　The result of athermalization of mid-infrared light at intermediate focal length

图11　不同温度处红外中波段长焦处的点列图、传函图Fig.11　The result of athermalization of mid-infrared light at long focal length

5结 论

1) 文中设计了一款红外双波段共口径连续共变焦光学系统，系统变倍比达到10倍，中/长波红外两个波段F数均为2，焦距范围均为11.5～117.3 mm.系统整体成像质量良好，中波传函全视场大于0.6，长波传函全视场大于0.5.系统红外中波波段在20 lp·mm-1处传函值高于0.6，红外波段在20 lp·mm-1处传函值高于0.5，系统整体成像质量良好.

2) 在-40 ℃～+60 ℃温度范围内，奈奎斯特频率为20 lp·mm-1时，光学系统调制传递函数最小值大于0.4，接近衍射极限.根据像面离焦公式计算可得，该系统在-40 ℃、+40 ℃、+60 ℃下的像面离焦量均远远小于系统焦深，说明该红外系统在这三个温度下的成像质量良好，无像面漂移，满足总体设计要求.

3) 利用Matlab拟合凸轮曲线，所得曲线圆滑、平缓，没有折点，设计的红外双波段光学系统能够利用两个波段对目标同步跟踪和同步检测.多波段连续变焦、高变倍比将是红外变焦系统发展的必然趋势，其在探测森林火灾、煤田燃烧、火山爆发、昼夜战场侦查、监视等方面，均得到广泛的应用.

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(责任编辑、校对张立新)

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DOI:10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.06.002

*收稿日期：2015-12-07

基金资助：陕西省重点实验室计划项目(14JS034)；国家自然科学基金(61308071)

作者简介：刘钧(1964-)，女，西安工业大学教授，主要研究方向为光学设计理论及技术、光电仪器设计和大气激光传输理论.E-mail:junliu1990@163.com.

文献标志码:中图号：TN216A

文章编号：1673-9965(2016)06-0436-10

Design of Uncooled Infrared Dual-Band Continuous-Zoom Optical System

LIUJun,LUXiqian

(School of Optoelectronic Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

Abstract:In order to fulfill the requirements of synchronous observation and coincident tracking target,and identify the information of two bands of the mid-infrared light and the long-infrared light,a large zoom ratio uncooled infrared dual-band continuous-zoom optical system is designed,using an optical system with an aperture shared by mid-infrared light and long-infrared light.The aberration corrected,by introducing the reflecting surface and non-spherical surface,and using machinery compensation mode in zooming.According to the requirements,the optical passive compensation method of matching optical materials and distributing optical power of each lens elements is used to realize an athermalized design in the temperature of -40 to +60 ℃.The image quality of infrared objective is analyzed.The result indicates that the modulation transfer function of all field of optical system is close to the diffraction limit,in two bands and different temperature.The whole system has an excellent image quality,compact structure and a stable image surface,which meet the application requirements.

Key words:infrared dual-band;continuous zoom;co-aperture;passive athermalization;depth of focus