双波段共口径共变焦光学系统设计*

高　明，杨芝艳，吕　宏，李西杰

(西安工业大学 光电工程学院，西安 710021)



双波段共口径共变焦光学系统设计*

高明，杨芝艳，吕宏，李西杰

(西安工业大学 光电工程学院，西安 710021)

为了实现可见、红外两个波段同时观测、跟踪及测量的目的，设计了一款可见/中红外双波段连续共变焦光学系统.系统采用共口径方式同时接收可见、红外两个波段的光波.利用直接变倍比差补偿法对两个波段的变倍比差进行补偿，使可见、红外两个波段变倍比相同且在任一变焦位置焦距相等，满足双波段共口径共光路共变焦的要求.设计结果表明：系统变倍比为12×，焦距范围7～86 mm.常温下，可见光工作波段为0.38～0.76 μm，其调制传递函数值在空间频率80 lp·mm-1处达到0.5以上；中波红外工作波段为3 ～5 μm，其调制传递函数值在空间频率为20 lp·mm-1处达到0.6以上.总体积小于392 mm×58 mm，成像质量满足设计要求.

双波段；共口径；共变焦；变倍比差补偿

随着社会需求的快速发展以及应用环境的日趋复杂，单一波段变焦系统已不能满足现代信息获取多元化、便捷化和实时化的要求.将多波段与连续变焦融合在一个光学系统进行侦查跟踪已经成为当今科学研究的前沿热点[1-3].文献[4]设计了一款军用11.7×中波、长波红外连续变焦系统，该系统采用折、反混合光路，用红外双色焦平面阵列作为探测器，同时接收两个波段的光束.文献[5]针对可见、红外双波段变焦系统体积过大的问题，采用折叠光路的形式对一款军用双波段相机进行改进，在一定程度上减小了系统体积.文献[6]采用摄远结构设计了焦距200 mm,F数2.8，3～5 μm和8～12 μm宽光谱的制冷型红外双波段共光路光学系统.该系统通过采用二次成像设计，并加入了衍射面和非球面，达到较好的设计效果.但是采用透射式光路将可见、红外两个波段的光融合在一个通道中，并能实现两者同时、连续变焦的光学系统的研究较少.

目前国内外对于双波段甚至多波段的光学系统研究较多，这类系统通常为双通道或多通道，对每个通道进行分开独立设计然后再组合成一个多波段系统[7-9].这就导致系统体积庞大，结构较复杂，无法满足侦查、跟踪设备轻型化和小型化的要求[10-11].

针对上述问题，本文设计了一款可见/中红外双波段连续变焦光学系统，系统可在同一光路中实现可见、中红外双波段同步连续变焦，与现有的独立多通道系统相比体积较小.通过对红外和可见变倍比差的补偿，使两个波段在任意同一变焦位置的焦距相等，实现了可见、红外双波段共口径共光路共变焦.

1　系统设计

1.1系统设计原理

1.1.1变焦原理

变焦系统基本原理是利用系统中2个或2个以上透镜组的移动来改变系统组合焦距，同时保证系统像面位置不动，且在变焦过程中像质始终保持良好.正组补偿变焦系统如图1所示，φ1，φ2，φ3和φ4分别为前固定组、变倍组、补偿组和后固定组.短焦位置时，变倍组φ2紧靠前固定组φ1，而补偿组φ3紧靠后固定组φ4；当系统向长焦位置运动时，变倍组φ2向右运动，而补偿组φ3向左运动，最后它们在中间靠拢，变倍组和补偿组之间的间距最短.

图1　变焦系统原理图

1.1.2变倍比差补偿方法及原理

根据变焦理论，两个运动组份变焦系统的变焦比Γ、焦距f和相应的像面位移量Δ的表达式为

(1)

(2)

(3)

式中:β2L为系统长焦处变倍组的放大率;β3L为系统长焦处补偿组的放大率;β2为当前变焦位置处变倍组的放大率;β3为当前变焦位置处补偿组的放大率;q2为变倍组沿光轴移动量;q3为补偿组沿光轴移动量.

由于波长的差异，两个波段的变倍组、补偿组焦距会存在差异，从而导致不同波段变倍组、补偿组的放大率不同.结合式(1)和式(2)可知，放大率的不同将导致两个波段在同一变焦位置处变倍比和焦距存在差异.由式(3)可知，当可见光满足像面稳定时，红外波段无法满足Δ=0，红外存在像面移动.

直接补偿是近似的加和补偿，可以把它看成一个由三个运动组份组成的联动型变焦系统.其变焦理论公式[12-13]为

(4)

(5)

(6)

式中：β4L为长焦处变倍比差补偿组的放大率；β4为当前变焦位置处变倍比差补偿组的放大率;q4为变倍比差补偿组的位移量.

为了实现可见、中波红外在同一变焦位置处的焦距及变倍比相等，同时补偿红外光的像面移动，应满足以下表达式

(7)

(8)

式中：带有下标V(Visible)的为可见光参量；带有下标I(Infrared)的为中红外参量.满足式(7)和式(8)，可见两组元变焦方式的变焦比与补偿后的红外三组元变焦方式的变焦比相等且红外满足像面稳定.

1.2系统设计指标

变焦系统设计指标见表1.根据系统参数分别选择探测器，可见光探测器为(1/4)″ 电荷耦合元件(Charge-Coupled Device,CCD)，像元尺寸为6.5 μm×6.5 μm；中红外波段探测器为(1/4)″ 非制冷焦平面阵列，像元尺寸为25 μm×25 μm.

表1　系统设计指标Tab.1　System optical specifications

1.3初始结构设计及分析

1.3.1变焦系统初始结构设计

由动态光学理论可知，对于一个二组元的稳像系统，考虑到变倍组和补偿组均为沿光轴的一维运动，同时变倍组为线性运动，变倍组沿光轴移动量q2与补偿组沿光轴移动量q3的运动关系为

(9)

(10)

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

表3　初始结构参数Tab.3　Initial structural parameters

1.3.2变倍比差补偿

对初始结构的前固定组、变倍组、补偿组进行换材料，使可见、中红外两个波段的光都可以透过.通过优化后发现可见光、红外的焦距和变倍比有明显差异，两个波段在各变焦位置处的焦距及变倍比见表4.由表4可以看出，在同一焦距位置处，可见、红外的焦距和变倍比存在较大差异，在长焦处焦距差值可达9.1 mm，变倍比差为2.667×.

表4　可见/红外焦距、变倍比数据Tab.4　Focal length and zoom ratio of visible and mid-infrared light

对变倍比较小的红外光路进行变倍比差补偿，由直接变倍比差补偿原理可知，可在红外光路后固定组再增加一个变倍比差补偿组，此变倍比差补偿组的变倍比差约为2.667×.计算并优化后，得到变倍比差补偿组的焦距为2 671.17 mm，具体各焦长处变倍比差补偿组的位移量见表5.增加的变倍比差补偿组与公共部分的变倍、补偿组一起运动，完成红外光路的变倍补偿，使系统红外光路和可见光路变倍比相同，两个波段共变焦.

表5　变倍比差补偿组透镜移动量Tab.5　Motion quantity of compensation group

2　光学系统设计结果及像质评价

2.1光学系统设计结果

最终设计得到的系统结构如图2所示.A为公共变倍组，B为分光棱镜，C和D为红外后组，E为可见后固定组.公共变焦组A包括前固定组A1、变倍组A2以及补偿组A3，可见和红外两个波段的光同时通过公共变倍组，到达分光棱镜B，通过镀膜使可见光透射，红外反射，将两个波段的光分开；红

外后组中，C为变倍比差补偿组，通过变倍比差补偿组C的移动来补偿红外与可见的变倍比差，D为红外后固定组，D和E分别用来校正红外、可见光的像差，并将光线汇聚在各自的探测器上.该光学系统共使用15片透镜，其中公共变焦组由7片透镜组成；红外后组使用了3片透镜，可见后固定组5片透镜，系统的视场光阑位于分光棱镜前方.可见光路总长391.98 mm，红外光路总长339.59 mm.

图2　光学系统结构图

2.2像质评价

2.2.1可见波段像质评价

可见光在不同焦距位置处的调制传递函数曲线、点列图如图3～4所示.由图3可以看出，在80 lp·mm-1空间频率下，系统各焦距处传函值都大于0.5，接近衍射极限.由图4可以看出，在各焦距位置可见光弥散斑的均方值都小于5 μm，成像质量良好.

图3　系统可见光调制传递函数图

2.2.2中红外波段像质评价

中红外光路在不同焦距位置处的调制传递函数曲线、点列图如图5～6所示.由图5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0.6以上；由图6可知，在各个焦距位置红外光弥散斑的均方值最大为10 μm，在一个像元尺寸(像元尺寸为25 μm) 内，像质较好.

2.3能量分布

可见光波段各焦距位置处窄视场、中间视场和宽视场的能量分布曲线如图7所示.由图7可看出，不同焦点位置的全视场能量85% 集中在探测器的一个面元内.中红外波段的能量分布曲线如图8所示.由图8可看出，不同焦点位置的全视场能量80% 集中在探测器的一个面元内.因此，该变焦系统具有较好的能量集中度.

2.4变倍比差补偿结果

经过补偿后，各焦距位置处变倍比差补偿结果见表6，从表6的数据可以看出，可见、红外两个波段在各个变焦位置处焦距值几乎相等，两波段变倍比相同.

图4　系统可见光点列图

图5　中红外波段调制传递函数图

图6　中红外波段点列图

图7　可见光波段能量分布图

图8　中红外波段能量分布图

对比参数短焦/mm次短焦/mm中焦/mm长焦/mm变倍比可见7.000029.380049.930286.000012×红外7.000329.379749.930085.999912×焦距差-0.0003-0.00020.00020.0001—

为了验证整个变焦范围各焦距位置处补偿结果，图9(a)给出两个波段在变焦范围内各焦距位置处焦距差值拟合曲线.图9(a)中横坐标为变倍组移动量q1，纵坐标为同一位置处可见、红外焦距差值Δf.由图9(a)可以看出，在整个变焦范围内，可见、红外两个波段在相同焦距位置处的焦距差值不超过0.000 3 mm.图9(b)所示为补偿后的红外、可见两个波段变焦曲线显示在同一坐标下的结果，其中虚线所示为可见变焦曲线，实线所示为补偿后的中红外变焦曲线.由图9(b)可以看出，两个波段变焦曲线几乎完全重合，即两个波段共变焦.

2.5系统凸轮曲线拟合

通过ZEMAX光学设计软件中的多重结构，找到系统在变焦范围内成像质量良好的多个焦距位置处变倍组、补偿组的相对位置关系，利用Origin软件拟合出系统变焦凸轮曲线，如图10所示.由图10可以看出，变倍组和补偿组的变焦曲线q1和q2平滑连续，变焦行程分别为153 mm和47 mm.变倍比差补偿组凸轮曲线如图11所示，图11中横坐标为系统焦距，纵坐标为变倍比差补偿组相对于中红外后组的位置.变倍比差补偿组沿图11所示的曲线运动，对中红外与可见的变倍比差进行补偿，使两个波段在任意变焦位置处焦距相同.

图9　可见/红外变焦结果对比图

图10　变焦系统运动轨迹

图11　变倍比差补偿组运动轨迹

3　结 论

本文设计了一款可见/红外双波段变焦系统，变焦比为12×，焦距范围7～86 mm.系统总体积小于392 mm×58 mm，成像质量良好.

1) 可见光在奈奎斯特频率80 lp·mm-1处传函值高于0.5；中波红外在奎斯特频率20 lp·mm-1处传函值高于0.6，系统整体成像质量良好.

2) 系统在其变焦范围内任意焦距位置处，可见、红外的焦距差值不超过0.000 3 mm,变倍比相同.分别对两个波段的变焦曲线进行拟合，得到的两个变焦曲线基本重合，满足双波段连续共变焦的要求.

3) 在常温下对该系统进行凸轮曲线拟合，得到的拟合曲线平滑，无拐点.该系统体积较小，结构紧凑，且兼具多波段和连续共变焦的优点，在未来的侦查和观测领域具有广泛的应用前景.

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(in Chinese)

(责任编辑、校对潘秋岑)

Design of Dual-Band Optical System with Shared-Aperture and Common-Zoom

GAOMing,YANGZhiyan，LYUHong，LIXijie

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

In order to identify the both visible and mid-infrared light signals,and achieve the application requirements of synchronous observation and coincident tracking target,a visible/mid-infrared,dual-bandand co-zoom system is designed.The two band information is all received by the same aperture.A method has been used to compensate the focal length and zoom ratio differences between the visible and mid-infrared light.The focal length and zoom ratio of the two bands at any zoom location are similar with the method to meet the requirement of share aperture,common optical path and common-zoom.The design result shows that the zoom ratio is 12×and the focal length range is 7～86 mm.In the normal temperature,the modulation transfer function of visible light band of 0.38～0.76 μm and mid-infrared light band of 3 ～5 μm is greater than 0.5 and 0.6,at the Nyquist frequency of 80 lp·mm-1and 20 lp·mm-1respectively.The volume of the optical system is less than 392 mm×58 mm.The imaging quality meets the requirement.

dual-band;shared aperture;common zoom;zoom ratio compensation

10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.08.001

2015-12-25

陕西省重点实验室计划项目(14JS034)；陕西省教育厅科学研究项目(14JK1350)

高明(1964-)，男，西安工业大学教授，主要研究方向为光学设计理论及技术、光电精密测试技术、光大气传输理论及技术.E-mail:13629297901@163.com.

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A

1673-9965(2016)08-0603-09