双波段/双视场全景航空相机光学系统设计

朱海滨+张远健+周亮+徐志刚+朱大略

摘要：为提高航空相机识别目标能力，设计了一种应用于全景式航空侦查相机的可见光/红外双视场成像光学系统，可见光光学系统焦距为200 mm/400 mm，相对孔径为1∶8.8，视场角为9.4°×7°/4.7°×3.5°。红外光学系统焦距为117 mm/234 mm，相对孔径为1∶4，视场角为9.4°×7.5°/4.7°×3.76°。该光学系统利用物像交换原则采用轴向移动变倍方式，设计结果表明，光学系统成像质量接近衍射极限，可以满足实际使用需求。

关键词： 双波段； 双视场； 航空相机； 光学设计

中图分类号： O 435 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2017.02.009

文章编号： 1005-5630（2017）02-0048-05

引 言

航空相机是安装在航空器上对地面摄影的精密光学仪器，广泛应用在涝灾防治、城市规划、国土测绘等领域。航空相机主要有画幅式、推扫式及全景式三种。与前两者相比，全景式航空相机利用普通视场角的物镜通过前方的反射镜摆扫，即能实现特宽视野的摄影，获得较大的信息量。

由于目标在不同的波段会表现出不同的光学特征，为了增大获得的目标信息量，提高处理判读的准确性，多波段航空相机的应用越来越广泛。国外很早就开展了多波段光学系统的研制[1]，目前应用较为广泛的是具有全天候应用能力的可见光/红外航空相机。国内对于可见光/红外双波段成像技术的研究起步较晚，研究多集中在画幅式航空相机，系统结构多采用卡塞格林主光学共孔径系统，再利用分光镜实现双波段分光[2-4]，关于双波段全景式航空相机的研究鲜有报道。此外，为提高航空侦查的灵活性与准确性，双视场航空相机的需求也日益增加，它能满足不同飞行高度对地面覆盖范围的需求，也可实现大视场搜索目标、小视场精确观察目标。

本文设计了一种应用于全景航空相机上的可见光/红外双波段双视场成像光学系统。该光学系统具有结构紧凑、体积小、重量轻、成本低的优点。

1 双视场变倍光学原理

变倍原理采用物像交换原则[5]，利用光学系统中一组透镜的移動来改变整个系统的焦距，保证在大、小视场两个位置成像质量良好且像面位置保证不变。如图1所示，对光学系统中任何一片透镜或透镜组，当其由A位置移动到B位置时，能够保证共轭距不变而放大倍率发生变化，双视场系统采用物像交换原则变倍。

2 相机光学系统设计

2.1 光学设计指标

主要光学设计指标如表1所示。

2.2 光学系统选型及布局

光学系统结构型式有折射式、折反式及反射式三种[6]，关于可见光/红外双视场成像光学系统设计，国内多数采用卡塞格林折反式光学系统以及全反射式光学系统，而这两类系统只能承担较小的视场角度，本文红外、可见光大视场系统视场角度大，故不予考虑。折射式光学系统具有视场角度大、成像质量高的优点[7]，故本文采用折射式光学系统结构型式，适当采用平面反射镜折转光路便于小型化。

光学系统变倍方式有轴向移动式及切入切出式，由于切入切出变倍方式需要占用较大结构空间，故采用轴向移动变倍方式。制冷红外探测器的冷光阑是为了消除视场外的杂散光干扰而设置的，光学设计时必须考虑出瞳与冷光阑的匹配，保证实现100%冷光阑效率，实现方式是直接把冷光阑作为光学系统的孔径光阑或者设计时把出瞳放置在冷光阑上，并保证大小与冷光阑一致。另外为避免长焦时光学零件口径过大，采用二次成像[8-9]的方式压缩了光学零件口径，同时在一次像面处设置视场光阑抑制杂散光。

相对于应用两块地物扫描镜的两个独立的红外/可见光双视场光学系统，本文这种集成方式可实现更高的电控精度且成本低。另外若采用红外、可见光系统共用一片大尺寸地物反射镜而不需分光的方式，由于本文长焦焦距较长，会造成地物反射镜尺寸太大，考虑工艺及成本，最终选择如图2所示的光学系统布局。通过地物扫描镜和分光镜把红外、可见光系统集成到一起，由于红外材料与可见光材料相比，光吸收损耗大且成本高，故分光镜采用可见光透射、红外反射的分光方案，红外系统采用移动一片单透镜实现变倍，可见光系统采用移动一组双胶合透镜实现变倍。

2.3 光学系统优化方案

利用高斯光学理论合理分配光焦度，计算好初始结构后，利用光学设计软件Zemax设定边界条件后对初始结构进行优化，为使光学系统结构紧凑，红外系统及可见光系统均采用“正负正”的光焦度结构形式，即前固定组及后固定组为正透镜组，变倍组为负透镜组。在系统光路中，为缩小体积，红外系统采用三片反射镜折转光路，可见光系统采用二片反射镜折转光路。

为便于轴外像差校正，大、小视场切换时孔径光阑的大小不发生变化及兼顾光学系统前部、后部尺寸，把红外系统及可见光系统的孔径光阑置于光路中部附近、后固定组之前。采用弯曲孔径光阑位置附近的透镜来校正轴上像差，同时光线入射角大的透镜表面使其弯向光阑，以减少高级像差。为了减少红外系统透镜数量，从而提高透过率，获得满意的成像质量，红外系统在透镜2的后表面、透镜3的前表面及透镜4的后表面引入3个高次非球面，用以平衡轴上球差及场曲。

为了保证材料供货渠道，红外系统的透镜材料选用常用的单晶锗、硅及硒化锌，可见光系统的透镜材料均选自成都光明生产的频次高、性能优良的材料。

2.4 像质评价[10]

传递函数是最客观、最全面的光学系统性能评价手段，根据指标中红外器件及可见光器件的像元尺寸，计算出红外系统及可见光系统的奈奎斯特频率分别为33 lp/mm和78 lp/mm。图3、图4分别给出了33 lp/mm下红外光学系统大、小视场的调制传递函数图，图5、图6分别给出了78 lp/mm下可见光光学系统大、小视场的调制传递函数图，最上面的实线是系统的衍射极限，由图可知系统成像质量良好，设计结果接近衍射极限。

3 结 论

本文设计了一种应用于全景航空侦查相机的可见光/红外双视场成像光学系统，给出了详细的光学设计指标，对设计的光学系统结构型式进行了分析，最后通过地物扫描镜、分光镜把可见光、红外双视场光学系统集成到一起。设计结果表明，光学系统成像质量接近衍射极限，可以满足工程实际使用需求。

参考文献：

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（编辑：刘铁英）