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    應(yīng)用于數(shù)字高速成像的離軸光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    2015-05-29 09:19:18謝洪波祝世民龔艷霞徐萌萌
    應(yīng)用光學(xué) 2015年2期
    關(guān)鍵詞:離軸物鏡視場

    謝洪波,祝世民,龔艷霞,徐萌萌

    (天津大學(xué) 光電信息科學(xué)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300072)

    引言

    高速成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于自然科學(xué)、武器測試、體育競技、藝術(shù)攝影等諸多領(lǐng)域,它利用時間放大作用實(shí)現(xiàn)對瞬態(tài)事件的觀測[1-4]。在數(shù)字高速成像中,利用固定光學(xué)分幅結(jié)合變像管門選通技術(shù),可以有效提高相機(jī)的成像頻率[5]。現(xiàn)有數(shù)字高速成像分光系統(tǒng)按光線會聚方式不同主要分為平行光分光和會聚光分光2種:1)平行光分光。待測物經(jīng)物鏡成像獲得一次實(shí)像,該像面與中繼透鏡的前焦平面重合,經(jīng)過中繼透鏡的光線變?yōu)槠叫泄?,后?jīng)分光元件(棱鏡、棱錐等)分光獲得多束獨(dú)立的成像平行光。各平行光在不同的成像通道內(nèi)經(jīng)耦合透鏡成像于感光器件上,目前高速多幅相機(jī)普遍采用該種方法分幅成像[6]。2)會聚光分光。待測物經(jīng)物鏡成像,物鏡像方會聚光線直接進(jìn)入分光系統(tǒng)獲得多束獨(dú)立會聚光。分光后各通道會聚光聚焦于感光器件上。該分光方式分光原理簡單,但要求物鏡在像空間有較大工作距,分幅數(shù)受到系統(tǒng)原理制約[7]。上述光學(xué)系統(tǒng)均將物鏡獲得的單幅圖像通過光學(xué)元件分幅得到多幅獨(dú)立圖像輸出,實(shí)現(xiàn)對同一物面的多幅采樣。該類分光系統(tǒng)存在如下問題:

    ①分幅后各像面的照度隨分幅數(shù)的增多而減弱,單幅像面照度低[8]。用于弱光領(lǐng)域探測時,現(xiàn)有分幅方式難以捕獲快速變化的弱光信息;

    ② 為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)不同光學(xué)結(jié)構(gòu)的銜接,光學(xué)系統(tǒng)相對孔徑小,軸向尺寸較大;

    ③ 棱錐與棱鏡的加工、安裝精度要求高,對光學(xué)加工及裝配提出了較高的要求[9]。

    針對上述問題,本文提出了一種用于弱光領(lǐng)域數(shù)字高速成像的離軸光學(xué)系統(tǒng),可以有效解決原有分幅方式的不足。

    1 光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用背景及設(shè)計(jì)原理

    1.1 光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用背景

    光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用背景如圖1所示。攜帶被測信息的X光經(jīng)過閃爍體屏激發(fā)出熒光,形成微弱圖像。該圖像經(jīng)鏡面一次反射與原光路成90°出射,然后由物鏡成像于ICCD(intensified charge-coupled device)光電陰極上,以捕捉快速變化的弱光圖像。

    圖1 光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用背景Fig.1 Application background of optical system

    系統(tǒng)中采用平面反射鏡折轉(zhuǎn)光路,是為了避免殘余X光對ICCD造成損傷。閃爍體屏鏡像位置如圖中虛線所示,整個系統(tǒng)可以等效為成像物鏡對有限遠(yuǎn)物距的閃爍體屏成像。

    1.2 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

    離軸光學(xué)系統(tǒng)物鏡分布如圖2所示,相同物鏡平行陣列分布在圓心與圓周。設(shè)圓心物鏡與圓周物鏡間距為R,圓周臨近物鏡間距為a,圓周物鏡數(shù)n=3,4,5,…。

    圖2 離軸光學(xué)系統(tǒng)物鏡分布圖Fig.2 Distribution of objective in off-axis optical system

    R、a與n滿足如下關(guān)系:

    當(dāng)n=3,4,5時,

    R<a

    當(dāng)n=6,7,8,…時,

    R≥a

    考慮到系統(tǒng)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)需求,物鏡間距R、a中最小值應(yīng)不小于物鏡外徑DLENS與ICCD機(jī)械外徑DICCD中的最大值,即

    各物鏡獨(dú)立成像,共獲得閃爍體屏的n+1幅圖像。由于圓周物鏡偏離閃爍體屏中心,需要增加鏡頭物方視場,使其能獲得閃爍體屏完整圖像。物方視場變化如圖3所示,設(shè)閃爍體屏外接圓大小為Φ2y,則實(shí)際物面尺寸為Φ(2y+2R),視場增量為2R。對于圓心物鏡,閃爍體屏外接圓與實(shí)際物面為同心圓;對于圓周物鏡,閃爍體屏外接圓與實(shí)際物面為內(nèi)切圓。

    為實(shí)現(xiàn)各物鏡輸出圖像一致,圓周物鏡像面ICCD需要相對其鏡頭軸心外向平移離軸以接收有效像面信息,如圖4所示。設(shè)光學(xué)系統(tǒng)垂軸放大倍率β,其數(shù)值等于ICCD感光面2y′與閃爍體屏2y的比值。實(shí)際像面2y′N為

    圖3 物方視場變化圖(n=4)Fig.3 Change of objective field(n=4)

    圖4 像面關(guān)系圖(n=4)Fig.4 Relationship of image plane(n=4)

    式中β=y(tǒng)′/y。設(shè)圓周物鏡像面ICCD平移離軸量為b,它與實(shí)際成像面半徑y(tǒng)′N和ICCD感光面半徑y(tǒng)′滿足如下關(guān)系:

    即像面平移離軸量b為物鏡間距R與光學(xué)系統(tǒng)垂軸放大率β之積。

    有些場合也需要將多個物鏡組按矩陣方式排列,這時可按相同方法考慮。

    1.3 陣列物鏡設(shè)計(jì)原則

    陣列物鏡設(shè)計(jì)時,除了需要根據(jù)視場、孔徑等應(yīng)用需求選擇適當(dāng)初始結(jié)構(gòu)外,還應(yīng)特別考慮到高速多幅相機(jī)對n+1個畫面的一致性要求,所以設(shè)計(jì)時應(yīng)重點(diǎn)考察像面照度、畸變等與視場有關(guān)參數(shù)的一致性。

    1.3.1 照度分析

    成像系統(tǒng)的像面照度主要取決于相對孔徑,其值正比于相對孔徑的二次方。由于離軸光學(xué)系統(tǒng)中不存在物像銜接問題,也無像方工作距長度限制,因此物鏡相對孔徑可以取較大值,以增加像面照度。

    在提升像面照度的同時應(yīng)保證像面照度的均勻性。設(shè)物鏡像面中心視場照度E′O、邊緣視場照度為E′M,兩者滿足如下關(guān)系[10]:

    式中ω為像方視場角。由公式(4)可知,隨視場角的增加物鏡邊緣視場照度相對中心視場急劇下降。因此視場增量2R應(yīng)取最小值,同時物鏡設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮漸暈影響,選擇無漸暈或負(fù)漸暈鏡頭,以減小中心視場與邊緣視場照度差。

    1.3.2 畸變等視場像差影響

    物鏡存在畸變時,垂軸放大率β隨視場而變化,不再是常數(shù)[11]。無論是正畸變還是負(fù)畸變,都會造成多幅圖像成像位置差異或放大率差異,從而影響序列化匹配。因此對陣列物鏡的畸變應(yīng)嚴(yán)格校正。

    場曲與像散均表現(xiàn)為不同視場的最佳像面位置不同。在本系統(tǒng)中,閃爍體屏上同一物點(diǎn),對不同物鏡來說其視場角不同,如果存在場曲和像散會使得各ICCD無法同時獲得同一物點(diǎn)的清晰像質(zhì),因此也應(yīng)加以優(yōu)化控制。

    2 五通道離軸光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

    2.1 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    根據(jù)上述光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則,設(shè)計(jì)并加工了一套五通道離軸光學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。系統(tǒng)對950mm處邊長300mm正方形閃爍屏成像,要求光學(xué)系統(tǒng)垂軸放大率β為0.06,其中ICCD機(jī)械外徑DICCD為Φ71mm。取物鏡間距R為滿足公式(1)的參數(shù)要求。由公式(2)、(3)可知,此時圓周物鏡像面ICCD平移離軸量b為4.67mm。

    圖5 光學(xué)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)Fig.5 Whole structure of optical system

    2.2 鏡頭設(shè)計(jì)參數(shù)

    根據(jù)陣列物鏡設(shè)計(jì)原則,在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件CODEV中選擇適當(dāng)初始結(jié)構(gòu)優(yōu)化,獲得物鏡光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖6所示。鏡頭采用7片6組結(jié)構(gòu),F(xiàn)數(shù)為2.0。圖中最后一片平板為ICCD保護(hù)玻璃。

    圖6 物鏡結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of objective

    圖8 場曲與畸變Fig.8 Field curvature and distortion

    經(jīng)組裝測試,系統(tǒng)各像面分辨率、照度和畸變等參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。

    物鏡調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)如圖7所示。光學(xué)系統(tǒng)在30lp/mm時各視場對比度均大于70%,像質(zhì)滿足ICCD探測器使用要求[12]。圖中各視場MTF曲線較為接近,表明物鏡各視場像面清晰度一致。

    圖7 調(diào)制傳遞函數(shù)Fig.7 Diffraction modulation transfer function

    通過公式(4)計(jì)算可知,物鏡邊緣視場照度為中心視場照度的83.68%,圓周兩側(cè)物鏡對閃爍體屏邊緣成像時像面照度差異最大,差值約為12.43%。在物鏡設(shè)計(jì)時通過控制孔徑邊緣光線引入負(fù)漸暈,邊緣視場照度增加為中心視場照度的88%,圓周物鏡像面照度最大差異降為8.12%。

    物鏡場曲與畸變?nèi)鐖D8所示。光學(xué)系統(tǒng)的畸變小于0.1%,場曲小于0.1mm,可以有效保證各物鏡像面圖像匹配一致。

    3 結(jié)論

    數(shù)字高速多幅相機(jī)多采用分幅方式獲取多通道圖像,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,像面照度因分幅數(shù)增加而降低。本文提出一種多物鏡平行陣列分布,像面離軸接收以得到多通道圖像的設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)像面照度高于同通道數(shù)分幅系統(tǒng),軸向尺寸與物鏡長度相同,結(jié)構(gòu)緊湊。根據(jù)該設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)并加工了一套五通道離軸光學(xué)系統(tǒng)。通過引入負(fù)漸暈彌補(bǔ)大視場引起的軸外點(diǎn)照度降低效應(yīng),并通過約束優(yōu)化使得各視場MTF曲線接近,畸變小于0.1%,有效保證了各通道像面的一致性。

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