可見光/紅外雙波段共光路光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

王藝棟，李文強(qiáng)，孟慶斌

(1.南京理工大學(xué)，南京 210000； 2.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471000)

0 引言

在軍事和安防領(lǐng)域常使用可見光和紅外波段混合探測實現(xiàn)全天候監(jiān)視偵察，目標(biāo)在不同觀測波段系統(tǒng)下成像的特征信息不同，可見光的波長短、分辨率高，但是只能在光照充足的情況下使用，紅外波段利用溫差進(jìn)行探測，能夠晝夜進(jìn)行觀測，但是波長比可見光長，分辨率相比可見光低一些。通過多波段探測能夠有效利用多波段獲取的目標(biāo)信息，對背景進(jìn)行抑制，提高目標(biāo)的探測概率，降低虛警率[1-8]。

目前世界上先進(jìn)的光電探測設(shè)備大多采用多波段集成的模式，早期的多波段觀測常用的方式是各波段光路獨立。隨著設(shè)計水平的提高和加工工藝的發(fā)展，多波段共孔徑成為光電系統(tǒng)發(fā)展的方向，文獻(xiàn)[1]介紹了第三代光電探測設(shè)備發(fā)展的趨勢，多波段通過共用望遠(yuǎn)系統(tǒng)實現(xiàn)高度集成化，進(jìn)一步減小系統(tǒng)空間和體積；文獻(xiàn)[2]設(shè)計了可見光、激光、紅外共望遠(yuǎn)系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)；文獻(xiàn)[3]設(shè)計了中波紅外和長波紅外共光路的光學(xué)系統(tǒng)；文獻(xiàn)[4]設(shè)計了多波段共用反射式主次鏡的光學(xué)構(gòu)型。

本文采用折射式光學(xué)系統(tǒng)，選用可見光和長波紅外作為兩個觀測波段，具有可見光分辨率高、長波紅外能夠在夜間工作等特性?？梢姽馀c長波紅外焦距相同，白天可以實現(xiàn)可見光紅外實時成像，觀測信息相同，有利于后期圖像融合。將可見光與長波紅外融合在一起，共用光路，大幅度減小了系統(tǒng)的體積，滿足機(jī)載光電系統(tǒng)輕量化要求。通過選用ZnS，ZnSe，CaF2，BaF2寬波段材料，采用光學(xué)被動式無熱化設(shè)計，實現(xiàn)了雙波段在工作溫度范圍內(nèi)成像質(zhì)量良好。

1 設(shè)計過程和結(jié)果

1.1 系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)

長波紅外光學(xué)系統(tǒng)采用320×256非制冷型長波紅外探測器，像元大小30 μm；可見光光學(xué)系統(tǒng)采用1280×1024面元探測器，像元尺寸7.5 μm。系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

對系統(tǒng)的要求如下：可見光系統(tǒng)MTF在空間頻率為100 lp/mm時，軸上的MTF大于0.5，軸外的MTF大于0.4，畸變值小于2%；長波紅外系統(tǒng)MTF在空間頻率17 lp/mm處，軸上的MTF大于0.4，軸外的MTF大于0.35，畸變值小于2%。在-40～+60 ℃溫度范圍內(nèi)滿足無熱化。

其設(shè)計思路：為了滿足雙波段光學(xué)系統(tǒng)在兩個波段內(nèi)有較高的透過率，采用5片式一次成像結(jié)構(gòu)?？梢姽?、長波紅外完全共用光路，探測器前通過分光器件實現(xiàn)雙波段同時成像。系統(tǒng)的分光通常有棱鏡分光和分光鏡分光兩種形式。分光鏡分光由于加入一個傾斜的平板，會帶來不對稱的像差，難以校正，所以本文采用棱鏡分光。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計通常采用折射率色散較小的材料作為正透鏡，色散大的材料作為負(fù)光焦度材料來校正色差。由于雙波段跨度范圍較大，BaF2在整個工作波段色散較小，可作為正透鏡材料；ZnSe，ZnS，CaF2色散較大，可作為負(fù)透鏡材料，通過正負(fù)搭配校正像差和色差。系統(tǒng)設(shè)計時適當(dāng)增加非球面，校正像差，減少鏡片使用片數(shù)，增大系統(tǒng)的透過率，提高系統(tǒng)的作用距離。由于系統(tǒng)工作溫度范圍在-40～+60 ℃，系統(tǒng)需要進(jìn)行無熱化設(shè)計。為了使系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、體積小、可維護(hù)性好等優(yōu)點，無熱化設(shè)計采用光學(xué)被動式，實現(xiàn)雙波段成像。

1.2 初始結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)鏡片的數(shù)量，已知系統(tǒng)視場角的大小，在CodeV軟件中選擇一個初始結(jié)構(gòu)。選擇初始結(jié)構(gòu)的原則是：根據(jù)目標(biāo)，選擇F數(shù)較小的、視場較大的初始結(jié)構(gòu)。最終選擇日本專利811221作為系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 專利光路圖Fig.1 Structure of the patent path

用BaF2替換鏡頭的正透鏡，其他材料替換鏡頭的負(fù)透鏡。通過縮放來滿足系統(tǒng)的有效焦距。經(jīng)過幾次優(yōu)化，實現(xiàn)在可見光條件下滿足系統(tǒng)的要求，再通過在軟件中添加兩個波段，在不同波段下同時優(yōu)化，滿足雙波段常溫系統(tǒng)性能指標(biāo)。圖2為經(jīng)過初始優(yōu)化得到的雙波段共光路的光路圖。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)光路圖Fig.2 Structure of the optical system

1.3 消熱差設(shè)計

光學(xué)系統(tǒng)在-40～+60 ℃溫度范圍內(nèi)工作，如此大的溫度變化會導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)部光學(xué)鏡片的厚度、間隔、曲率半徑以及光學(xué)材料的折射率發(fā)生改變。這些結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變會導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)的焦點隨溫度變化漂移，影響成像性能。

為了使系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性更好，結(jié)構(gòu)更簡潔，本文采用光學(xué)被動式無熱化設(shè)計方法，通過利用光學(xué)材料不同的熱差和色差特性，合理分配光焦度與元件間隔，使系統(tǒng)在不同溫度范圍內(nèi)工作性能良好。

空氣中由j個薄透鏡組成的系統(tǒng)采用光學(xué)被動式無熱化設(shè)計，應(yīng)該滿足

(1)

式中：hi為近軸邊緣光線在第i個透鏡上的入射高度；ω和θ分別為色散系數(shù)和消熱差系數(shù)；α為鏡筒結(jié)構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)。

根據(jù)薄透鏡無熱化方程可知，光學(xué)被動無熱化需要滿足光焦度的合理分配，材料的色散系數(shù)和鏡筒的熱膨脹系數(shù)要匹配。在常溫結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在軟件中設(shè)置不同的溫度，添加優(yōu)化約束條件，如鏡筒的熱膨脹系數(shù)，使用CodeV軟件中替換材料功能，實現(xiàn)系統(tǒng)的無熱化設(shè)計。

2 設(shè)計實例

2.1 優(yōu)化設(shè)計

在初始結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)進(jìn)行無熱化設(shè)計。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料為鋁，熱膨脹系數(shù)為23.6×10-6。在軟件中經(jīng)過多次優(yōu)化，完成了光學(xué)材料順序重新組合，光焦重新分配，系統(tǒng)滿足在-40～+60 ℃溫度范圍內(nèi)的消熱差設(shè)計。最終確定系統(tǒng)的材料順序為BaF2，BaF2，CaF2，ZnS，ZnSe，光焦度順序為負(fù)負(fù)正正正。

無熱化后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 光學(xué)系統(tǒng)無熱化設(shè)計結(jié)果Fig.3 Optical system after athermalization design

在設(shè)計過程中引入3個非球面，分別在第1元件前表面、第4元件前表面、第5元件后表面上，平衡系統(tǒng)像差，提高了系統(tǒng)透過率。

2.2 設(shè)計結(jié)果

對于不同波段的光學(xué)傳遞函數(shù)，截止頻率不同，通常系統(tǒng)設(shè)計時要求光學(xué)截止頻率高于探測器截止頻率。雙波段共孔徑光學(xué)系統(tǒng)在不同溫度下的傳遞函數(shù)如圖4所示。在全工作溫度范圍內(nèi)(-40～+60 ℃)，可見光各個視場的MTF在90 lp/mm處的光學(xué)傳遞函數(shù)大于0.5，長波紅外各個視場的MTF在17 lp/mm處的光學(xué)傳遞函數(shù)大于0.4，滿足系統(tǒng)的性能要求。兩個波段的光學(xué)傳遞函數(shù)都滿足設(shè)計指標(biāo)。

圖4 系統(tǒng)MTF曲線Fig.4 Curve of modulation transfer function of the system

畸變會影響成像的視覺效果，光學(xué)設(shè)計時需要把畸變控制在合理的范圍內(nèi)。圖5、圖6分別為兩個波段的畸變網(wǎng)格圖，全視場范圍內(nèi)畸變均小于1%，滿足使用要求。

光束通過光學(xué)成像系統(tǒng)會聚成一個彌散斑，通常要求彌散斑的均方根直徑小于探測器單個像元才不會導(dǎo)致圖像模糊。圖7為可見光點列圖，所有視場成像光斑均方根直徑小于CCD面元尺寸7.5 μm。圖8為長波紅外點列圖，成像光斑均方根直徑小于紅外探測器面元尺寸30 μm，滿足使用要求。

圖5 可見光畸變圖Fig.5 Distortion grid of visible light

圖6 長波紅外畸變圖Fig.6 Distortion grid of LWIR

圖7 可見光點列圖Fig.7 Spot diagram of visible light

圖8 長波紅外點列圖Fig.8 Spot diagram of LWIR

3 結(jié)論

多波段共光路系統(tǒng)在光學(xué)成像領(lǐng)域有著重要用途，通過共光路能夠有效減小整個系統(tǒng)的空間和體積。采用5片透鏡，設(shè)計了一個可見光、長波紅外共光路的光學(xué)系統(tǒng)，工作波段分別為0.55～0.75 μm，7.5～9.5 μm，在-40～+60 ℃溫度范圍內(nèi)，雙波段成像質(zhì)量良好，結(jié)構(gòu)緊湊。通過引入非球面減少了系統(tǒng)的元件使用數(shù)量，提高了系統(tǒng)透過率，該系統(tǒng)在輕量化、小型化、無熱化方面都有很大優(yōu)勢，該設(shè)計既可以用在航空多波段光電偵察探測領(lǐng)域，又可以應(yīng)用在民用安防領(lǐng)域。