在非制冷紅外熱像儀方面,相對于已模塊化的非制冷探測器及成像電路,光學(xué)系統(tǒng)在減輕產(chǎn)品質(zhì)量、縮小體積尺寸、降低成本價(jià)格方面發(fā)揮重要作用,成為降低整機(jī)SWaP-C(Size、Weight、Power and Cost)特征的主要因素。
設(shè)計(jì)輕小型、低成本、高性能的非制冷紅外光學(xué)系統(tǒng)需要考慮以下幾個方面:透鏡數(shù)量少、光學(xué)系統(tǒng)總長短、大物鏡直徑小、較高的光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)以及環(huán)境適應(yīng)性好。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道,近期,昆明物理研究所的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“緊湊低成本非制冷長波紅外連續(xù)變焦光學(xué)設(shè)計(jì)”為主題的文章。該文章第一作者為唐晗高級工程師,主要從事紅外光機(jī)系統(tǒng)技術(shù)的研究工作。
本文引入三組聯(lián)動變焦技術(shù)平衡像差及壓縮系統(tǒng)總長,采用變F#設(shè)計(jì)技術(shù)約束系統(tǒng)大物鏡直徑,通過主動補(bǔ)償?shù)臒o熱化技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在高低溫情況下成像清晰,構(gòu)建四片透鏡架構(gòu)的非制冷長波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng),該系統(tǒng)具有總長短、成本低、環(huán)境適應(yīng)性好、性能高等特點(diǎn),能在手持偵察設(shè)備或無人系統(tǒng)平臺中得到廣泛應(yīng)用,滿足日益增長的市場需求。
三組聯(lián)動連續(xù)變焦模型
三組聯(lián)動連續(xù)變焦系統(tǒng)是通過三個透鏡組在軸向連續(xù)移動改變光學(xué)系統(tǒng)組合焦距,同時(shí)保持像面位置不動并在連續(xù)變焦過程中成像質(zhì)量良好的機(jī)械補(bǔ)償變焦系統(tǒng)。三組聯(lián)動連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)常見形式是由前固定組、變倍組、補(bǔ)償組、第二補(bǔ)償組和后固定組五組透鏡組成。通過建立數(shù)學(xué)模型能快速分析變焦過程,確定變焦系統(tǒng)高斯光學(xué)參數(shù),得到近軸光學(xué)初始架構(gòu)。三組聯(lián)動連續(xù)變焦系統(tǒng)運(yùn)動模型如圖1所示。
圖1 三組聯(lián)動連續(xù)變焦系統(tǒng)原理圖
采用微分方程分析變焦核的三個組元—變倍組、補(bǔ)償組及第二補(bǔ)償組的運(yùn)動規(guī)律。根據(jù)三組聯(lián)動變焦模型,利用公式,通過編程迭代求出滿足指標(biāo)要求的各組元光焦度分配及光學(xué)元件位置間隔。
光學(xué)系統(tǒng)評價(jià)與分析
設(shè)計(jì)流程
非制冷長波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖2所示。首先,根據(jù)三組聯(lián)動連續(xù)變焦模型編制計(jì)算程序,依據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)從系統(tǒng)總長、光焦度分配、零件間隔等方面優(yōu)選初始光學(xué)架構(gòu),建立理想光學(xué)模型;其次,根據(jù)元件光焦度合理選型選材,設(shè)置評價(jià)函數(shù)進(jìn)入優(yōu)化和全局優(yōu)化;再次,依據(jù)評價(jià)函數(shù)收斂結(jié)果評價(jià)常溫及高低溫環(huán)境成像質(zhì)量;然后進(jìn)入公差分析環(huán)節(jié),使得系統(tǒng)達(dá)到加工裝配要求的容差范圍,其中評價(jià)函數(shù)修改優(yōu)化、像質(zhì)評價(jià)及公差分析環(huán)節(jié)反復(fù)多次迭代,直至達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)要求;最后,開展系統(tǒng)變焦曲線重整化操作,完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
圖2 連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖
設(shè)計(jì)指標(biāo)
根據(jù)目前市場主流的640×512@12 μm非制冷氧化釩焦平面探測器,設(shè)計(jì)了一款緊湊低成本、高透過率、全溫度范圍使用的非制冷長波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)見表1。
表1 光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)
設(shè)計(jì)過程
按照設(shè)計(jì)流程,首先根據(jù)三組聯(lián)動連續(xù)變焦模型,編制三組聯(lián)動變焦系統(tǒng)初始參數(shù)計(jì)算程序。依據(jù)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo),求解連續(xù)變焦系統(tǒng)高斯光學(xué)參數(shù)(即元件光焦度、間隔分配)建立近軸光學(xué)系統(tǒng)。三組聯(lián)動連續(xù)變焦系統(tǒng)含有五個組元,若要實(shí)現(xiàn)四片透鏡架構(gòu)需要減去一個組元,從校正像差難易程度分析,第二補(bǔ)償組兼具后固定組平衡像差的能力,減去后固定組是合理可行的。
考慮設(shè)置孔徑光闌位置。孔徑光闌位置對大物鏡直徑及系統(tǒng)像差平衡有顯著影響。經(jīng)分析,將孔徑光闌設(shè)置在補(bǔ)償組上,能有效減少大物鏡直徑,降低像差校正難度。采用固定口徑光闌,通過變F#設(shè)計(jì)技術(shù)使得系統(tǒng)F#隨系統(tǒng)視場變化,結(jié)合成像電路自動增益算法減輕變F#帶來的影響。
將程序計(jì)算的各焦距段參數(shù)輸入光學(xué)輔助設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng),設(shè)置多重結(jié)構(gòu),根據(jù)各組元光焦度合理選擇透鏡形狀、透鏡材料并設(shè)置優(yōu)化評價(jià)函數(shù),設(shè)置二元衍射面和高次非球面,以提供更多的優(yōu)化變量及設(shè)計(jì)自由度,提升光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量。系統(tǒng)在三個焦距位置(短焦距20.7 mm、中焦距80 mm、長焦距126 mm)的初始架構(gòu)如圖3所示。
圖3 連續(xù)變焦光學(xué)多重系統(tǒng)圖
設(shè)計(jì)結(jié)果
緊湊低成本非制冷長波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)最終設(shè)計(jì)結(jié)果如圖4所示。整個系統(tǒng)共采用四片透鏡,最大透鏡加工直徑為116 mm,光學(xué)系統(tǒng)總長為180 mm,光學(xué)零件總質(zhì)量為418 g,遠(yuǎn)攝比為1.44。前固定組是正光焦度的鍺透鏡;變倍組為負(fù)光焦度的鍺透鏡;補(bǔ)償組為正光焦度的鍺透鏡;第二補(bǔ)償組為正光焦度低溫度折射系數(shù)的硫系玻璃透鏡。系統(tǒng)共采用一個二元衍射面和三個非球面,將第二補(bǔ)償組作為調(diào)整環(huán)節(jié),用于系統(tǒng)主動消熱及視距調(diào)焦。孔徑光闌設(shè)置于補(bǔ)償組前表面,在大視場到小視場連續(xù)變焦過程中,系統(tǒng)F#線性變化范圍為1.05~1.2,焦距變化范圍為20.7~126 mm,對應(yīng)視場變化范圍為21°×16.8°~3.5°×2.8°,變焦過程連續(xù)、像質(zhì)良好,符合設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。
圖4 連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)布局圖
光學(xué)系統(tǒng)評價(jià)與分析
系統(tǒng)常溫像質(zhì)評價(jià)
光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù):理想光學(xué)系統(tǒng)對應(yīng)的MTF即為系統(tǒng)傳函衍射極限。光學(xué)系統(tǒng)MTF如圖5所示。系統(tǒng)在三個焦距狀態(tài)的MTF接近衍射極限,成像質(zhì)量良好。
圖5 連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)MTF曲線
點(diǎn)列圖:光學(xué)系統(tǒng)以主光線的交點(diǎn)為參考點(diǎn),計(jì)算與該點(diǎn)最遠(yuǎn)的點(diǎn)對應(yīng)的距離為彌散斑(SPT)幾何半徑,同時(shí)用最小二乘算法計(jì)算各點(diǎn)和參考點(diǎn)的平均距離,稱為彌散斑均方根(RMS)半徑。光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)列圖如圖6所示,系統(tǒng)在三個視場下的最大彌散斑RMS半徑值為6.8 μm,表明系統(tǒng)成像清晰,滿足使用要求。
圖6 連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)列圖
畸變:為理想像高與實(shí)際主光線高度的差。光學(xué)系統(tǒng)畸變情況如圖7所示,在小視場時(shí),最大畸變?yōu)?.92%,在大視場時(shí),最大畸變?yōu)?.08%,該系統(tǒng)在連續(xù)變焦過程中畸變對成像無明顯影響。
圖7 連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)小視場 (a)及大視場 (b)畸變情況
系統(tǒng)高低溫像質(zhì)評價(jià)
非制冷長波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)因相對孔徑大、常用透鏡材料溫度折射率系數(shù)大等因素,影響光學(xué)系統(tǒng)在高低溫環(huán)境中的成像質(zhì)量。該系統(tǒng)采用主動補(bǔ)償技術(shù),即通過移動第二補(bǔ)償組使光學(xué)系統(tǒng)在?40~+60 ℃溫度范圍成像質(zhì)量滿足使用要求。
圖8為系統(tǒng)在長焦126 mm及短焦20.7 mm時(shí)在高低溫下經(jīng)補(bǔ)償后的光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)。圖9為系統(tǒng)在長焦126 mm及短焦20.7 mm時(shí)在高低溫下經(jīng)補(bǔ)償后的系統(tǒng)點(diǎn)列圖。從高低溫傳函圖及點(diǎn)列圖中可以看出,連續(xù)變焦系統(tǒng)通過主動補(bǔ)償在?40~+60 ℃范圍內(nèi)成像質(zhì)量滿足使用要求。
圖8 高低溫環(huán)境連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)MTF曲線
圖9 高低溫環(huán)境連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)列圖
光學(xué)系統(tǒng)公差分析
公差分析能夠充分評價(jià)各項(xiàng)公差對光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響,并評估光學(xué)零件加工工藝、光機(jī)裝調(diào)的難易程度。對系統(tǒng)成像質(zhì)量影響較大的制造公差、組裝公差要適當(dāng)調(diào)整,并需要多次迭代優(yōu)化。
光學(xué)設(shè)計(jì)軟件運(yùn)用統(tǒng)計(jì)算法對公差進(jìn)行預(yù)估。對于中、高精度光學(xué)系統(tǒng),按照表2修改默認(rèn)公差表,在系統(tǒng)小視場常溫狀態(tài)采用靈敏度分析得到統(tǒng)計(jì)的誤差評估表,其中公差最嚴(yán)重項(xiàng)目如圖10所示。
表2 常用Zemax公差表
圖10 最嚴(yán)重項(xiàng)目
從圖10可以看出,第一透鏡、第二透鏡的傾斜與第二透鏡前表面的光圈局部公差為“最嚴(yán)重項(xiàng)目”,但對系統(tǒng)成像質(zhì)量影響較小,容差可控。
圖11、圖12分別為系統(tǒng)彌散斑RMS及MTF公差分析結(jié)果。從圖11可知,系統(tǒng)彌散斑RMS半徑的設(shè)計(jì)值為5.3 μm、改變量統(tǒng)計(jì)平均值為0.78 μm以及加工裝配后彌散斑RMS半徑的估計(jì)值為6.09 μm,較好地滿足實(shí)際使用。從圖12可知,系統(tǒng)40 lp/mm處的MTF設(shè)計(jì)值為0.358,改變量為0.0227,加工裝配后MTF的估計(jì)值為0.336,滿足實(shí)際使用需求。
圖11 彌散斑RMS半徑估計(jì)值
圖12 MTF估計(jì)值
系統(tǒng)二元衍射面加工分析
系統(tǒng)在補(bǔ)償組前表面引入一個二元衍射面用于平衡倍率色差,在鍺基底上引入的二元衍射面參數(shù)為Norm Radius=22 mm,H1=?10.53,H2=?1.48。計(jì)算得到二元衍射面的環(huán)帶數(shù)為1,環(huán)帶深度為3.18 μm。二元衍射面的位相及周期同元件直徑的關(guān)系如圖13所示,鍺基底二元衍射面可采用單點(diǎn)金剛石車削加工。該二元衍射元件衍射環(huán)帶少,基底材料硬度低,加工簡單,成本與非球面透鏡相差不大。
圖13 二元面位相、周期與元件直徑的關(guān)系
在8.0~12.0 μm工作波段范圍內(nèi),取中心波長9.6 μm,利用衍射效率計(jì)算公式得到波段平均衍射效率為95.5%,元件衍射效率如圖14所示。考慮光學(xué)零件加工引起的遮擋效應(yīng)及表面粗糙度造成光束散射等因素,使用波段平均衍射效率約為92.0%。因此,光學(xué)系統(tǒng)透過率為:τ=0.96×0.975×0.92×0.975=0.84。滿足系統(tǒng)光學(xué)透過率要求。
圖14 二元衍射面衍射效率
系統(tǒng)凸輪曲線重整化
系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最后階段還需要計(jì)算變倍組、補(bǔ)償組及第二補(bǔ)償組隨焦距變化的位移量。優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中只給出變焦系統(tǒng)五重結(jié)構(gòu),包含了系統(tǒng)變焦區(qū)間(長焦、短焦)及中間三個焦距位置,實(shí)際凸輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要覆蓋整個變焦區(qū)間,需要完整的變焦曲線,即以變焦間隔為自變量,以系統(tǒng)焦距為函數(shù)的曲線方程,或充分稠密的數(shù)據(jù)表,該項(xiàng)操作稱為變焦曲線的“重整化”。
與兩個運(yùn)動組元的正組補(bǔ)償或負(fù)組補(bǔ)償系統(tǒng)中變倍組與補(bǔ)償組位置關(guān)系一一對應(yīng)不同,三組聯(lián)動變焦系統(tǒng)的每一個變倍組位置存在多個補(bǔ)償解,因此三組聯(lián)動變焦系統(tǒng)曲線重整需考慮凸輪曲線平滑及單調(diào)性。將系統(tǒng)的曲率半徑及非球面參數(shù)設(shè)置為定值,將變焦間隔設(shè)為變量,從短焦到長焦插入多重結(jié)構(gòu)按一定的間隔賦值,一般變倍比小于10時(shí),200個焦距位置數(shù)據(jù)對凸輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已足夠,編制ZPL宏程序自動設(shè)置操作數(shù),改變焦距值逐次優(yōu)化并控制相鄰焦距變倍組及補(bǔ)償組的相對移動量,得到整個變焦區(qū)間的變焦間隔及評價(jià)函數(shù)收斂情況。系統(tǒng)凸輪曲線如圖15所示。從圖中可知變倍組最大行程為56 mm,補(bǔ)償組最大行程為17.5 mm,第二補(bǔ)償組最大行程為4.5 mm;變倍組、補(bǔ)償組曲線平滑無拐點(diǎn)采用凸輪軌道驅(qū)動,凸輪轉(zhuǎn)角與變倍組與補(bǔ)償組的壓力升角關(guān)系如圖16所示。第二補(bǔ)償組采用單個電機(jī)驅(qū)動,有利于系統(tǒng)視距調(diào)焦及主動消熱,考慮高低溫消熱補(bǔ)償行程,該組最大移動量為6.6 mm。
圖15 連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)凸輪曲線
圖16 凸輪轉(zhuǎn)角與壓力升角關(guān)系
結(jié)論
隨著紅外熱像儀朝著SWaP-C方向快速迭代,影響非制冷連續(xù)變焦紅外熱像儀尺寸、體積、質(zhì)量、價(jià)格等方面的變焦光學(xué)系統(tǒng)日益朝著總長短、體積小、成本低、性能高、環(huán)境適應(yīng)性好等方面發(fā)展,以滿足民用、軍事等各方面的應(yīng)用需求。基于640×512像元間距12 μm的非制冷焦平面探測器,采用變F#設(shè)計(jì)方法、引入三組聯(lián)動變焦設(shè)計(jì)技術(shù)、通過主動補(bǔ)償消熱差,實(shí)現(xiàn)了一款四片透鏡結(jié)構(gòu)的緊湊低成本連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)焦距變化范圍為20.7~126 mm,相應(yīng)F#在1.05~1.2之間變化,對應(yīng)視場變化范圍為21°×16.8°~3.5°×2.8°,變倍比為6.0×,最大物鏡口徑116 mm,光學(xué)總長180 mm,遠(yuǎn)攝比為1.44,光學(xué)零件總質(zhì)量418 g,零件加工工藝成熟,加工裝調(diào)容差較好,變焦凸輪曲線平滑,凸輪軌道易于加工,運(yùn)動組元伺服控制簡單,系統(tǒng)在?40~+60 ℃環(huán)境下成像清晰,滿足高低溫使用要求。該緊湊低成本非制冷長波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)將在導(dǎo)航、偵察、警戒、搜索及跟蹤等無人系統(tǒng)平臺或手持熱像儀產(chǎn)品中具有廣闊的市場前景,推動非制冷紅外熱像儀進(jìn)一步朝著降低SWaP-C方向發(fā)展。
審核編輯:劉清
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原文標(biāo)題:緊湊低成本非制冷長波紅外連續(xù)變焦光學(xué)設(shè)計(jì)
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