兩檔焦化光學(xué)系統(tǒng)的比較

兩檔焦化光學(xué)系統(tǒng)的比較

紅外兩檔變形光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計由于紅外光學(xué)系統(tǒng)具有良好的隱蔽性和良好的環(huán)境適應(yīng)性，深受軍事和民用工程領(lǐng)域的影響，變動器可以通過改變系統(tǒng)的距離來改變圖像的大小。因此，紅外焦換光學(xué)系統(tǒng)具有上述兩個良好的特點(diǎn)，并得到了廣泛應(yīng)用。紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)按照變焦過程中焦距是否連續(xù)變化分為連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)和非連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng),對于非連續(xù)變焦系統(tǒng),常用的有兩檔變焦和三檔變焦。由于紅外連續(xù)變焦系統(tǒng)透鏡片數(shù)過多,會導(dǎo)致系統(tǒng)透射比下降,且系統(tǒng)質(zhì)量較大,在材料選擇、冷屏匹配等方面都有較大的困難,因此,在某些特殊情況下,常使用兩檔變焦系統(tǒng)來代替連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)。紅外兩檔變焦系統(tǒng)分為兩類:一類是軸向移動式變焦系統(tǒng),通過透鏡組軸向間隔的變化而改變光學(xué)系統(tǒng)的焦距,其缺點(diǎn)是透射率較低;一類是切入式變焦系統(tǒng),這類光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)是在窄視場中沒有運(yùn)動元件,其光學(xué)系統(tǒng)穩(wěn)定性好,系統(tǒng)切換時間短,透射率高,寬視場時通過切入一些透鏡來實現(xiàn)大視場。目前國內(nèi)文獻(xiàn)對紅外兩檔切入式變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的相關(guān)報道還很少。本文針對長波320×240非制冷焦平面陣列探測器,設(shè)計了紅外兩檔變焦光學(xué)系統(tǒng),采用切入式變焦方式。該系統(tǒng)變焦過程中相對孔徑保持不變,F/#為1,變焦比為5:1,短焦距寬視場時全視場角為31.4°,長焦距窄視場時全視場角為6.44°,系統(tǒng)在空間頻率11lp/mm處,寬視場和窄視場都具有較好的成像質(zhì)量。系統(tǒng)短焦距時有較大的視場,分辨率較低,可用于搜索目標(biāo),長焦距時視場小但分辨率較高,可用于捕獲和觀察目標(biāo),因此該系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域和民用工程有廣闊的應(yīng)用前景。1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化該變焦系統(tǒng)采用長波320×240非制冷焦平面陣列探測器,探測器像元尺寸為45μm×45μm,紅外兩檔變焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)如表1所示。為了實現(xiàn)大視場,紅外兩檔變焦光學(xué)系統(tǒng)在短焦距時通過切入一些透鏡來增大視場,在長波紅外波段,考慮到材料的吸收和成本,為減小成本,簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),通過引入非球面和二元面,有效地校正了系統(tǒng)像差。兩檔變焦光學(xué)系統(tǒng)主要設(shè)計步驟為:第一步,確定兩檔變焦系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)。為了使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,長焦距窄視場時選用三片式結(jié)構(gòu),其中第一片和第三片為光焦度為正的鍺透鏡,中間一片為負(fù)透鏡,材料為硒化鋅。由于短焦距相比長焦距的視場變化很大,所以在長焦距窄視場結(jié)構(gòu)的第一片和第二片之間切入一負(fù)透鏡,第二片和第三片之間切入一正透鏡來實現(xiàn)大視場。長焦距窄視場時要求焦距為160mm,全視場角為6.44°;短焦距寬視場時焦距為32mm,全視場角為31.4°。根據(jù)以上各項參數(shù)要求,確定系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu),此時系統(tǒng)成像質(zhì)量很差。第二步,為了消除系統(tǒng)的色差,在系統(tǒng)中引入二元面(即ZEMAX-EE光學(xué)設(shè)計軟件的Binary2面形),二元元件是直接制作在折射透鏡上的浮雕結(jié)構(gòu),可簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),減輕重量。ZEMAX-EE光學(xué)設(shè)計軟件的旋轉(zhuǎn)對稱二元面的相位分布函數(shù)為:式中:r為歸一化半徑坐標(biāo);A1為二次相位系數(shù),決定二元面的傍軸光焦度,實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的消色差。A2、A3等為非球面相位系數(shù),用于校正系統(tǒng)的高級像差,利用ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件對系統(tǒng)進(jìn)行消色差優(yōu)化,優(yōu)化后長焦距窄視場成像質(zhì)量較好,但短焦距寬視場成像質(zhì)量很不理想。第三步,由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,優(yōu)化時可選擇的變量較少,為了改善短焦距寬視場時的成像質(zhì)量,引入偶次非球面,其表達(dá)式如下式所示:式中:c為曲率;k為圓錐系數(shù);r為歸一化半徑坐標(biāo);α1、α2、α3等為非球面系數(shù),為了減小成本易于加工,只選取式(2)中的r2、r4、r6項,保持短焦距寬視場時第1、3片和第3、5片之間的距離不變,以切入兩片透鏡的曲率半徑、厚度和偶次非球面的系數(shù)α1、α2、α3和曲率c為變量對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化后系統(tǒng)軸外像差較大,短焦距寬視場時的調(diào)制傳遞函數(shù)和系統(tǒng)的衍射極限相差較大。第四步,在系統(tǒng)中引入另一個偶次非球面,進(jìn)一步對短焦距寬視場結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化校正像差,根據(jù)系統(tǒng)要求,以切入兩片透鏡的曲率半徑和兩個偶次非球面的非球面系數(shù)α1、α2、α3和曲率c為變量,通過相互配合反復(fù)優(yōu)化,優(yōu)化后短焦距寬視場結(jié)構(gòu)成像質(zhì)量良好。最終優(yōu)化得到的紅外兩檔變焦光學(xué)系統(tǒng)的外形結(jié)構(gòu)示意圖如圖1,其中(a)為長焦距窄視場的外形結(jié)構(gòu)圖,(b)為短焦距寬視場的外形結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)長焦距窄視場結(jié)構(gòu)由三片式透鏡組成,在短焦距寬視場時通過切入兩片透鏡增大視場,系統(tǒng)總長212.51mm,后工作距為14.55mm,通過引入二元面和非球面,大大提高了成像質(zhì)量。2評估的質(zhì)量分析2.1傳遞函數(shù)曲線調(diào)制傳遞函數(shù)是光學(xué)系統(tǒng)的主要評價手段,兩檔變焦光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線如圖2,具體傳遞函數(shù)值(11lp/mm)見表2。由圖2和表2可知,系統(tǒng)在長焦距和短焦距兩個位置都取得了較好的成像質(zhì)量,其中長焦距各個視場的MTF值都接近衍射極限。2.2短焦距寬視場點(diǎn)列圖兩檔變焦光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖如圖3所示,其中(a)為長焦距窄視場時的點(diǎn)列圖,(b)為短焦距寬視場時的點(diǎn)列圖。由圖可知,長焦距窄視場和短焦距寬視場的最大均方根彌散斑半徑分別為16.54μm、29.72μm,均小于探測器像元尺寸45μm,滿足系統(tǒng)成像要求。3遠(yuǎn)紅外焦距光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量本文介紹了一個長波紅外兩檔變焦光學(xué)系統(tǒng),系統(tǒng)變焦比為5:1,寬視場時全視場角為31.4°,對于遠(yuǎn)紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)已屬于很大的視場,窄視場時全視場角為