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超大视场红外光学镜头设计

陈建发 潘枝峰 王合龙

陈建发, 潘枝峰, 王合龙. 超大视场红外光学镜头设计[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(6): 20190443. doi: 10.3788/IRLA20190443
引用本文: 陈建发, 潘枝峰, 王合龙. 超大视场红外光学镜头设计[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(6): 20190443. doi: 10.3788/IRLA20190443
Chen Jianfa, Pan Zhifeng, Wang Helong. Design of infrared optical lens with large field of view[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(6): 20190443. doi: 10.3788/IRLA20190443
Citation: Chen Jianfa, Pan Zhifeng, Wang Helong. Design of infrared optical lens with large field of view[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(6): 20190443. doi: 10.3788/IRLA20190443

超大视场红外光学镜头设计

doi: 10.3788/IRLA20190443
详细信息
    作者简介:

    陈建发(1987-),男,工程师,硕士,主要从事红外光学系统设计方面的研究。Email:biterika@qq.com

  • 中图分类号: TN216

Design of infrared optical lens with large field of view

图(11)
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-02-10
  • 修回日期:  2020-03-25
  • 刊出日期:  2020-07-01

超大视场红外光学镜头设计

doi: 10.3788/IRLA20190443
    作者简介:

    陈建发(1987-),男,工程师,硕士,主要从事红外光学系统设计方面的研究。Email:biterika@qq.com

  • 中图分类号: TN216

摘要: 超大视场红外光学镜头在军事上主要用于对来袭目标进行告警,相比于常规红外光学系统,其设计具有许多不同的特点。结合实际工程应用,在投影方式、光学构型、像面照度、视场、无热化、评价方式等方面对超大视场红外光学系统设计的特点进行分析。给出了一个具体的设计实例,所用探测器采用1 024×1 024@15 μm制冷型中波红外探测器,光学系统工作波段3.7~4.95 μm,焦距9.6 mm,视场116°,仅采用4片透镜实现无热化设计,不含衍射面,工作温度覆盖范围−55~+70 ℃,镜头结构紧凑,总长度小于70 mm。像质评价结果表明:全视场单个像元角分辨率均匀性95%以上,单个像元能量集中度在75%以上,光学系统边缘视场照度为中心视场照度的90%以上。

English Abstract

    • 超大视场红外光学镜头,在军事上主要用于对来袭导弹或红外威胁目标进行告警指示,可在武器装备平台上(如机载、车载、舰载等平台)同时布局多个镜头实现周视360°告警,具备全向态势感知功能,是一种重要的军用光电产品[1]

      超大视场红外光学镜头同时具有广角镜头和红外光学镜头的一些特点,但同时又有别于普通红外光学镜头,具体来说有以下几个方面[2-3]:(1)存在很大的负畸变。当光学系统视场角超过60°时,采用理想成像方式时,像高会随着视场角增大而急剧增加,对于像面尺寸有限的探测器来说,需引入大量负畸变,以获得足够的视场;(2)具有很大的负渐晕。系统的像面照度与入射光线角度余弦的四次方成正比,由于光学系统视场较大,如半视场角65°时,边缘照度仅有中心照度的40%左右,因此在光学设计中需对边缘视场引入很大的负渐晕,增大光通量,提高照度;(3)无热化的设计需求。与其他军用红外光学镜头一样需满足军事上宽温度范围内(通常典型的温度范围是-55 ~70 ℃)的成像质量优良;(4)像质评价侧重要素不同。与常规红外光学镜头相比,超大视场红外光学镜头用于对来袭导弹告警时,主要关注对目标的指示精度和作用距离,这分别体现在单像元角分辨率均匀性和单像元能量会聚度两方面。

      近年来,国内外许多学者对超大视场红外光学镜头进行了研究,研究内容主要集中在光学镜头部分。其中光学镜头所用探测器面阵小;光学元件较多;镜头长度较长;光机结构件采用热胀系数小,但密度大、热导率低、可加工性差的钛合金实现;其无热化设计技术手段采用折衍混合实现[3-6]。文中从需求出发,对超大视场红外光学镜头的设计特点进行分析,并给出了具体的一个设计实例。光学系统所用探测器为1 024×1 024@15 μm大面阵中波制冷型红外探测器,仅采用4片透镜,不含衍射面,实现光学被动无热化设计,光机结构件材料为铝合金,镜头结构紧凑,总长度小于69 mm,光学视场达到116°。

    • 结合实际工程应用需求,在投影方式、光学构型、像面照度、视场、无热化、评价方式等方面对超大视场红外光学镜头的设计特点进行分析。

    • 对于无限远物体成像,成像畸变为0的理想光学镜头其像高与视场符合以下公式,即:

      $$ h = f\tan \theta $$ (1)

      式中:$f$为物方焦距;$\theta $为物方半视场角。

      由公式(1)可知,当半视场角较大时,像高会随之急剧增大,因此超大视场光学镜头必须引入一定量的负畸变,才能在有限的像面尺寸上设计出足够的成像视场。

      对超大视场镜头的设计,采用“非相似”成像原理,将理想光学镜头所不能成像的物方范围,通过引入负畸变的方式变形压缩来成像。

      成像像高与视场通常符合以下投影方式:

      $$ h = 2f\tan (\theta /2) $$ (2)
      $$ h = 2f\sin (\theta /2) $$ (3)
      $$ h = f\sin \theta $$ (4)
      $$ h = f\theta $$ (5)

      对公式(2)~(5)两边分别求导,得到角分辨率与视场的关系如下:

      $$ {\rm{d}}h/{\rm{d}}\theta = f/\cos {(\theta /2)^2} $$ (6)
      $$ {\rm{d}}h/{\rm{d}}\theta = f\cos (\theta /2) $$ (7)
      $$ {\rm{d}}h/{\rm{d}}\theta = f\cos (\theta ) $$ (8)
      $$ {\rm{d}}h/{\rm{d}}\theta = f $$ (9)

      不同投影方式对应的像高与视场角的关系如图1(a)所示,不同投影方式对应的角分辨率与视场角的关系如图1(b)所示。超大视场红外光学镜头实际使用过程中,红外目标经光学系统成像后通常为点目标,相对于目标的几何特征信息,系统更关心其角位置信息,以便获得较高的角位置指示精度。由图可知,$h = f\theta $投影方式,像高与视场角成正比关系,单像元角分辨率不随视场变化,全视场一致性较好。因此军用超大视场红外光学镜头应选用$h = f\theta $投影方式。

      图  1  不同投影方式的像高及角分辨率与视场角关系

      Figure 1.  Relationship between the image height and angular resolution with angle of view under different projection modes

    • 超大视场红外光学镜头具有反摄远物镜的特征,其中前组透镜为负光焦度,后组透镜为正光焦度,如图2(a)所示。这样的光焦度分布有两个优点:(1)轴外视场具有一定的负渐晕,能够使斜光束的横截面面积远大于轴向光束的横截面面积,也可称为光阑慧差,从而加强像面边缘照度,使像面整体照度均匀性较好;(2)具有很长的镜头长度,从而有利于结构设计和装调。

      图  2  光学构型

      Figure 2.  Optical configuration

      除此之外,军用红外光学系统一般采用制冷型探测器,相对于非制冷型探测器其具有较高的灵敏度。制冷型探测器具有一个位于探测器前端的光阑(也称为冷光阑),为避免杂散辐射,需保证光学系统的出瞳必须与探测器冷光阑匹配(也即通常说的100%冷光阑效率),如图2(b)所示。

    • 超大视场红外光学镜头边缘视场和中心视场入射光线的入射角度差别较大,如图3(a)所示;对于制冷型探测器,光线最终会聚入射至探测器像面时,边缘视场和中心视场光束的入射角度也有较大差别,如图3(b)所示,这两种情况都会导致像面上照度的不均匀性[7]

      图  3  像面照度影响因素

      Figure 3.  Influencing factors of image illumination

    • 目前常用的无热化设计方式有三种,机械被动式、电子主动式、光学被动式。

      超大视场红外光学镜头更适合采用学被动无热化的实现方式,分析如下:

      (1)由于作战平台通常对于光学镜头的重量、体积都有严格的限制,结构件尽量考虑轻量化材料,因此一般不考虑采用机械被动式;

      (2)电子主动式无热化技术,通过移动镜片或镜组进行调焦,在调焦过程中会导致光学系统的焦距发生变化,继而视场随之变化,最终影响告警精度;

      (3)光学被动无热化技术是指利用光学材料间不同的热差与色差特性及结构材料的热膨胀特性,通过合理分配光焦度、元件间隔及选择结构材料,使得系统在要求的温度范围内,其热离焦近似为零。虽然光学被动无热化技术实现较为困难,但无热化效果好,可靠性高。

    • 对于超大视场红外光学镜头,合理的设计视场可显著降低光学设计的难度,对提升成像质量和简化光学系统结构具有重要影响。武器装备平台一般都要布局多个超大视场红外光学镜头,对周视360°空域进行实时监视,为避免视场拼接盲区,并减少视场重叠率,需合理选择单个光学系统的视场。

      图4给出了一种视场布局方案,其中单个光学镜头需覆盖的视场区域为94°×94°,相邻镜头间视场重叠率4°,通过6个光学镜头组合对4π球形空间实现全覆盖。

      图  4  光学镜头视场布局

      Figure 4.  Field layout of optical lens

    • 与普通军用红外光学系统一样,超大视场红外光学系统的评价方式应包含光学传递函数(MTF)、点列斑(RMS)、高低温性能(无热化设计)等,除此之外,还对光学系统的角分辨率和能量集中度有特殊要求。

      (1)角分辨率

      超大视场红外光学系统实际使用过程中,红外目标经光学系统成像后通常为点目标,相对于目标的几何特征信息,系统更关心其角度位置信息,以便获得较高的告警指示精度,对应光学设计中的性能评价方式体现在系统的畸变以及整个视场范围内的角分辨率均匀性。

      (2)能量集中度

      光学设计的一般情况是轴上视场的性能通常比边缘视场的要好一些,这在MTF上可以很好的反映出来,例如某中波红外镜头,其F数为2,焦距50 mm,视场6°,在33 lp/mm处,实测MTF轴上视场0.6,边缘视场0.4,这表明在该空间频率(通常为探测器象元大小决定的特征频率)时,全视场范围内对目标几何特征的解析度均较好,其轴上视场对目标的解析度优于边缘视场。而对于超大视场红外光学系统,实际使用过程中,其目标经光学系统成像后多为点目标(或很小的面目标),目标的几何特征的细节分辨显得并不重要,系统更关心的是目标在多远的距离可被探测到,通常并不允许目标在边缘视场和轴上视场时探测距离发生较大差别。这体现在光学设计的评价方式上是单个像元的能量集中度,光学设计中要兼顾轴上和边缘视场能量集中度的一致性。

    • 下面给出具体的设计实例,具体要求如下:

      1. 视场布局要求

      (1) 视场拼接范围:4π球形空域

      (2)光学镜头数量:6个

      (3) 单个光学镜头视场一致

      (4) 相邻镜头视场重叠率不小于4°

      2. 探测器

      (1) 像元数:1 024×1 024

      (2) 像元尺寸:15 μm

      (3)F数:2

      3. 光学设计要求

      (1) 波段:3.7~4.95 μm

      (2) 边缘视场照度≥90%

      (3) IFOV非均匀性≤±5%

      (4)MTF:≥0.4(@33 lp/mm)

      (5) 能量会聚度:≥60%(15 μm)

      (6) 无热化温度范围:−55 ~70 ℃

      (7)镜头长度:≤70 mm

      依据视场要求,通过数值迭代计算可得到光学系统的最小设计视场为116°,此时每个光学镜头在探测器像面上的有效成像视场如图5所示,经计算视场重叠率最小为4°,最大为12.7°,探测器像素数利用率96.5%。

      图  5  光学镜头实际成像视场布局方案

      Figure 5.  View layout plan of optical lens actual imaging field

      红外探测器为制冷型,为实现100%冷光阑效率、超大视场,光学系统应采用图3所述光学构型;为保证全视场内各像素的角分辨率非均匀性≤±5%,采用$h = f\theta $投影方式;利用光阑彗差在轴外引入大量负渐晕,提高视场边缘的照度;为了满足光学系统在−55~70 ℃范围内像质优良,采用光学被动无热化设计方案。最终优化后的光路图如图6所示,系统仅采用四块透镜实现无热化设计,不含衍射面;结构紧凑,镜头总长度69 mm;其中光机结构件从可加工性、轻量化、环境适应性方面考虑,选择铝合金7075,其热膨胀系数为23.6×10−6 /℃。

      图  6  光学系统图

      Figure 6.  Optical system diagram

      通过引入大量负渐晕提高边缘视场的照度[8],最终优化结果如图7所示,其中边缘视场照度为中心视场照度的90.3%,满足设计要求。

      图  7  各视场照度图

      Figure 7.  Illumination diagram of each field of view

      光学系统20 、−55 、70 ℃的单像元(15 μm)能量会聚度如图8所示,由图可知,在−55 ~70 ℃范围内,全视场单个像元的能量会聚度均大于75%。

      光学系统畸变及角分辨率分析如图9所示,红色曲线为$f - \theta $畸变曲线,绿色曲线为角分辨率曲线。由图可知,全视场内(±58°)各像素的角分辨率最大偏差2.5%。

      图  8  各视场单像元能量会聚度图

      Figure 8.  Detector energy diagram of each field of view

      图  9  各视场畸变及角分辨率分布图

      Figure 9.  Distortion and angular resolution of each field of view

      在光学设计软件CODEV中,采用默认公差设置分析,结果如图10所示。由图可知,各视场公差一致性较好,在33 cycles/mm 空间对线处,有97.7%的概率,弧矢方向全视场MTF优于0.42,子午方向全视场MTF优于0.4。依据经验,满足使用要求。

      图  10  公差分析

      Figure 10.  Tolerance analysis

      在杂光仿真软件Tracepro中,建立冷反射逆光路仿真模型,如图11(a)所示,图11(b)给出了像面逆光路仿真接收到的照度分布;图11(c)给出了像面工作波段等效温差分布。通常系统NETD在25 mK左右,由图可知冷反射等效温差最大值为17.3 mK,小于系统NETD,冷反射满足使用要求。

      图  11  冷反射分析建模及仿真结果

      Figure 11.  Modeling and simulation results of narcissus analysis

    • 超大视场红外光学镜头,其视场一般在90°以上,军事上主要用于对来袭导弹或红外威胁目标进行告警指示作用,是一种重要的军用光电产品。超大视场红外光学镜头与常规红外光学相比,具有许多不同的特点,文中结合实际工程应用,在投影方式、光学构型、像面照度、视场分析、无热化、评价方式等方面对超大视场红外光学系统的设计特点进行分析,并给出了具体的设计实例,对此类光学系统的设计具有一定的指导意义。

参考文献 (8)

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