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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。
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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。 -
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。
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。
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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]。
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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。
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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。
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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。
Design of infrared optical lens with large field of view
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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。Abstract: The ultra large field of view infrared optical lens was mainly used to warn the incoming target militarily. Compared with the conventional infrared optical system, its design had many different characteristics. Combined with practical engineering applications, the characteristics of the design of the infrared field system of the large field of view were analyzed in terms of projection mode, optical configuration, image plane illumination, field of view, non-thermalization, evaluation mode and so on. A concrete design example was given. The detector adopted 1 024×1 024@ 15 μm cooled medium wave infrared detector. The operating band of the optical system was 3.7−4.95 μm, the focal length was 9.6 mm, the field of view was 116°, and only 4 lenses were used to realize optical non-thermalization without diffraction surfaces, the working temperature covered a range of −55−70 ℃, the lens structure was compact, and the total length was less than 70 mm. The results of image quality evaluation showed that the angular resolution uniformity of a single pixel in the full field of view was more than 95%, the energy concentration of a single pixel was more than 75%, and the illuminance of the optical system edge field of view was more than 90% of the central field of view.
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Key words:
- optical design /
- large field of view /
- field of splicing
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