張學明

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所,吉林 長春,130033)

激光接收與彩色電視共窗口設(shè)計

張學明

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所,吉林 長春,130033)

介紹了激光接收和彩色電視共窗口的多波段光譜融合技術(shù)。采用一個焦距為20～450 mm的連續(xù)變焦距鏡頭(視場角在13.68°×10.26°～0.61°×0.46°內(nèi)連續(xù)變化)，在會聚光或平行光的條件下，采用立方棱鏡或平板玻璃分光，分別進行了對比試驗。結(jié)果顯示，使用會聚光下的立方棱鏡分光，在大視場13.68°×10.26°的情況下，光線入射角最大，色偏移嚴重，圖像顏色嚴重失真。隨著視場角的減小，光線入射角減小，圖像顏色失真程度逐漸減小，越接近小視場0.61°× 0.46°，圖像顏色失真現(xiàn)象基本消失；而使用平板玻璃對平行光分光的條件下分光，連續(xù)變焦距鏡頭在整個視場范圍內(nèi)，不僅光學像差滿足要求，同時解決了棱鏡分光的色偏移問題，圖像顏色正常，在空間尺寸苛刻的情況下，彩色電視光學系統(tǒng)MTF在108 lp/mm時達到了0.3，設(shè)計結(jié)果滿足工程應(yīng)用要求。

分光鏡；多波段光譜；共窗口融合；色偏移；像差

1 引言

獨立光路光學系統(tǒng)［1-11］已經(jīng)不能滿足多種領(lǐng)域的應(yīng)用要求，對此多種形式的共光路光學系統(tǒng)的應(yīng)用日趨廣泛。如同一波段共光路光學系統(tǒng)［12-14］，是將同一波長的兩路光通過共光路光學系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了各種參數(shù)的測量(如磁頭間隙、表面粗糙度及長度的測量等)。對于成像光學系統(tǒng)，不同波段共光路光學系統(tǒng)［18-21］，能滿足兩種或多種波段的光在共光路光學系統(tǒng)中各自實現(xiàn)對目標的成像及探測。雙波段紅外共光路光學系統(tǒng)的設(shè)計［18-19］，能滿足兩種不同的紅外波段在共光路光學系統(tǒng)中各自實現(xiàn)對目標的成像，可見光及紅外波段的共光路光學系統(tǒng)［20］、甚至三波段(可見光、激光、紅外)共光路光學系統(tǒng)［21］也得到了應(yīng)用。

共光路光學系統(tǒng)均為共窗口光學系統(tǒng)或是共窗口、共用光學元件的光學系統(tǒng)，［18-21］均為黑白成像光學系統(tǒng)，沒有討論彩色成像系統(tǒng)共光路。由于采用分光技術(shù)會帶來色偏移，而獨立窗口光學系統(tǒng)［1-11］無需引入分光技術(shù)，不存在色偏移問題。如果不同波段的光譜入射到同一窗口或共用透鏡組，就需要采用分光技術(shù)分離不同波段的光譜，并經(jīng)過不同的光學系統(tǒng)，傳輸?shù)讲煌猛镜奶綔y器上。分光技術(shù)使用的分光鏡不外乎平板玻璃分光和棱鏡分光，通常需光線在45°入射角的條件下使用分光鏡，以獲得相互垂直的反射光與透射光。由于像散及偏振的影響，這兩種分光形式差別很大，使用平板分光像差不能忽視，而使用棱鏡分光雖然解決了像差問題，但其色散影響也是不容忽視的［15-17］。

在緊湊型的光電設(shè)備中，采用多光譜共窗口光學系統(tǒng)設(shè)計很有必要，本文采用了連續(xù)變焦距光學系統(tǒng)進行試驗，使用激光波段與可見光波段共窗口光學設(shè)計，實現(xiàn)激光波段的探測與可見光彩色電視對目標的成像技術(shù)。這里分別對棱鏡分光及平板玻璃分光對彩色成像顏色失真的影響及像差影響進行分析與驗證，提出了合理的共窗口光學設(shè)計方案。

2 光學系統(tǒng)設(shè)計

受體積和空間的限制，在滿足像差和彩色電視圖像顏色不失真的情況下，設(shè)計一個焦距為20～450 mm的連續(xù)變焦距鏡頭(視場角在13.68°×10.26°～0.61°×0.46°范圍內(nèi)連續(xù)變化)，實現(xiàn)可見光波段(0.4～0.7 μm)與激光波段(波長為1.06 μm)的光學系統(tǒng)共窗口設(shè)計，光學系統(tǒng)的主要技術(shù)指標需滿足：

D / f≥1∶6 . 5；

MTF@108lp/mm≥0.25；

畸變≤4 %。

2.1 平板分光與棱鏡分光

對于一個共窗口設(shè)計的光學系統(tǒng)，需采用分光技術(shù)，對不同波段的光進行分光。分光形式有兩種，一是平板分光，二是棱鏡分光，如圖1所示。

圖1 兩種分光形式Fig.1 Two forms of light split

如圖1所示，采用了以45°角入射光線形式。從像差的角度考慮：平板分光和棱鏡分光時，產(chǎn)生的像散為：

式中，n為玻璃折射率，d為玻璃厚度，θ為軸上光線入射角，θp為軸外光線入射角。

當平板玻璃或棱鏡應(yīng)用在平行光路分光時，θ=0，θp≠0，則S=0，平板分光或棱鏡分光都不會產(chǎn)生像散；

當平板玻璃或棱鏡應(yīng)用在會聚光路分光時，θ≠0，θp≠0，則S≠0，平板分光或棱鏡分光都會產(chǎn)生像散。

光線入射后既可以在平行光路分光，也可以在會聚光路分光，物鏡前面為平行光，物鏡后面則為會聚光，可以在物鏡前或物鏡后置于分光鏡實現(xiàn)分光。

當平板用于會聚光路分光時，考慮到平板傾斜后，入射角度變大，會產(chǎn)生較大像散，從而降低系統(tǒng)成像質(zhì)量，對此利用兩塊傾斜平板，分別沿X、Y兩個不同方向傾斜，前者用于分光，后者用于消除垂直方向產(chǎn)生的像散，通過兩塊平板后的像點沒有像散，但這種結(jié)構(gòu)工藝上調(diào)整比較困難，未被采納。

從鍍膜的角度考慮：與平板分光相比，棱鏡分光會產(chǎn)生強烈的偏振。特別是用于會聚光路分光時，會產(chǎn)生嚴重的色偏移，即隨著入射角度的變化，分光特性的偏振程度發(fā)生變化，嚴重影響彩色成像效果。表現(xiàn)為對固定景物成像時，會造成顏色變調(diào)、失真，形成一條彩帶。在對運動景物成像時，會造成同一景物因成像角度不同而呈現(xiàn)不同顏色。

立方棱鏡分光的另一個缺點是不如平板分光的反射率大，對于0.4～0.7 μm和1.060 μm波長的光，平板玻璃的反射率達90%以上，而立方棱鏡分光的反射率只在55%左右，反射率較低。

2.2 兩種分光的設(shè)計

根據(jù)上述分析可知，由于平板玻璃與棱鏡分光具有不同的特性，對兩種分光系統(tǒng)分別進行設(shè)計，并試驗驗證。

2.2.1 立方棱鏡分光光學系統(tǒng)設(shè)計

對于彩色電視成像與激光接收共窗口的設(shè)計，采用立方棱鏡分光時，立方棱鏡置于物鏡后方。如果立方棱鏡置于物鏡前方，由于鍍膜的影響，會產(chǎn)生偏振和色偏移，反而增大了設(shè)計體積，所以采用后置棱鏡的方案。

可見光與近紅外激光入射到窗口，經(jīng)物鏡會聚后，入射到棱鏡的反射面。可見光透射后經(jīng)成像光學系統(tǒng)在CCD靶面成像，激光經(jīng)棱鏡反射后會聚到探測器接收。

如圖2所示，激光與可見光經(jīng)物鏡1會聚后，經(jīng)立方棱鏡2分光，可見光直接透射，經(jīng)過變倍補償組3及反射鏡4一次反射，再經(jīng)過后固定調(diào)焦組5成像后及二次反射鏡6反射，最后入射到探測器CCD靶面上成像。

圖2 立方棱鏡分光光學系統(tǒng)Fig.2 Cubic prism spectroscopic optical system

2.2.2 平板分光光學系統(tǒng)設(shè)計

由于平板玻璃在會聚光分光時，存在像差大的問題，需要另一平板玻璃補償像差，這部分設(shè)計、裝調(diào)較復雜。這里將平板玻璃置于物鏡前方，平板玻璃厚度為10 mm，鍍半透膜，可見光波段透射，激光波長全反射。對于平板玻璃用于平行光分光，光學系統(tǒng)設(shè)計如圖3所示。

圖3 平板玻璃分光光學系統(tǒng)Fig.3 Flat glass spectroscopic optical system

圖3中激光與可見光波段平行光譜入射到平板玻璃上，可見光直接透射，經(jīng)物鏡2會聚，會聚后的可見光經(jīng)變倍補償組后及一次反射鏡4反射，再經(jīng)過后固定調(diào)焦組透鏡5成像及二次反射鏡6反射，最后在探測器CCD靶面上成像，實現(xiàn)對景物的成像。

激光波長則經(jīng)平板玻璃1反射，再經(jīng)過物鏡7及激光會聚光學系統(tǒng)8，將激光光斑會聚到激光探測器上。為了縮小光學系統(tǒng)的體積，采用折返式光路設(shè)計。

2.2.3 平板分光光學系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果

根據(jù)理論分析結(jié)果，由于棱鏡分光具有色散特性，應(yīng)用于彩色成像系統(tǒng)具有嚴重的局限性，因此，本文重點討論平板玻璃分光光學系統(tǒng)的設(shè)計。

圖4為平板玻璃分光光學系統(tǒng)在長焦位置的傳遞函數(shù)(MTF)曲線。

在空間尺寸有限的情況下，圖4為連續(xù)變焦距鏡頭中長焦位置MTF曲線，從圖中可以看出，中心波長MTF在108 lp/mm處能夠達到0.3的較高水平。

圖5為變焦距鏡頭使用平板玻璃分光在長焦位置能量點列圖，光斑能量集中。

圖6是變焦距鏡頭使用平板分光在短焦位置的MTF曲線，中心波長MTF在108 lp/mm處同樣能夠達到0.3的較高水平。

圖7是平板分光在短焦位置的MTF曲線點列圖，光斑能量集中。

圖5 長焦位置點列圖Fig.5 Spot diagram on long focus position

圖6 短焦位置傳遞函數(shù)曲線Fig.6 MTF curves on short focal length position

圖7 短焦位置點列圖Fig.7 Spot diagram on short focal length position

3 結(jié)果與討論

文中從理論上分析、討論了棱鏡分光及平板玻璃分光特性，依據(jù)兩種分光系統(tǒng)的設(shè)計，做了相應(yīng)的對比性試驗。實驗中，彩色CCD成像探測器用于視場角在13.68°×10.26°～0.61°×0.46°范圍內(nèi)的連續(xù)變焦距鏡頭。圖8是連續(xù)變焦鏡頭在視場角度在13.68°×10.26°的成像效果圖，圖像顏色偏紅，嚴重失真。試驗結(jié)果還表明，隨著變焦距鏡頭的視場角度逐漸減小，圖像顏色失真現(xiàn)象逐漸減輕，直到最終消失，這種現(xiàn)象完全符合棱鏡分光的偏振特性，即隨著光線入射角度的變化引起的棱鏡色偏移嚴重程度發(fā)生變化。

圖8 立方棱鏡分光光學系統(tǒng)大視場成像Fig.8 Large FOV imaging with cubic prism spectroscopic optical system

由于平板玻璃在會聚光路分光存在嚴重像散，所以對平板玻璃在平行光路分光進行了實驗，圖9是平板分光大視場成像效果圖，圖像清晰，也無色散現(xiàn)象，不僅如此，而且在連續(xù)變焦距鏡頭的整個視場范圍內(nèi)圖像清晰、無顏色失真現(xiàn)象。

圖9 平板分光光學系統(tǒng)成像Fig.9 Imaging with flat glass spectroscopic optical system

從實驗結(jié)果可以看出，對于共光路系統(tǒng)的設(shè)計，尤其彩色成像光學系統(tǒng)的設(shè)計，不僅要考慮分光鏡的像散現(xiàn)象，還要充分考慮分光鏡的色偏移現(xiàn)象。平板置于平行光路分光，能夠很好地解決這些問題。

對于激光接收系統(tǒng)，不存在像散與顏色失真問題，設(shè)計較簡單。在調(diào)整光學系統(tǒng)的時候，則需要激光光軸與連續(xù)變焦距系統(tǒng)光軸的不平行度滿足在1′的范圍內(nèi)即可。圖3的設(shè)計雖然解決了像散和色偏移現(xiàn)象，與圖2的設(shè)計比較，缺點是系統(tǒng)長度需要加長。

在空間尺寸有限的情況下，圖3光學系統(tǒng)的指標如表1所示，設(shè)計結(jié)果滿足要求。

表1 設(shè)計結(jié)果Tab.1 Design result

4 結(jié)論

為了實現(xiàn)激光接收與彩色電視共窗口的光學系統(tǒng)設(shè)計，本文分別討論了分光鏡的像散特性和棱鏡分光的偏振特性，由于鍍膜的原因造成棱鏡具有嚴重的偏振現(xiàn)象，對于彩色成像系統(tǒng)會造成嚴重的色偏移現(xiàn)象，嚴重影響到圖像的顏色。

通過將平板置于平行光路分光與棱鏡會聚光路分光兩種光學系統(tǒng)的設(shè)計與實驗，結(jié)果顯示棱鏡分光彩色圖像具有嚴重顏色失真現(xiàn)象，而且越接近大視場圖像顏色失真越嚴重，只有平板置于平行光路分光時，既可以解決平板分光會聚光路分光的像散現(xiàn)象，同時又可以很好地解決棱鏡分光圖像顏色失真現(xiàn)象。這一共窗口的光學設(shè)計方案，較好地實現(xiàn)了激光接收與彩色電視成像雙波段光譜共窗口融合技術(shù)，可以應(yīng)用于結(jié)構(gòu)緊湊型的光電設(shè)備中，同時還可以給可見光彩色電視與中波、長波紅外等光學系統(tǒng)共窗口融合技術(shù)提供參考。

參考文獻：

［1］晏雷，賈平，洪永豐，等.變焦距鏡頭凸輪曲線形式的選擇［J］.應(yīng)用光學，2010，31(6)：876-882.

YAN L，JIA P，HONG Y F，et al..Selection of cam curve for zoom lens［J］.J.Applied Optics，2010，31(6)：876-882.(in Chinese)

［2］陸強，李軼群，沈為民.大相對孔徑連續(xù)變焦前置物鏡的光學設(shè)計［J］.光學學報，2010，30(9)：2674-2679.

LU Q，JI Y Q，SHEN W M.Design of a fore continual zoom system with high speed［J］.Acta Optics Sinica，2010，30(9)：2674-2679.(in Chinese)

［3］李曉彤，何國雄.變焦距系統(tǒng)高斯解優(yōu)化的研究［J］.浙江大學學報，1993，27(1)：122-127.

LI X T，HE G X.Research of optimization design for zoom lens Gaussian parameters［J］.J Zhejiang University，1993，27 (1)：122-127.(in Chinese)

［4］蔡偉，張新，馮秀恒，等.變焦距系統(tǒng)的變倍補償方式［J］.光學精密工程，2011，19(9)：2063-2071.

CAI W，ZHANG X，F(xiàn)ENG X H，et al..Compensating modes for zoom system［J］.Opt.d Precision Eng.，2011，19(9)：2063-2071.(in Chinese)

［5］李宏壯，張振鐸，曹景太.長焦距超高倍率變焦距光學系統(tǒng)設(shè)計［J］.光子學報，2012，41(3)：358-363.

LI H ZH，ZHANG ZH D，CAO J T.Design of zoom optical system with long focal length and super-high zoom ratio［J］.Acta Photonica Sinica，2012，41(3)：358-363.(in Chinese)

［6］胡際先.長焦距大口徑連續(xù)變焦光學系統(tǒng)的設(shè)計［J］.應(yīng)用光學，2007，28(5)：569-572.

HU J X.Design of long focal length large-aperture optical zoom system［J］.J Applied Optics，2007，28(5)：569-572.(in Chinese)

［7］王平，張葆，程志峰，等.變焦距鏡頭凸輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計［J］.光學精密工程，2010，18(4)：893-898.

WANG P，ZHANG B，CHENG ZH F，et al..Optimal design of zoom lens［J］.Opt.Precision Eng.，2010，18(4)：893-898.(in Chinese)

［8］王紅，田鐵印.5倍變焦距光學系統(tǒng)小型化設(shè)計［J］.中國光學，2014，2(7)，315-319.

WANG H，TIAN T Y.Miniature design of 5×zoom optical system［J］.Chinese Optics，2014，2(7)：315-319.(in Chinese)

［9］苗健宇，張立平，翟巖，等.小型連續(xù)變焦相機的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)［J］.中國光學，2014，1(7)：169-174.

MIAO J Y，ZHANG L P，ZHAI Y.Structural realization of small zoom camera［J］.Chinese Optics，2014，1(7)：169-174. (in Chinese)

［10］李剛，楊曉許，張恒金，等.基于卡塞格林系統(tǒng)的紅外制冷型長焦分檔變倍光學系統(tǒng)的設(shè)計［J］.中國光學，2014，7 (2)：293-300.

LI G，YANG X X，ZHANG H J，et al..Design of cooled infrared switch-zoom optical system with long effective focal length based on R-C system［J］.Chinese Optics，2014，2(7)：293-300.(in Chinese)

［11］劉峰，徐熙平，孫向陽.高變倍比紅外變焦距光學系統(tǒng)設(shè)計［J］.應(yīng)用光學，2009，30(6)：1020-1023.

LIU F，XU X P，SUN X Y.Design of high zoom ratio thermal infrared zoom optical system［J］.J Applied Optics，2009，30 (6)：1020-1023.(in Chinese)

［12］岳兆陽，張蕊，白少先，等.共光路雙頻外差干涉法測量模擬磁頭磁盤靜態(tài)間隙［J］.中國激光，2005，32(12)：1664-1667.

YUE ZH Y，ZHANG R，BAI SH X，et al..Measurement of simulated disk/slider stationary spacing by common-path dual-frequency interferometry［J］.Chinese J.Laser，2005，32(12)：1664-1667.(in Chinese)

［13］LIN Y，SCHILL J，WANG R W.Precision evaluation of a common-path interferometer in measurement of optical surfaces［J］.CCTA Optical Sinica，1994，14(1)：55-61.(in Chinese)

［14］韓旭東，艾華.共光路移相單頻激光干涉測長系統(tǒng)［J］.光學技術(shù)，2004，30(2)：195-198.

HAN X D，AI H.Common-path and phase-shif ting single frequency laser interferometer for length measurement［J］.Optical Technique，2004，30(2)：195-198.(in Chinese)

［15］孫燕萍，高軍.棱鏡成像光譜儀色散特性研究［J］.航天返回與遙感，1999，20(4)：23-26，45.

SUN Y P，GAO J.Prism dispersion characteristic imaging spectrometer research［J］.Space Return and Remote Sensing，1999，20(4)：23-26，45.(in Chinese)

［16］樓永堅，曹向群.分光棱鏡的分光性能測試研究［J］.光學儀器，2002，24(6)：7-10.

LOU Y J，CAO X Q.Dispersion prism spectral performance test research［J］.Optical Instruments，2002，24(6)：7-10. (in Chinese)

［17］于雪芹.棱鏡色散與光柵色散的對比分析［J］.三門峽職業(yè)技術(shù)學院學報，2011，10(6)：116-117.

YU X Q.With the comparison and analysis of the grating dispersion prism dispersion［J］.J.Sanmenxia Vocational and Technical College，2011，10(6)：116-117.(in Chinese)

［18］王海濤，耿安兵.一體化紅外雙波段成像光學系統(tǒng)［J］.紅外與激光工程，2008，37(3)：489-492.

WANG H T，GANG A B.Unified infrared imaging optical system of dual spectral［J］.Infrared and Laser Engineering，2008，37(3)：489～492.(in Chinese)

［19］張興德，李榮剛，劉琳，等.紅外雙波段成像系統(tǒng)的研究與發(fā)展［J］.激光與紅外，2010，409(8)：801-804.

ZHANG X D，LI R G，LIU L，et al..Research and development of dual-band infrared camera system［J］.Laser Infrared，2010，40(8)：801～804.(in Chinese)

［20］林青，金偉其，郭宏，等.可見光/長波紅外共聚焦窗口望遠物鏡設(shè)計［J］.光學學報，2012，32(9)：1-5.

LIN Q，JIN W Q，GUO H，et al..Cofocal-window telescope objective design in visible and long-wave infrared［J］.Acta Optical Sinica，2012，32(9)：1-5.(in Chinese)

［21］張靜，劉敬海.多光路共窗口的現(xiàn)代光電跟蹤系統(tǒng)［J］.光學技術(shù)，2001，27(4)：3506-3510.

ZHANG J，LIU J H.Modern optic-electric tracker with multichannel and co-window［J］.Optical Technique，2001，27 (4)：3506-3510.(in Chinese)

Optical design of laser receiving and color TV confocal-window

ZHANG Xue-ming
(Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China)

This paper introduces the multi-band spectral fusion technology of laser receiving and color TV confocal-window.A continuous zoom lens with focal length of 20-450 mm and angel of vision from 13.68°× 10.26°～0.61°×0.46°is adopted.Under the condition of concentrated or parallel light，the contrast tests are implemented respectively using cubic prism or flat glass to separate light.Results show that when using cubic prism under concentrated light in the big angel of vision of 13.68°×10.26°，with the biggest light incident angle，serious color deviation and image color distortion occur.With the decrease of angel of vision and light incident angle，the degree of image color distortion declines，and almost disappears when getting closed to the small angel of view of 0.61°×0.46°gradually.However，under the condition of using flat glass and parallel light to separate light，continuous zoom lens can not only meet the requirement of optical aberration in the whole range field of view，but also solve the color deviation problem occurred in cubic prism，which showsa regular image color.Under the restrict limitation of room size，the MTF of color TV optical system reaches 0.3 at 108 lp/mm and the design result meets the requirement of engineering application.

spectroscope；multi-band spectrum；confocal-window fusion；color deviation；image deviation

TP394.1；TH691.9

A

10.3788/CO.20140706.0942

2095-1531(2014)06-0942-07

張學明(1964—)，男，湖北蘄春人，本科，研究員，主要從事航空成像與測量技術(shù)方面的的研究。E-mail：zxm5399520@sina.com

2014-10-09；

2014-11-11

中科院長春光機所創(chuàng)新工程資助項目(No.Y3CX1SS14L)

*Corresponding author，E-mail：zxm5399520@sina.com