孫 浩,高 益,鄧 巖,于 興,于小春,梁進(jìn)智

(北京華北萊茵光電技術(shù)有限公司,北京 100015)

1 引 言

無人機作為一種有效的作戰(zhàn)手段越來越多的應(yīng)用于現(xiàn)代戰(zhàn)場中,傳統(tǒng)的機載吊艙體積大、質(zhì)量重,不利于無人機遠(yuǎn)程應(yīng)用。吊艙的小型化設(shè)計需要對搭載的各種探測系統(tǒng)進(jìn)一步降低體積和質(zhì)量。相比于制冷型紅外探測器,長波非制冷探測器省去了杜瓦以及斯特林制冷機的空間和質(zhì)量,適合于一些小型化吊艙的設(shè)計,但其NEDT相較于非制冷探測器要高很多,所以非制冷探測器的光學(xué)系統(tǒng)需要更大相對孔徑以提高目標(biāo)的探測效率,同時為了兼顧導(dǎo)航和目標(biāo)探測,光學(xué)系統(tǒng)需要采用連續(xù)變焦的結(jié)構(gòu)形式。

在軍用領(lǐng)域和民用領(lǐng)域,基于長波非制冷探測器的連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點。何伍斌等人采用6片透鏡,負(fù)組變倍、正組補償?shù)淖兘菇Y(jié)構(gòu)設(shè)計了一種26～120 mm的大相對孔徑連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)[1],虞翔等人基于補償組兼顧調(diào)焦群作用的Varifcocal結(jié)構(gòu),采用4片透鏡設(shè)計了一種變倍比為6×的長波紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)[2],吳海清等人使用5片透鏡,兩組元聯(lián)動的結(jié)構(gòu)設(shè)計了光學(xué)總長125 mm、焦距25～75 mm的長波紅外連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)[3],但是當(dāng)系統(tǒng)軸向尺寸壓縮,雙組聯(lián)動連續(xù)變焦結(jié)構(gòu)中各個組元光焦度進(jìn)一步增大,超過了組元的孔徑容限,無法保證連續(xù)變焦過程中的成像性能。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上,采用機械補償三組元聯(lián)動的結(jié)構(gòu)形式,針對陣列規(guī)模1024×768,像元尺寸12 μm的非制冷長波紅外探測器,設(shè)計了焦距25～150 mm,F1.4的長波紅外連續(xù)變焦光學(xué)鏡頭,其光學(xué)總長155 mm,結(jié)構(gòu)長度132.7 mm,在-40～+60 ℃溫度范圍內(nèi)采用系統(tǒng)內(nèi)調(diào)焦鏡組進(jìn)行補償,適用于小型化的吊艙、手持型紅外設(shè)備以及類似場景下的應(yīng)用。

2 設(shè)計原理

在光學(xué)系統(tǒng)焦距、相對孔徑一定的條件下,壓縮系統(tǒng)長度,對應(yīng)的系統(tǒng)內(nèi)各個組元的光焦度會變大,其孔徑角也會變大。這樣的結(jié)果一方面增大了球差、彗差等大孔徑像差,提升了系統(tǒng)設(shè)計難度；另一方面各個組元的偏心誤差會引起系統(tǒng)MTF顯著下降,提高加工和裝調(diào)難度。

三組元聯(lián)動的變焦結(jié)構(gòu)形式相比于傳統(tǒng)兩組元機械補償式連續(xù)變焦結(jié)構(gòu),增加一個補償組元,可以通過控制該補償組元的光焦度和像距,使其在放大倍率絕對值小于1的位置附近補償焦面偏移,總的軸向運動量為0。此時補償組處在快速補償曲線運動區(qū)域[4],系統(tǒng)在變倍過程中光學(xué)總長度沒有變化,但增加了補償組的軸向運動自由度。

圖1是三組聯(lián)動連續(xù)變焦原理示意圖,系統(tǒng)由5片透鏡組成,分別為前固定組、變倍組、補償組1、后固定組、補償組2,對應(yīng)焦距為f′1、f′2、f′3、f′4、f′5,變倍組、補償組1、后固定組、補償組2對應(yīng)放大倍率為m2、m3、m4、m5。變倍組、補償組1、補償組2在長焦時放大倍率為m2l、m3l、m5l。補償組2總軸向運動量為Δq5。補償組2滿足以下條件:

|m5|<1,Δq5=0,m5=m5l。

同時有:

f′1m2m3m4>f′1m2m3m4m5

f′1m2lm3lm4>f′1m2lm3lm4m5l

在此條件下系統(tǒng)總焦距不變,但前變焦組組合焦距變長,組元內(nèi)光焦度分配得到優(yōu)化,降低了孔徑角壓力,從而在保證變倍比和軸向長度的條件下,能夠獲得更好的公差。

圖1 三組聯(lián)動連續(xù)變焦原理示意圖

補償組2的運動軌跡由下式表達(dá),在設(shè)計時需要根據(jù)系統(tǒng)長度的要求,以及后固定組與補償組2的最小間隔、像距,合理選擇補償組2的焦距。補償組2的放大倍率變化范圍應(yīng)控制在合理區(qū)間,過大不利于相對運動的控制,結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)；過小則其在變焦過程穩(wěn)定像面作用不明顯。因為其運動的對稱性,補償組2最小倍率處在整個變焦過程的中焦段,依焦距對稱分布。

3 設(shè)計實例

3.1 設(shè)計參數(shù)

探測器選用長波非制冷焦平面陣列,具體的設(shè)計指標(biāo)如表1所示。

表1 設(shè)計指標(biāo)

3.2 設(shè)計結(jié)果

系統(tǒng)共包含5片透鏡,結(jié)構(gòu)為正、負(fù)、正、負(fù)、正,透鏡材料選用鍺,系統(tǒng)光學(xué)長度155 mm。設(shè)計使用了光學(xué)軟件Zemax對系統(tǒng)像差進(jìn)行了優(yōu)化,結(jié)果如圖2所示,采用非球面對系統(tǒng)球差進(jìn)行了矯正,在補償組1位置使用了衍射面修正色差,系統(tǒng)的溫度補償以及近距離調(diào)焦由后固定組實現(xiàn),根據(jù)后工作距離以及后固定組的間隔要求,對補償組2的光焦度及放大倍率進(jìn)行了控制。

圖2 系統(tǒng)圖

系統(tǒng)短焦、中焦、長焦在常溫下設(shè)計傳函如圖3所示,MTF在30 lp/mm,軸上大于0.4,軸外大于0.1,滿足非制冷紅外探測器的使用要求。

(a)

系統(tǒng)短焦、中焦、長焦在常溫下設(shè)計點陣圖如4所示,全視場能量收斂到艾里斑內(nèi),能量較為集中。

(a)

系統(tǒng)短焦、長焦設(shè)計畸變?nèi)鐖D5所示,在短焦端畸變小于4 %,在長焦端畸變小于3 %,滿足使用要求。

(a)

3.3 樣機及性能

根據(jù)以上設(shè)計,進(jìn)行了樣機的制造。如圖6所示對各個組元變焦過程的運動曲線進(jìn)行了平滑處理,采用凸輪保證組元在運動過程中的相對位置,由兩臺直流電機提供變焦和調(diào)焦的動力,使用外置溫度傳感器提供環(huán)境溫度的測量,并通過運動控制板利用存儲的調(diào)焦補償數(shù)據(jù)在高溫和低溫狀態(tài)下對焦面偏移進(jìn)行實時補償,保證高低溫變焦過程的清晰,圖7為樣機外型及實物圖。

圖6 各組元運動曲線

使用OPTIKO傳函測試儀在常溫下對樣機長焦端中心視場光學(xué)傳遞函數(shù)進(jìn)行了測試,結(jié)果如圖8所示,使用640×512,12 μm探測器進(jìn)行了成像測試,結(jié)果如圖9所示,傳函測試結(jié)果及成像質(zhì)量滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

圖8 長焦中心視場MTF測試結(jié)果

圖9 長焦和短焦實測效果(640×512 12 μm探測器)

4 結(jié) 論

討論了一種機械補償三組元聯(lián)動的連續(xù)變焦結(jié)構(gòu)形式,這種結(jié)構(gòu)適合應(yīng)用到大變倍比緊湊的設(shè)計條件,使系統(tǒng)獲得更好的設(shè)計公差,滿足成像要求。利用此種結(jié)構(gòu)形式,針對陣列規(guī)模1024×768像元尺寸12 μm的非制冷長波紅外探測器,設(shè)計了焦距25～150 mm,F1.4的長波紅外連續(xù)變焦光學(xué)鏡頭,光學(xué)總長155 mm,結(jié)構(gòu)長度132.7 mm,適用于小型化的吊艙、手持型紅外設(shè)備以及類似場景下的應(yīng)用。