廖小軍,段 媛,賀祥清,張灝燁,鄭永超

(1.四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司,四川 綿陽 621000;2.北京空間機電研究所,北京 100094)

1 引 言

只要溫度高于絕對零度,一切物體都會向所在空間輻射紅外光能。紅外探測正是通過收集紅外輻射而實現(xiàn)的,已成為實現(xiàn)全天時目標(biāo)探測的重要手段。紅外探測系統(tǒng)主要由鏡頭、探測器和信號處理三個部分組成。近年來,紅外探測系統(tǒng)出現(xiàn)了大口徑、高清晰、高幀頻、自動檢測識別和推理、復(fù)雜光機功能、更高緊湊度和模塊化等發(fā)展趨勢。這對紅外鏡頭的研制提出了更為嚴(yán)苛的要求。

紅外無焦鏡頭作為模塊化探測系統(tǒng)的一個核心組成,一直是國內(nèi)外研究和研制的重點。為適應(yīng)不同系統(tǒng)應(yīng)用的需求,Iain A.Neil[1]將變倍紅外無焦鏡頭劃分為變倍物鏡和補償鏡/目鏡兩個子系統(tǒng),通過互換補償鏡/目鏡子系統(tǒng)以適應(yīng)不同的后端相機；研究了使用變倍鏡頭實現(xiàn)多個倍率步進(jìn)式雙視場的技術(shù)。頓雄等[2]探討了切換式雙視場光學(xué)系統(tǒng)的被動無熱化設(shè)計理論,使用鍺、硒化鋅、硫化鋅三種材料、4個非球面和1個衍射面、共10片透鏡,設(shè)計了寬窄視場入瞳直徑分別為65/150 mm、4片透鏡橫向切入為寬視場、-55 ℃～+70 ℃溫度范圍光學(xué)被動無熱化、總長度≤350 mm的長波紅外無焦鏡頭。Allan[3]對各類公開報道的紅外鏡頭進(jìn)行了較全面的分析評述。

綜合國內(nèi)外同行的研究情況可以看到,折射式紅外鏡頭的入瞳直徑通常在150 mm以內(nèi),主要是受孔徑邊緣光線高階像差的限制；雙視場多采用圍繞橫向機械軸旋轉(zhuǎn)的切換式[2,4]或軸向移動的步進(jìn)式[5-6],或者兩者的組合[7],軸向尺寸較大；無熱化以光學(xué)被動、機械被動和主動調(diào)焦三種方式為主；多采用硒化鋅或衍射面校正色差,并展寬無熱化溫度范圍。

為進(jìn)一步擴大入瞳直徑,在給定大入瞳距和總長度等多重約束條件下實現(xiàn)雙視場和像旋轉(zhuǎn)的復(fù)雜光機功能,并滿足寬溫?zé)o熱化和可批產(chǎn)的要求,本文研究了雙視場鏡頭在薄透鏡近似下滿足結(jié)構(gòu)和無熱化要求的基本關(guān)系,分析了光學(xué)優(yōu)化理論和結(jié)構(gòu)等性能改進(jìn)方法,結(jié)合設(shè)計實例探討了鏡頭的緊湊化方法。

2 雙視場鏡頭的無熱化理論

對于光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu),通常使用PW方法進(jìn)行求解[6]。本文嘗試將厚透鏡的高斯光學(xué)近似和薄透鏡的無熱化條件相接合的方法。在高斯光學(xué)[8]近似下,同軸光學(xué)系統(tǒng)第i片厚透鏡的光焦度ki和焦距fi可用透鏡曲率半徑ri1、ri2、軸上厚度zi和材料折射率ni表示為:

透鏡i前后表面主平面距離透鏡頂點的軸上距離為:

其中,

Δi=(ni-1)[ni(ri1-ri2)-(ni-1)zi]

(4)

透鏡i的物像及向透鏡(i+1)物方的傳遞關(guān)系為:

由于材料的折射特性和幾何尺寸隨使用環(huán)境溫度變化,造成鏡頭的性能隨溫度而變差。為提高鏡頭性能的熱穩(wěn)定性,必須采用無熱化技術(shù),通過平衡透鏡、安裝鏡座或運動補償機構(gòu)隨溫度的變化[9-10],在給定的溫度范圍內(nèi)達(dá)到成像質(zhì)量要求。特別是紅外光學(xué)材料和鏡座常用的鋁合金材料具有較大的溫度系數(shù),而鏡頭的使用溫度范圍通常大于-40 ℃～+60 ℃,必須組合使用光學(xué)被動、機械被動或主動調(diào)焦等一種或以上的無熱化手段才能達(dá)到設(shè)計要求。

按照近軸光線追跡和初級像差理論,使用3種及以上紅外透鏡材料可以計算鏡頭同時實現(xiàn)消色差和無熱化的近軸條件[1,11]:

消色差:

無熱化:

總光焦度:

其中,vi=(niM-1)/(niS-niL)為透鏡色散系數(shù),niS、niM和niL分別為短、中和長波長處的折射率,dl/dt為透鏡安裝座的熱膨脹系數(shù),I為透鏡數(shù)。衍射面可被視為一種紅外透鏡材料。

在復(fù)雜鏡頭中,特別是伴隨著球面的非球面化,溫度變化不僅造成焦面的軸向移動,而且伴隨著各類像差的增大和相互轉(zhuǎn)換。因此,在確定鏡頭初始結(jié)構(gòu)后,仍然必須使用光學(xué)優(yōu)化軟件進(jìn)行實際光線追跡、像差評估和優(yōu)化。

3 優(yōu)化和結(jié)構(gòu)等性能方法

光學(xué)優(yōu)化理論的數(shù)學(xué)模型可表示為[12]:

在工程中,結(jié)構(gòu)等性能方法已獲得廣泛運用。如在前述薄透鏡替換為厚透鏡以具體化結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),單透鏡替換為雙分離透鏡以減小像散,單透鏡替換為消色差透鏡對以減小軸上色差等。另一個較普遍的運用是,選擇專利等結(jié)構(gòu)形式相近的鏡頭作為設(shè)計起點,通過不斷修改和增加約束,使原有設(shè)計逐步逼近需求的新設(shè)計。

按照結(jié)構(gòu)等性能方法,由初始布置和無熱化理論出發(fā),逐步增加孔徑光闌尺寸、視場角、波長范圍、總光焦度、實際厚透鏡數(shù)量及其變量數(shù)、約束條件、約束權(quán)重和無熱化溫度范圍。依據(jù)像差理論,首先,使用曲率半徑和厚度作為優(yōu)化變量。其次,針對像差情況,替換透鏡材料或增加種類。再次,考慮加入相應(yīng)的高階變量或增加透鏡數(shù)量。

4 設(shè)計實例

使用前述方法,本文設(shè)計了一套大口徑、雙視場、像旋轉(zhuǎn)、無熱化和超緊湊的紅外無焦鏡頭,其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。選擇開普勒望遠(yuǎn)鏡為出發(fā)點。按照遠(yuǎn)攝物鏡的特點[14],物鏡焦距隨尺寸較小的負(fù)透鏡變化敏感,故將該透鏡作為擴展被動無熱化溫度范圍的調(diào)焦透鏡。使用倒置伽俐略望遠(yuǎn)鏡組橫向平移或轉(zhuǎn)動切入光路實現(xiàn)寬視場,使兩個視場下物鏡組的光焦度始終為正、負(fù)相間,有利于平衡鏡頭像差。由于緊湊性和像差對稱性,使用別漢棱鏡繞光軸旋轉(zhuǎn),實現(xiàn)物空間在物鏡實焦上的像旋轉(zhuǎn)[14]。物鏡實焦面位于別漢棱鏡之后,由目鏡組準(zhǔn)直?？讖焦怅@位于目鏡組后,在物方的實像形成入瞳。入瞳的直徑和軸向位置隨視場切換而改變。

圖1 基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic configuration

雙視場方式主要有橫向的切換式和軸向移動的步進(jìn)式兩種。盡管切換式有較多的缺點[6],但在本鏡頭中仍然具有明顯的優(yōu)勢。首先,由于切換透鏡組不需要同時滿足雙視場像差平衡的需要,使得設(shè)計靈活性更大,可使雙視場像差均獲得更好的平衡。其次,在切出的小視場大口徑情況下,光學(xué)效率高于步進(jìn)式,更利于遠(yuǎn)距離探測。再次,在與可見光或激光測距光路集成的多光軸情況下,更利于保證大口徑情況下的多光軸一致性。

別漢棱鏡光程較長,沿光線傳輸方向展開后的光軸長度為L=4.621D,其中D為棱鏡的理想光束直徑。因此,遠(yuǎn)攝物鏡至焦面的距離必須足夠長,以使焦面位于別漢棱鏡之后,消除棱鏡材料非均勻造成紅外潛像和棱鏡對光敏面冷反射的風(fēng)險[1]。

使用式(1)～(6),沿入瞳向出瞳考察光闌傳遞關(guān)系,物鏡組將入瞳成像于焦面之后。將目鏡組布置于物鏡焦面和入瞳像之間,從而在實現(xiàn)焦面準(zhǔn)直的同時,將入瞳像拉出目鏡之后形成實像,與孔徑光闌重合。在使用遠(yuǎn)攝物鏡的情況下,物鏡的焦距比較長,有利于使用小尺寸的目鏡實現(xiàn)較大的角放大倍率。在優(yōu)化過程中適當(dāng)控制光瞳像差,以使各透鏡的凈孔徑盡可能小。在光機設(shè)計上,利用光路梭形包絡(luò)的腰部空間布置視場切換、調(diào)焦和像旋轉(zhuǎn)機械機構(gòu)。這些措施都有利于提高鏡頭的緊湊性[1]。

由于鏡頭和優(yōu)化過程的復(fù)雜性,應(yīng)注意以下幾點:

1)切入透鏡組僅影響寬視場,切入前后應(yīng)保證所有其他光學(xué)實體的數(shù)據(jù)、尺寸傳遞和坐標(biāo)關(guān)系完全不變。窄視場作為完整的光學(xué)系統(tǒng),與切入透鏡組的位置無關(guān)。同樣地,調(diào)焦透鏡的軸向移動和像旋棱鏡的旋轉(zhuǎn)也應(yīng)如此。

2)在使用不同機械材料和復(fù)雜裝配關(guān)系的情況下,透鏡數(shù)據(jù)編輯器中的所有厚度、角度和坐標(biāo)關(guān)系應(yīng)與透鏡實際的裝配一致,以降低軟件仿真模型與實物不一致的風(fēng)險。因此,按照機械裝配關(guān)系,需要在透鏡數(shù)據(jù)編輯器中適當(dāng)增加虛設(shè)面和坐標(biāo)打斷,實現(xiàn)模型與實物的嚴(yán)格對應(yīng)。

3)為避免在后續(xù)檢查冷反射和公差分析時返工,應(yīng)當(dāng)在設(shè)計接近目標(biāo)時,對各溫度點加入控制冷反射的YNI、I/I′和公差的相關(guān)約束。

冷反射是由制冷紅外探測器光敏面作為輻射紅外光能的物,經(jīng)由鏡頭中各光學(xué)面殘余反射后,又在光敏感面上成實像而造成的[15]。在光路中沒有運動光學(xué)面的情況下,冷反射像作為固定模式噪聲經(jīng)由探測器非均勻性校正過程抑制。但在本文研究的鏡頭中,視場切換、調(diào)焦和像旋轉(zhuǎn)均會使非均勻性校正數(shù)據(jù)與原始非均勻圖像在空間上錯開,不僅不能校正非均勻性,反而將校正數(shù)據(jù)的非均勻性反映到圖像中。

光學(xué)參量YNI和I/I′值是評估冷反射量值的手段之一,其中,Y是邊緣光線高度;N是折射率;I和I′分別是邊緣光線和主光線的入射角。增加各光學(xué)面的YNI絕對值,以增大經(jīng)該面冷反射的離焦?；蛘呓档偷蚘NI值光學(xué)面鍍膜的殘余反射率。這些措施都可以降低冷反射[1]。

為完全準(zhǔn)確地檢查各光學(xué)面冷反射的成像情況,可對冷反射進(jìn)行實際光線追跡[15]。限于篇幅,本文不再展開。

5 設(shè)計結(jié)果與裝調(diào)討論

優(yōu)化后的鏡頭結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要參數(shù)如表1。

參數(shù)優(yōu)化結(jié)果工作波長范圍7.7～9.3 μm雙視場方式內(nèi)部橫向切換式,透鏡組切入為寬視場(WFOV),切出為窄視場(NFOV),切換前后焦面位置不變對角線視場WFOV 6.8 °,NFOV 3.5 °入瞳直徑WFOV82 mm,NFOV 160 mm入瞳距(ENPP)WFOV43 mm,NFOV 415 mm軸向長度(TOTR)物方第一光學(xué)面至出瞳的軸向總長度345 mm光學(xué)材料單晶鍺、硒化鋅、多光譜硫化鋅鏡座材料航空鋁合金無熱化溫度范圍-40 ℃～+60 ℃

物鏡組由L1、L2和L6共3片單晶鍺構(gòu)成。若將L2透鏡改為硒化鋅,將進(jìn)一步校正色差[1-3],獲得更好的高低溫像質(zhì)；但為降低成本,改用單晶鍺。視場切換鏡組由L3、L4和L5共3片透鏡組成,其中L4為硒化鋅,以校正寬視場下的色差,并降低窄視場下的像差難度。在雙視場無熱化溫度范圍內(nèi),調(diào)焦透鏡L6軸向運動范圍為向前1.3 mm、向后2.2 mm,與像旋棱鏡P1/P2間的間隙可以滿足過調(diào)焦、裝調(diào)公差累積和相互獨立運動的安全距離要求。目鏡組由L7和L8構(gòu)成。整個鏡頭軸向尺寸TOTR約345 mm,充分利用了光學(xué)和光機設(shè)計的軸向和橫向空間。

寬窄視場下的MTF曲線、能量集中度曲線和場曲/畸變分別如圖3～圖6所示。出于緊湊性、成本、加工安全性和長期使用的性能穩(wěn)定性考慮,透鏡材料限定于力學(xué)和鍍膜性能較好的單晶鍺等,且鏡坯材料尺寸要易于采購,加工過程中毒風(fēng)險低,面型穩(wěn)定性高,鍍膜工藝成熟,使用過程無脫膜風(fēng)險；鏡座限定于航空鋁合金。這些因素都使得鏡頭各光學(xué)面的光焦度和像差絕對值較大。但從圖3～圖6可以看到,優(yōu)化后鏡頭的MTF和能量集中度在-40 ℃～+60 ℃ 范圍內(nèi)接近衍射限,畸變小于3%,像質(zhì)較好。表2給出了光加、裝調(diào)的主要公差和其他可生產(chǎn)性項目檢查情況,可見該鏡頭有較好的可生產(chǎn)性。

圖3 寬視場的MTFFig.3 MTF in WFOV

(a)+20℃,WFOV

(b)+60 ℃,NFOV

(c)-40 ℃,NFOV圖4 窄視場的MTFFig.4 MTF in NFOV

(a) +20 ℃,WFOV

(b)+20 ℃,NFOV圖5 能量集中度Fig.5 Encircled energy

(a) +20 ℃,WFOV

(b) +20 ℃,NFOV圖6 場曲和畸變Fig.6 Field curvature and distortion表2 可生產(chǎn)性項目檢查Tab.2 Checklist of manufacturability

項目結(jié)果材料折射率公差0.001 @ 9μm球面光圈公差全局2,局部0.5,@ 0.6328μm非球面面型公差0.6 μm透鏡中心厚度公差0.05 mm光學(xué)表面偏心公差0.02 mm光學(xué)表面傾斜公差0.02 mm透鏡裝配偏心公差0.1 mm透鏡傾斜公差0.1 mm生產(chǎn)裝配環(huán)境溫度～20 ℃主要裝配手段反射式中心偏測量、自準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡反射測量、光學(xué)定心車削、千分尺補償加工誤差的裝調(diào)方式目鏡組整體移動蒙特卡羅分析結(jié)果概率≥0.9 @(MTF≥90%標(biāo)稱值)

該鏡頭的裝配調(diào)整難度較大。圖7給出了裝配簡圖。為有效地降低非球面透鏡的傾角誤差,對各非球面隨光加一次性車削基準(zhǔn)平面；同時每片非球面透鏡使用配合平面裝配,調(diào)整灌膠后使用定心車削實現(xiàn)與非球面光軸的共軸和正交。各透鏡組使用單獨的基準(zhǔn)鏡筒完成子裝配,再使用中心偏測量儀一次性裝夾向主鏡筒由后向前裝調(diào)。主鏡筒為各子裝配提供的基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)內(nèi)圓由精密數(shù)控機床一次性車削完成,從而為各子裝配提供了同軸度和正交度很高的統(tǒng)一基準(zhǔn)。

圖7 鏡頭的裝配Fig.7 Lens assembly

別漢棱鏡的裝調(diào)一直是工程界的一大難題。當(dāng)別漢棱鏡與前后光路光軸存在平移和角度誤差時,透過棱鏡的光軸隨棱鏡旋轉(zhuǎn)以二倍速度劃帕斯卡蝸線[16]。本文采取三個步驟解決。首先,棱鏡的鍍膜既要實現(xiàn)長波紅外高效率,又要兼顧可見光裝調(diào)的讀數(shù)清晰度。其次,使用高精度的可見光自準(zhǔn)直顯微鏡測量別漢棱鏡4個與光軸正交的平面對光源的4個反射自準(zhǔn)像,保證膠合前后的平行差小于10″。再次,使用圖8的裝置,調(diào)整別漢棱鏡與基準(zhǔn)面B的正交度和與基準(zhǔn)圓C的同軸度。

經(jīng)光機設(shè)計、加工和裝調(diào),配合F/2的工裝鏡頭和制冷型長波紅外探測器進(jìn)行測試,該鏡頭MTF測試曲線接近設(shè)計值,無冷反射現(xiàn)象,一次性通過測試。

在圖8中,首先,確保自準(zhǔn)直儀A和B與氣浮轉(zhuǎn)臺同軸,且A與B共焦。其次,安裝別漢棱鏡子裝配,使用千分尺調(diào)整至基準(zhǔn)B和C分別與氣浮轉(zhuǎn)臺軸正交和同軸。再次,使用自準(zhǔn)直儀A使得別漢入射平面與氣浮轉(zhuǎn)臺正交,且在氣浮轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)過程中,A與B共焦測得的A中對B的讀數(shù)波動小于容許值。此時,別漢棱鏡對稱面和入射面分別與基準(zhǔn)圓C確定的機械軸重合或正交,與基準(zhǔn)面B正交或平行。

圖8 別漢棱鏡的裝調(diào)Fig.8 Alignment of Pechan

6 結(jié) 論

為在限定大入瞳距、總長度、成本和可加工性等多重約束下實現(xiàn)大口徑、雙視場、像旋轉(zhuǎn)和無熱化,并為模塊化紅外探測系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的鏡頭,本文從高斯光學(xué)和無熱化理論出發(fā)確定鏡頭的初始結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)；分析了光學(xué)優(yōu)化理論和結(jié)構(gòu)等性能改進(jìn)方法,通過逐步擴充結(jié)構(gòu)變量數(shù),以在盡可能低的代價下逼近設(shè)計目標(biāo)；結(jié)合設(shè)計實例探討了鏡頭的緊湊化方法。為驗證本文方法的實用性,設(shè)計了一套長波紅外無焦鏡頭,并加工、裝調(diào)和測試完成。設(shè)計評估和測試結(jié)果表明,該鏡頭滿足所有設(shè)計目標(biāo),具有較好的可生產(chǎn)性,性價比較好。這為后續(xù)研制通用化、系列化和組合化的復(fù)雜探測系統(tǒng),特別是復(fù)雜功能的光機系統(tǒng),提供了有益的借鑒。