長波紅外輔助駕駛系統(tǒng)鏡頭設(shè)計

嚴楊等

摘 要：針對規(guī)格為384×288型像元尺寸為25？滋m的非制冷微測輻射熱計，設(shè)計了一款工作波段為8～12？滋m、焦距f'=15mm、F#=1、工作溫度為-37℃～49℃的輔助駕駛紅外鏡頭。通過合理的選擇鏡片材料，利用ZEMAX對系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計。設(shè)計結(jié)果表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，在空間頻率20lp/mm處調(diào)制傳遞函數(shù)MTF大于0.5，彌散斑半徑較小，具有良好的成像質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：光學(xué)設(shè)計；輔助駕駛系統(tǒng)；長波紅外

引言

紅外輔助駕駛系統(tǒng)是一種應(yīng)用于黑夜、大霧天氣、大雪天氣等惡劣氣候條件下的熱成像儀，可以在很大程度上保障駕乘人員的人身安全。隨著紅外技術(shù)的日漸成熟，很多紅外產(chǎn)品得到廣泛的應(yīng)用，得到了用戶的好評與青睞。從最初的軍工領(lǐng)域逐漸向民用領(lǐng)域延伸，由于紅外輔助駕駛系統(tǒng)和我們的日常生活有著密切的聯(lián)系，所以它作為一種典型的應(yīng)用得到很多的關(guān)注。通過使用紅外輔助駕駛系統(tǒng)，駕駛員可以輕松地掌握道路周邊的實時動態(tài)，提前預(yù)知可能出現(xiàn)的危險情況并及時的做出調(diào)整避免發(fā)生交通事故，提高駕駛的安全性。據(jù)研究發(fā)現(xiàn)將系統(tǒng)的相對孔徑設(shè)置在F#=1左右，可以在很大程度上提高對溫差的靈敏度[1]。

像差是影響光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的主要因素且并不能完全消除，所以為了得到更為良好的成像質(zhì)量我們只能采取一些手段來盡可能的減少像差對于系統(tǒng)的影響，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)衍射元件可以很好的校正色差及像差。通過改變面型相互比較發(fā)現(xiàn)，單一使用球面鏡面的系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量較重、像質(zhì)差，加入非球面和衍射面能較好地校正像差，改善成像質(zhì)量[2]。因此文章混合使用非球面與衍射面設(shè)計了一款長波紅外輔助駕駛系統(tǒng)。

1 結(jié)構(gòu)選取

在對系統(tǒng)進行設(shè)計時需要著重考慮以下幾點：（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選取。相對孔徑又稱為光圈，是光學(xué)系統(tǒng)（或鏡頭）入瞳直徑與焦距的比值，其倒數(shù)稱為F數(shù)。對于一個光學(xué)系統(tǒng)來說，能夠接受到較為多的能量是擁有良好像質(zhì)的關(guān)鍵，同時因為輔助駕駛系統(tǒng)的特殊性我們也需要系統(tǒng)對微弱目標(biāo)的探測能力更為敏感，這就要求系統(tǒng)選擇較大口徑[3]。但F數(shù)過大勢必造成系統(tǒng)難以設(shè)計，增加鏡頭生產(chǎn)成本，因此文章將F數(shù)定為1。從消軸上像差（球差）考慮需要采用相互補償?shù)慕Y(jié)構(gòu)，相互補償?shù)慕Y(jié)構(gòu)中屬兩片透鏡最為簡單，同時對兩片透鏡進行適當(dāng)?shù)膹澢幚?、厚度調(diào)整還能用于消除軸外像差（慧差，場曲，像散等）。為了盡可能節(jié)約成本，迎合民用系統(tǒng)的需求，文章選用兩片式結(jié)構(gòu)來進行系統(tǒng)的設(shè)計。系統(tǒng)屬于大孔徑大視場系統(tǒng)，選用負正結(jié)構(gòu)的透鏡組可以更好消除像差。（2）系統(tǒng)材料選取。由于能夠透射紅外波段的紅外材料較少，其中材料鍺（Ge）在8-12μm波段范圍內(nèi)的折射率變化小，色散較小所以鏡片材料可以全部采用鍺[4]。

2 鏡頭設(shè)計

2.1 主要設(shè)計指標(biāo)

文章的系統(tǒng)需適配規(guī)格為384×288？滋m，像元尺寸為25×25？滋m的非制冷微測輻射熱計探測器。由于需要考慮系統(tǒng)的體積、重量、性能等，系統(tǒng)的主要設(shè)計指標(biāo)制定如表1所示。

2.2 設(shè)計思路

根據(jù)前面所確定的系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)，利用ZEMAX軟件進行優(yōu)化實現(xiàn)設(shè)計。為了能更好的提高用戶體驗，這就要求系統(tǒng)在滿足設(shè)計指標(biāo)的同時還應(yīng)具備良好的成像質(zhì)量。ZEMAX軟件中存在一些判斷像質(zhì)的手段，例如要求系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線要盡可能平直并接近衍射極限、能量分布集中、波前差小于四分之一波長及彌散斑半徑小于艾里斑半徑等。

在優(yōu)化過程中首先將玻璃間的空氣間隔設(shè)置為變量進行優(yōu)化盡量減少對透鏡結(jié)構(gòu)的影響，之后再改變透鏡的厚度和曲率半徑進行初步優(yōu)化。由于成像質(zhì)量不太理想，根據(jù)混合使用非球面與衍射面的特性在適當(dāng)?shù)奈恢靡M非球面與衍射面，并通過將非球面系數(shù)和衍射面位相系數(shù)設(shè)置為變量深度優(yōu)化。與此同時為了保障設(shè)計與加工的一致性，優(yōu)化時除了要盡可能的減小系統(tǒng)的各種像差，透鏡在實際生產(chǎn)中的可加工性也需要重點考慮。由于目前衍射面的加工工藝還不太成熟，為了方便加工文章采用以非球面為基底、衍射級次較低的衍射面[5]。針對透鏡本身我們需要保證其厚度不能過薄否則容易破碎，邊緣不能過于彎曲不然難以加工，針對系統(tǒng)整體出于可攜性、人性化考慮其總長不能過長，后截距要適中[6]。經(jīng)過對初始結(jié)構(gòu)的反復(fù)優(yōu)化，我們最終得到滿足要求的光學(xué)系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)總長為60mm，后截距為19mm；其中第一面到第四面的面型依次為球面、非球面、二元衍射面、球面，所有材料均選用Ge材料。鏡筒材料選擇鋁合金，因為鋁合金材料的性價比高，性能比較穩(wěn)定。

3 系統(tǒng)性能分析

從結(jié)構(gòu)上看本系統(tǒng)采用負-正的兩片式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單便于加工。從鏡頭外形上看鏡頭的長度適中，后截距長度足夠保證結(jié)構(gòu)設(shè)計和裝調(diào)的需要。因為在Ge材料上鍍制金剛石保護膜的工藝較成熟故第一片透鏡材料選用Ge，同時可提高透射率。

圖2為系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線，探測器像元尺寸為25？滋m×25？滋m，經(jīng)計算在空間頻率為20lp/mm下具有極限衍射率。由圖可以看出系統(tǒng)在20lp/mm時MTF均大于50%，大部分大于60%接近衍射極限。

圖3為系統(tǒng)的能量分布圖，由圖可以看出所有視場的能量分布曲線陡直，80%的能量集中在20μm的范圍內(nèi)，說明包圍圓能量高，可以在探測器上獲得良好的成像質(zhì)量。圖4為系統(tǒng)的波前圖，由圖可以看出波程差=0.2088？姿小于滿足瑞利判斷，可以認為成像是完善的。圖5為系統(tǒng)的點列圖，從圖中可看出彌散斑半徑基本都小于艾里斑半徑，大部分直徑小于25μm可以很好地適配所選擇的探測器。

4 結(jié)束語

文章設(shè)計了一個焦距=15、F#=1，配合384×288，25非制冷輻射熱計探測器的輔助駕駛紅外鏡頭。經(jīng)ZEMAX光學(xué)設(shè)計軟件優(yōu)化后系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF曲線接近衍射極限，能量分布曲線也達到了探測器要求。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，性能高，成本低的特點，滿足長波紅外輔助駕駛系統(tǒng)的設(shè)計要求。

參考文獻

[1]沈為民，薛鳴球，余建軍.大視場大相對孔徑長波紅外物鏡[J].光子學(xué)報，2004，33（4）：460-463.

[2]歐旭鋒，舒朝濂.衍射元件在大相對孔徑紅外鏡頭中的應(yīng)用[J].西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2006，26（1）：13-16.

[3]張華衛(wèi)，張金旺，劉秀軍，等.大相對口徑制冷型紅外相機鏡頭的光學(xué)設(shè)計[J].紅外技術(shù)，2015，37（2）：124-129.

[4]關(guān)英姿，康立新.長波紅外非制冷光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J].紅外技術(shù)，2008，30（2）：79-82.

[5]劉慶京.金剛石車削在紅外衍射光學(xué)元件加工中的應(yīng)用[J].激光與紅外，2002，32（2）：107-109.

[6]王遠方舟，白玉琢，賈鈺超，等.一種長波紅外光學(xué)消熱差系統(tǒng)設(shè)計[J].紅外技術(shù)，2012，34（9）：531-534.

*通訊作者：王遠方舟。