用于光學(xué)像移補(bǔ)償?shù)募t外望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)

焦明印,張 勇,王一力

(西安應(yīng)用光學(xué)研究所,陜西 西安 710065)

1 引 言

周視光電偵察或搜索警戒系統(tǒng)工作時(shí),須使成像器件相對于所關(guān)注的物方空間作相對運(yùn)動(dòng),以完成對大空間范圍的偵察、搜索或警戒,一般采用搭載光電系統(tǒng)的平臺做步進(jìn)或連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn),其中步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)因控制難度大、搜索效率低而較少使用。目前大部分周視光電偵察或搜索警戒系統(tǒng)采用了焦平面成像器件,因其屬于凝視器件,工作時(shí)必須停留一定的積分時(shí)間,才能達(dá)到要求的信噪比。采用焦平面成像器件的光電偵察、搜索或警戒設(shè)備必須采取像移補(bǔ)償措施,以消除平臺在連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的像移或拖尾。像移補(bǔ)償?shù)氖侄斡泄鈱W(xué)式、集成式、電子式及圖像式等[1-6],其中光學(xué)式像移補(bǔ)償是利用光路中的物方或像方掃描反射鏡或透射平板,在平臺運(yùn)動(dòng)時(shí)使反射鏡同步反向擺動(dòng),進(jìn)而使外界景物的光學(xué)圖像在積分時(shí)間內(nèi)與焦平面成像器件相對靜止[7]。為了減小補(bǔ)償反射鏡及伺服單元的尺寸重量,可將其放置于望遠(yuǎn)鏡像方的平行光路中,以補(bǔ)償平臺轉(zhuǎn)動(dòng)引起的像移。理想的像移補(bǔ)償應(yīng)該能夠消除整個(gè)光學(xué)視場內(nèi)的圖像拖尾,但由于望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的像方視場角與物方視場角的非線性關(guān)系,計(jì)算表明普通紅外望遠(yuǎn)系統(tǒng)在邊緣視場存在顯著的殘留像移,本文設(shè)計(jì)了一種像方視場角與物方視場角具有線性關(guān)系的紅外望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng),系統(tǒng)工作波段為7.7～10.3 μm,放大率為10×,系統(tǒng)使用單元尺寸為15 μm的640×512元焦平面探測器,可有效減小殘留像移。

2 殘留像移的產(chǎn)生

如圖1所示,物鏡1至物鏡4構(gòu)成望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng),當(dāng)光電系統(tǒng)進(jìn)行周視搜索時(shí)通過反向擺動(dòng)像移補(bǔ)償反射鏡實(shí)現(xiàn)“凝視”,即光學(xué)像面相對于探測器靶面不動(dòng),但由于視場角度的不同,在反射鏡擺動(dòng)時(shí)像面上不同點(diǎn)在探測器靶面上的位置變化是有微量差別的。實(shí)際產(chǎn)品的分辨力和最小可分辨溫差的測試表明,軸外視場相對于靜止?fàn)顟B(tài)有較大降低。對于普通望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng),其像方視場角的正切與對應(yīng)的物方視場角的正切有以下關(guān)系:

tan(FOVI/2)=?！羣an(FOVO/2)

(1)

(2)

反射鏡做補(bǔ)償擺動(dòng)時(shí),相當(dāng)于FOVI/2發(fā)生了微小變化,對式(2)求微分可得:

(3)

式(3)中像高變化量與視場FOVI/2(單位為弧度)有關(guān),即不同視場像點(diǎn)的變化量不同,反射鏡的補(bǔ)償擺動(dòng)只能補(bǔ)償一個(gè)視場的像移,其他視場則殘留一定量的像移。表1為某放大率為10×的紅外望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)在轉(zhuǎn)動(dòng)0.2°、并對0°視場的像移進(jìn)行補(bǔ)償后,其他視場的殘留像移量(即補(bǔ)償后像高度與補(bǔ)償前像高度之差,計(jì)算時(shí)望遠(yuǎn)系統(tǒng)后接焦距為20 mm的理想透鏡),這里將周視及補(bǔ)償過程分解為首先整體轉(zhuǎn)動(dòng)0.2°,然后補(bǔ)償反射鏡反向擺動(dòng)1°(即10×0.2°/2)使0°視場像高為0,即對0°視場完全實(shí)現(xiàn)像移補(bǔ)償。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

表1 某10倍紅外望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)殘留像移

由表1可見,1.375°視場殘留像移量達(dá)到了59 μm,對于單元尺寸為15 μm的焦平面探測器件,約為4個(gè)像素,0.85°視場的殘留像移量約為1個(gè)像素,表現(xiàn)為系統(tǒng)作周視轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)整個(gè)視場內(nèi)只有中心局部視場圖像清晰,其余視場則圖像模糊或拖尾,嚴(yán)重影響光電偵察或搜索預(yù)警系統(tǒng)的性能。本文設(shè)計(jì)的紅外望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)按視場角度的不同,人為引入負(fù)畸變,使望遠(yuǎn)系統(tǒng)的像方視場角FOVI/2按線性關(guān)系正比于物方視場角FOVO/2,可使全視場范圍內(nèi)的像移都得到有效補(bǔ)償,即:

FOVI/2=Γ×FOVO/2

(4)

3 設(shè)計(jì)要求及系統(tǒng)構(gòu)成

設(shè)計(jì)要求為透射式紅外望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng),工作波段W=(7.7-10.3) μm,入瞳直徑D=φ100 mm,出瞳直徑d=10 mm,放大率Γ=10倍,瞬時(shí)視場:H(水平)×V(垂直)=±1.375°×±1.1°,周視視場n×360°,使用單元尺寸為15 μm的640×512元焦平面探測器,工作方式見圖1。由紅外望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)與像移補(bǔ)償反射鏡、探測器前置透鏡5、焦平面探測器共同構(gòu)成n×360°周視搜索/跟蹤光電裝置。紅外望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)由透鏡1至透鏡4組成,透鏡1和透鏡2組成望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的物鏡,透鏡3至透鏡4構(gòu)成望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的目鏡,透鏡3前設(shè)置有場鏡。透鏡2材料為化學(xué)汽相沉積硒化鋅,以消除物鏡的色差,其余材料均為單晶鍺。加入場鏡的目的是在保證100 %冷屏蔽效率的情況下更好地控制望遠(yuǎn)系統(tǒng)的畸變,使像方視場角與物方視場角滿足式(4),設(shè)計(jì)中控制相對畸變Dist滿足下式:

Dist=[FOVI/2-tan(FOVI/2)]/tan(FOVI/2)

(5)

式中,FOVo/2為以弧度為單位物方半視場角,本文中對應(yīng)最大水平視場的相對畸變?yōu)?1.9 %,不會影響使用。

4 設(shè)計(jì)結(jié)果

表2為詳細(xì)設(shè)計(jì)結(jié)果,圖2至圖4分別給出了所設(shè)計(jì)望遠(yuǎn)鏡的像差曲線、幾何光學(xué)傳遞函數(shù)及點(diǎn)列斑圖形,系統(tǒng)成像質(zhì)量滿足使用要求。表3為補(bǔ)償后系統(tǒng)的殘留像移,望遠(yuǎn)鏡物方視場角與像方視場角線性度曲線見圖5。

表2 光學(xué)系統(tǒng)詳細(xì)參數(shù)

表3 光學(xué)系統(tǒng)殘留像移

圖2 垂軸像差曲線(加焦距20 mm的理想透鏡)

圖3 幾何光學(xué)MTF曲線(加焦距20 mm的理想透鏡)

圖4 點(diǎn)列斑圖形(加焦距20 mm的理想透鏡)

4 結(jié) 論

如圖5,在物方視場角與像方視場角線性度曲線的情況下,由表3可見,本設(shè)計(jì)的殘留像移在1 μm左右,小于探測器單元尺寸的1/10。對于像方補(bǔ)償?shù)募t外搜索/跟蹤裝置,像移補(bǔ)償元件前的望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的像方視場角按線性關(guān)系正比于其物方視場角進(jìn)行設(shè)計(jì),可以顯著減少殘留像移。

圖5 物方視場角與像方視場角線性度曲線