扫描型长波红外连续变焦光学系统

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扫描型长波红外连续变焦光学系统

骆守俊鄢袁夏寅辉袁杨宁宁袁于繁迪渊华北光电技术研究所袁北京员园园园员缘冤摘要院基于斯特林制冷式源伊圆愿愿元光伏型碲镉汞二维探测器袁根据红外扫描成像系统原理袁设计了一个扫描型长波红外连续变焦光学系统遥根据系统指标要求对光学指标进行分解计算及光学优化设计得到系统的光学参数和外形结构图袁并对扫描光学系统的冷反射进行分析优化遥该光学系统采用三次成像的结构袁由变焦望远镜组尧扫描摆镜尧中继镜组尧成像镜组源部分组成袁包含怨片透镜和圆片反射镜遥为了降低校正色差成本袁系统使用了硫系玻璃镜片遥光学仿真结果表明院系统在耐奎斯特频率处的全视场光学传递函数大于园郾猿缘袁全视场畸变小于圆豫遥最后袁对系统进行了成像实验验证袁结果表明院该系统可以实现猿园郾愿耀员缘源皂皂范围内连续变焦袁变焦过程中目标景物清晰袁细节分辨率高袁无冷反射现象出现袁该系统具有分辨率高尧热灵敏度高尧像质清晰等特点遥关摇键摇词院红外扫描系统曰连续变焦曰冷反射曰三次成像

中图分类号院栽晕圆员缘摇摇文献标识码院粤摇摇凿燥蚤院员园援猿苑愿愿辕悦韵援圆园员缘园愿园员援园员园苑

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员摇引摇言

照明摇摇袁红外成像系统具有全天候工作并且其被动工作方式不会被对方电子干扰袁不需要辅助

袁图像直观袁易于观察等优点袁在警戒尧侦察和制导等军事领域中得到了广泛应用咱员鄄猿暂得知院温度为猿园园运的黑体袁其能量辐射的峰值波遥由辐射理论

长为怨郾缘滋皂遥而通常的目标渊如地面掩体尧工厂尧大坝尧车辆尧轮船尧生物乃至中段飞行的导弹等冤温度一般不高袁尤其在受到低温环境的影响时袁其辐射能力进一步下降袁辐射能量主要在长波波段遥这样袁相对于中波猿耀缘滋皂袁长波红外成像系统在探测识别方面更具优势遥但在远距离探测领域袁由于非制冷长波探测器的灵敏度相对较低袁不能满足用户的需求遥面阵长波制冷型探测器工艺复杂袁价格较为昂贵袁而线列长波制冷型探测器性价比较高遥而且袁线列探测器系统既可用作周视扫描搜索袁又可用进行目标的跟踪观察袁应用前景广阔

咱源鄄苑暂

众所周知遥

袁一般双视场或多视场光学系统在切换视场时存在两个问题院其一袁在切换时间间隔内没有目标图像曰其二袁由于视场数有限袁目标的大小和视场不匹配造成目标显示过大或过小的状况袁不利于实际观察遥连续变焦光学系统则能很好地解决上述问题袁其在变焦的过程中袁不会发生目标丢失的现象袁并可根据目标大小自由调节光学系统焦距袁因而袁更方便用户观察使用袁其需求日益增强咱愿鄄员圆暂本文基于遥

源伊圆愿愿元光伏型碲镉汞二维探测

器袁设计了一个缘倍扫描型长波红外连续变焦光学系统遥采用三次成像结构和折叠光路的设计遥测试结果表明院该系统在连续变焦过程中全视场范围内图像清晰尧细节分辨率好尧对比度高尧畸变小尧满足实际使用要求遥

圆摇连续变焦扫描模型

摇示摇袁其基本组成分四个部分连续变焦扫描光学系统的基本模型如图袁分别为变倍望远镜

员所组尧扫描镜尧中继镜组尧成像镜组遥光线通过变倍望远镜组后变为放大率不同的平行光曰经过以依兹角摆动的扫描镜进入中继镜组后形成二次像面曰再经由成像镜组在探测器焦面上形成三次像面遥最后通过成像电路处理袁将一个摆扫周期内采集的信号拼接起来得到设定视场的视频图像遥

图员摇变焦扫描系统示意图

云蚤早援员摇杂糟澡藻皂葬贼蚤糟泽赠泽贼藻皂

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扫描摆镜的尺寸尧摆动惯量尧转动的线性度决定了光学系统的放大率及系统对空间采样的均匀性遥图员中袁阅远镜组的出瞳袁蚤灶为光学系统的入瞳袁阅其放大率用下式表达院

燥怎贼为变倍望

酌越

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袁渊员冤

摇视场角摇扫描摆镜的扫描角度袁则院

琢也与酌相关袁设兹为琢越依

员兹窑酌袁摇扫描摆镜的镜面尺寸以及反射镜的线性扫摆角摇从式渊员冤尧渊圆冤可以看出源渊圆冤

袁放大率酌主要影响遥酌值越大袁阅燥怎贼就越小袁扫描摆镜的线性扫描角就

越大咱员猿暂难度袁也会影响其稳定性及寿命遥而摆镜的高频尧大线性扫描在控制上有

遥因此袁在光学系统设计时须考虑到摆镜实际达到的技术参数遥

此外袁在设计制冷型红外光学系统时袁系统的出瞳为探测器的冷光阑遥为减小光学系统第一片镜的尺寸并达到员园园豫冷光阑效率袁采用了三次成像方式遥保证扫描成像的同时将冷光阑的共轭面投影到第一片镜位置处遥

第员期摇摇摇摇摇摇骆守俊袁等院扫描型长波红外连续变焦光学系统员园怨猿摇设计与结果分析

猿援员摇系统的设计参数

系统采用了斯特林制冷式源伊圆愿愿元光伏型碲镉汞二维探测器袁其响应波段为苑郾苑耀员园郾猿滋皂袁学系统焦距为像元尺寸为猿园郾圆愿愿滋皂耀员缘源伊圆缘皂皂袁滋皂袁极限频率下云数为员郾远苑遥酝栽云光值大于园郾猿缘袁空间尺寸小于圆员远皂皂伊员缘园皂皂伊员园缘苑远豫皂皂渊长伊宽伊高冤袁系统平均透过猿援圆摇袁畸变小于率大于设计思路

圆豫遥扫描摆镜的参数设定影响着整个系统的稳定性和成像质量遥根据摆镜的转动惯量和控制精度及光学设计优化的需要袁设定摆镜的线性扫描角为依愿郾源毅遥

光学系统设计时袁将变倍望远镜组和成像镜组分别独立设计遥变倍望远镜组采用开普勒望远镜的设计型式袁由两个正光焦度的物镜组和准直目镜组构成袁物镜框既是孔径光阑也是入瞳遥根据系统焦距及云数确定长焦时变倍望远镜组入瞳为怨圆郾圆皂皂遥变倍构型采用负正透镜组合袁使用负透镜大范围移动来实现缘倍光学变焦袁使用正透镜的轴向移动作像面离焦补偿遥为了保证一定的出瞳距以利于扫描摆镜工作袁准直目镜组焦距不宜小于员园皂皂袁经过设计优化袁设定其焦距为员源郾设计完成后加入中继镜组进行进一步整体优化设怨皂皂遥成像镜组焦距为远缘郾源愿皂皂遥两部分计袁并考虑到探测器冷屏既是整个系统的孔径光阑又是其出瞳袁需要满足员园园豫冷光阑效率遥

为了校正色差和降低成本袁系统使用了硫系玻璃咱员源暂外袁系统还通过使用非球面来减小象差袁并在一片锗透镜上使用了衍射面袁提高像

遥此质袁并减少镜片数目袁提高系统透过率遥

冷反射效应发生于前置的光学系统中折射面的微弱反射遥它能使探测器看到自身袁特别是反射的图像靠近焦点位置时袁冷反射效应就更明显袁结果在显示的图像上出现一个暗斑遥需要注意的是袁冷反射效应也可能是冷屏的图像遥对于扫描系统来说袁反射的能量可能随扫描角度而变化袁相应的输出变化被称为扫描噪声袁严重干扰对图像的观察咱员缘暂于产生冷反射较严重的面遥因此在优化设计时需要特别注意袁加入曲率半径的约束袁对

条件袁改变该面近轴主光线和边缘光线的角度袁减小冷反射量值遥此外袁通过镀膜材料工艺的改进来减小镜片反射率袁从而降低冷反射的影响袁也是一个有效途径遥猿援猿摇设计结果

设计完成的外形结构图如图圆渊葬冤尧圆渊遭冤尧圆渊糟冤射镜构成的折叠光路所示遥系统是一由遥怨其中片透镜袁变倍望远镜组由尧扫描摆镜及反远片镜片构成袁分别为前镜组尧变倍镜尧补偿镜尧准直目镜组遥为了消色差袁第圆片镜片及第缘片镜片采用了硫系玻璃材料遥中继镜组由两个锗镜片构图圆摇不同变焦位置的光学结构图云蚤早援圆摇韵责贼蚤糟葬造造葬赠燥怎贼蚤灶凿蚤枣枣藻则藻灶贼扎燥燥皂责燥泽蚤贼蚤燥灶

员员园摇摇摇摇中国光学摇摇摇空间要求遥

摇摇摇第愿卷摇

圆员源郾愿皂皂伊员源苑郾远皂皂伊员园源皂皂袁满足实际安装

成遥成像镜组由单锗透镜构成遥整体外形尺寸为

系统的第三片透镜和第四片透镜为变焦镜和补偿镜袁其变焦时运动轨迹见图猿所示遥图中纵坐标为变焦镜和补偿镜到光学系统第四个面顶点的距离袁横坐标为对应的系统焦距值袁上下两条曲线分别代表补偿镜和变焦镜的运动轨迹遥其变焦轨迹简单平滑袁无突变点袁在工程上易于实现遥猿援源摇设计评价猿援源援员摇传递函数

根据耐奎斯特定律袁得到圆缘滋皂探测器的特

图猿摇变焦系统运动轨迹图云蚤早援猿摇酝燥增藻皂藻灶贼贼则葬糟噪燥枣扎燥燥皂泽赠泽贼藻皂

征频率为圆园造责辕皂皂遥图源渊葬冤尧源渊遭冤尧源渊糟冤分别为短焦尧中焦和长焦状态下全视场的传递函数曲线遥园郾猿缘袁满足应用要求遥

由图可见袁其全视场在特征频率下酝栽云大于

图源摇不同变焦位置的酝栽云曲线图云蚤早援源摇酝栽云蚤灶凿蚤枣枣藻则藻灶贼扎燥燥皂责燥泽蚤贼蚤燥灶

猿援源援圆摇能量集中度

所示遥探测器单个像元内能量集中度在苑园豫以上袁满足使用需求遥

系统在典型变焦位置处的能量集中度如图缘

图缘摇不同变焦位置的衍射能量集中度

云蚤早援缘摇阅蚤枣枣则葬糟贼蚤燥灶藻灶糟蚤则糟造藻凿藻灶藻则早赠蚤灶凿蚤枣枣藻则藻灶贼扎燥燥皂责燥泽蚤贼蚤燥灶

猿援源援猿摇畸变

变遥可以看出袁系统的全视场畸变满足小于圆豫的指标要求遥

图远为系统在不同变焦位置处的全视场畸

第员期摇摇摇摇摇摇骆守俊袁等院扫描型长波红外连续变焦光学系统员员员图远摇不同变焦位置的畸变图云蚤早援远摇阅蚤泽贼燥则贼蚤燥灶蚤灶凿蚤枣枣藻则藻灶贼扎燥燥皂责燥泽蚤贼蚤燥灶

猿援缘摇成像实验

图苑为对远距离景物成像在不同焦距位置处的视频截图袁场景中的树木尧电线杆尧草地尧铝合金窗等目标清晰可见袁没有出现冷反射导致的中心暗斑现象袁也没有出现摆镜扫描带来的图像畸变遥图像背景显示比较均匀袁没有外部热干扰导致的中心和周边亮暗不一致的现象出现袁由此可看出院整个变焦过程中全视场范围内图像清晰袁细节分辨率好袁对比度高遥测试结果表明系统的透过率大于苑苑郾圆豫袁全视场最大畸变为员郾远豫袁满足使用要求遥

源摇结摇论

摇摇基于源伊圆愿愿元光伏型碲镉汞二维探测器袁设

图苑摇对远距离景物成像在不同焦距位置处的视频

截图

云蚤早援苑摇杂糟则藻藻灶泽澡燥贼泽贼蚤增藻蚤灶凿蚤枣枣藻则藻灶贼燥枣蚤皂葬早蚤灶早扎燥燥皂责燥泽蚤贼蚤燥灶

枣燥则造燥灶早凿蚤泽贼葬灶糟藻燥遭躁藻糟鄄

计了一个缘倍扫描型长波红外连续变焦光学系统遥该系统由主要由变倍望远镜组尧扫描镜尧中继镜组尧成像镜组构成遥系统使用了硫系玻璃材料来消色差并降低成本袁并使用了非球面及衍射面来减少镜片数目袁提高系统透过率袁提升像质遥

系统采用三次成像结构和折叠光路的设计袁得到了较为紧凑的结构形式袁满足系统总体对空间尺寸限制的要求袁实现了员园园豫的冷光阑效率遥

在变焦控制上袁采用两个步进电机分别控制变焦镜和补偿镜袁根据不同的环境温度设置不同的运动轨迹曲线数据遥通过系统自带的温度传感器感知环境温度并选择相应的已存储的轨迹数据袁在原源园耀垣苑园益的范围内实现了焦距由

猿园郾始终保持清晰愿耀员缘源皂皂遥

的连续变焦袁并且变焦过程中像面员员圆摇摇摇摇中国光学摇摇摇该系统基于转台既可以进行周视扫描搜索袁

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领域有着广阔的应用前景遥

也可进行目标的跟踪遥因而在搜索尧警戒尧侦察等参考文献院

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员怨怨源袁员源渊远冤院远缘园鄄远缘缘援渊蚤灶悦澡蚤灶藻泽藻冤

作者简介院

骆守俊渊员怨苑愿要冤袁男袁江苏句容人袁高级工程师袁圆园园缘年于清华大学获得硕士学位袁主要从事光学系统设计检测及装调方面的研究工作遥耘鄄皂葬蚤造院造怎燥泽澡燥怎躁怎灶岳员猿怨援糟燥皂

夏寅辉渊员怨苑苑要冤袁男袁湖北麻城人袁博士研究生袁高级工程师袁主要从事红外热成像技术及光电侦察总体技术方面的研究遥耘鄄皂葬蚤造院曾赠澡赃泽蚤皂燥灶岳员圆远援糟燥皂

杨宁宁渊员怨愿缘要冤袁男袁山东德州人袁工程师袁圆园员员年于中国电子科技集团公司电子科学研究院获得硕士学位袁主要从事计算机技术与信号处理方面的研究遥耘皂葬蚤造院赠葬灶早灶缘园愿岳员远猿援糟燥皂

于繁迪渊员怨愿圆要冤袁男袁湖南永州人袁工程师袁圆园园愿年于中国电子科技集团公司电子科学研究院获得硕士学位袁主要从事红外热成像技术方面的研究遥耘鄄皂葬蚤造院澡灶凿藻则遭赠岳泽蚤灶葬援糟燥皂