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文章编号: 167329965(2009)062519205微光夜视仪中物镜光学系统的小型优化设计3刘钧,刘欣(西安工业大学光电工程学院,西安710032)摘 要: 为改善传统球面微光夜视系统结构复杂、镜片数较多的特点,将衍射光学元件引入传统球面物镜中,在符合成像质量要求的情况下,设计出一套用于微光夜视仪的折/衍混合物镜光学系统.该物镜视场为40°,相对孔径为1/1.19,包含三个衍射面,并将传统球面系统透镜数减少了2～3片,仅由5片组成,在空间频率为40lp/mm时,轴上传递函数可达0.89,轴外可达0.43.关键词: 微光夜视仪;光学设计;折/衍混合系统;衍射光学元件中图号: TB851 文献标志码: A 微光夜视仪是利用光增强技术进行观察的夜视系统,可以在夜间或低亮度条件下(10-1～10-5 L X),利用微弱星光、月光和大气辉光,通过像增强器转变成人眼可观察的图像,弥补了人眼在能量、光谱和分辨能力等方面的局限性,扩展了人的视野和功能.微光夜视仪主要用于隐蔽性夜战、夜间侦察、夜间抢险救援、夜间导航等,尤其适用于夜间低空贴地飞行[123].为了降低使用者的负担,安装在头盔上的微光夜视系统,通常情况下要求其体积小,重量轻,而且对物镜视场和相对孔径要求较大,传统的系统设计大多采用球面,其结构复杂,镜片较多,使得系统体积和质量较大,很难满足设计要求.随着光学加工工艺和光学检测技术的提高,衍射面由于其衍射效率高,负色散性,不产生场曲,并且有较多的设计自由度,使之代替球面成为了一种趋势.文献[4]设计了由6片透镜和一个衍射面组成的折/衍混合微光夜视头盔的光学系统,对传统的系统设计进行了优化[527].文中将折/衍混和光学元件应用于微光夜视仪的物镜光学系统设计中,将原有的7片透镜减少为5片,并给出成像质量图.在符合成像质量要求的情况下,设计出一套用于微光夜视仪的折/衍混合物镜光学系统.1 物镜光学系统的参数与结构1.1 设计要求物镜是微光系统信号的入口,一般安装在微光夜视仪的最前端,要求其重量尽可能小,使整个系统的重心后移.为使像面有足够的照度,需要大相对孔径物镜,另外,还需要有足够的大视场[8210].针对设计要求,对该物镜计算出相应的技术指标:焦距19mm;视场40°;相对孔径1/1.19;全视场畸变≤5%;在空间频率为40lp/mm时,传递函数(Modulation Tromsfer Function,M TF)轴上≥0.60,轴外≥0.40.由于夜天辐射除可见光之外,还包含丰富的近红外辐射,为此选择560.82nm, 721.27nm和876.22nm为设计波长.1.2 初始结构的选择夜视仪器通常使用两种类型的物镜,一种是匹兹伐型,一种是双高斯型.匹兹伐型物镜结构简单,球差和彗差校正较容易,但是当视场加大时场曲很严重,故通常适用于仪器对视场要求不大的情况下.双高斯型物镜是微光仪器中最基本结构,主要是由于这种结构较容易在宽光谱范围修正球差,并且其基本结构是对称型,垂轴像差容易校正,系统第29卷第6期 西 安 工 业 大 学 学 报 Vol.29No.6 2009年12月 Journal of Xi’an Technological University Dec.20093收稿日期:2009209222作者简介:刘钧(19642),女,西安工业大学教授,主要研究方向为光学系统理论及设计.E2mail:junliu1990@.相对孔径可达到1∶1,甚至更大,视场可达到40°～50°[11212],据此选取双高斯型物镜作为初始结构.由于所选像增强器光阴极的平板保护玻璃影响到整个物镜系统成像,在设计过程中加入该元件,其材料Q K3,厚度为5.57mm.2 传统球面系统的设计与像质评价对于微光物镜的设计,像增强器的特性参数是必不可少的原始数据.本着体积小,重量轻的原则,并考虑到器件性能及其发展现状,设计选用第三代像增强器,有效光阴极直径/屏直径为18/18mm.微光物镜具有大视场、大相对孔径的特点,轴上像差容易校正,但轴外像差很难控制.在选定初始结构后,用ZEMAX 光学设计软件进行初步多次的优化和调整后,得到了一个球面系统.图1 球面光学系统及其传递函数Fig.1 Spherical optical system and its M TF图1给出了球面光学系统及其传递函数.该球面光学系统由5组7片透镜组成,其中包括2片双胶合透镜,总长为61.55mm ,口径达到40.82mm.在空间频率为40lp/mm 时,轴上传递函数达到0.79,但轴外较差,仅0.08～0.32之间.若略微牺牲轴上点传函,轴外点传函也得不到明显的改善.这样的成像质量并不满足使用要求,而且该系统体积,重量过大,不宜长时间佩戴,给使用者带来诸多不便,有待进一步改进.为了提高成像质量,并且减小其体积,则在光学系统中引入衍射面,将传统球面物镜小型化,设计出一套用于微光夜视仪的折/衍物镜.3 物镜光学系统小型优化设计对于夜视仪,物镜的系统长度和口径会影响到整个仪器,这要求在减少系统中透镜的片数的同时又不能降低系统的成像质量.为了使物镜系统结构更简单,并且提高成像质量,在设计好的传统球面光学系统中引入衍射面.衍射光学元件具独特的成像性质,通常情况下,光学成像系统采用回转对称的衍射结构.文中所用的光学设计软件ZEMAX 中,旋转对称的二元光学衍射面的相位函数表示形式为<(r )=2πλ(A λr 2+G λr 4+…)(1)式中:A λ为二次相位系数;G λ等为非球面相位系数.其中A λ决定了该面的旁轴光焦度,对于某一确定的二元光学器件,A λ与使用波长λ成正比,故此项一般用于校正系统色差;G λ多用于校正系统的各级球差[13].在ZEMA X 面型里有很多同时具有折射和衍射光焦度的面,衍射光焦度独立于折射率和表面的失高,它是通过改变光线的波前相位使光线聚焦的.表面类型“二元光学面2(Binary2)”通过连续改变经过此表面的波前相位达到指定的光焦度,其使用的相位变化公式为<=A 1r 2+A 2r 4+A 3r 3+…+A i r 2i , (i 为正整数)(2)式中:r 为归一化的孔径值,A i 为第2次项的系数.式(1)和式(2)的形式虽然不同,但表达的意义是相同的.A 1项也是用于校正系统的色差,A 2,A 3,A 4,…,A i 等项用于校正系统的高级象差.设计中采用ZEMA X 面型中的“二元光学面2(Binary2)”来模拟衍射光学元件,即将附加数据(Ext ra Data )中的二元面的相位系数设为变量,并构建评价函数,对系统进行优化.设计中采用逐步添加衍射面,减少透镜片数的方法来设计折/衍物镜光学系统.共采用三个衍射面,使透镜数量从原有的七片减少为五片.首先用折/衍单透镜来替换球面系统中光阑前的双胶合透镜,如图2所示,替换后系统中的第三个面设为衍射面.在保持系统相对孔径,焦距以及视场不变的条件下,将所在透镜的结构参量和附加数据(Extra25 西 安 工 业 大 学 学 报 第29卷Data )中衍射面的相位系数设为变量,进行整体优化.其中衍射面的相位系数A 1,A 2,A 3,…应逐步增加作为变量优化,其他透镜的结构参量也可设为变量,共同来调节整体光学系统.其次,在优化函数中应加入畸变,色差等函数,并加大权重,可实现对部分像差有效的校正.利用同样的方法,将图2中光阑后的双胶合透镜替换折/衍单透镜,替换后的系统中本应是五片单透镜,但由于在优化过程中第三片和第四片透镜的两接触面无限制的靠近并且曲率非常相似,则迫使删除了衍射面,而在光阑后又形成了一个双胶合透镜.通过反复的实验,并对各种实验结果进行分析比较,最终将衍射面添加在了最后一片单透镜上,也就是系统的第九个面,如图3所示.通过对系统的优化调节发现:当含有一个衍射面时,虽然成像质量有所改善,口径也减小到34.26mm ,但系统过长,达到了70.04mm.当含有两个衍射面时,系统长度减小为59.65mm ,口径为28.62mm ,但是图3可以看出,最后一片透镜过厚,会增加系统通量.经过反复实验,将系统的第二个面替换为衍射面,优化调节后得到了一个比较理想的系统,如图4所示.图2 含有一个衍射面的物镜光学系统Fig.2 Objective lens optical systemswith a diffractive surface 图3 含有两个衍射面的物镜光学系统Fig.3 Objective lens optical systems with two diff ractive surfaces 图4 折/衍物镜光学系统Fig.4 Refractive /diff ractivelens optical system 在折/衍物镜光学系统中,第二、三、九面为衍射面,表1给出了各衍射面的相位系数.通过对设计结果的分析可知:折/衍射光学系统不仅将传统球面光学系统中的透镜数由原来的7片减少为5片,其系统口径也由40.82mm 减小到24mm ,长度也有所下降,为58.56mm.图5给出了折/衍物镜光学系统的传递函数和畸变.该物镜的几何像差校正得比较好,基本满足了像差校正的公差容限.色差较小,相对畸变在5%以内,在空间频率为40lp/mm 时,中心视场的传递函数(M TF )可达到0.89,全视场可达到0.43以上,满足了设计要求.表1 折/衍物镜衍射面相位系数Tab.1 Phase coefficient of three diff ractive surfaces ref ractive /diff ractive lens面数A 1A 2A 3A 422367.7319-125739.92051522340.8543-1.5197E +0083-3929.4188-1557759.518437207755.1704-1.8547E +0099-79994.31624083263.401789765015.18581.7082E +010图5 折/衍物镜光学系统传递函数、场曲和畸变Fig.5 M TF ,astigmatism and distortion of ref ractive/diff ractive objective lens125 第6期 刘钧等:微光夜视仪中物镜光学系统的小型优化设计4 结论文中将衍射光学元件引入传统球面光学系统中,将其小型化,设计出了满足要求的微光夜视仪的折/衍射物镜光学系统.通过对球面光学系统和折/衍光学系统进行成像质量和结构比较结果可以看出,折/衍射光学系统不仅将球面光学系统中的透镜数由原来的7片减少为5片,其系统口径由40.82mm减小到24 mm,长度也略有下降.当传递函数值在空间频率为40lp/mm时,轴上像质保持不变,轴外均达到0.43以上.整个折/衍光学系统结构简单,透镜片数较少,均选用国产玻璃,半径参数适中,符合加工工艺条件,保证了物镜的可实现性及较低的成本.随着各种新型光学材料的不断涌现以及机械加工技术光电检测技术的不断提高,将会有更多新型面型应用到光学系统中来.参考文献:[1] 李景生.微光夜视技术及其军事应用展望[J].应用光学,1997,18(2):1. 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SHAN G Hua,L IU J un,GAO Ming.Lens Design in Helmet2Mounted LLL Night2vision System[J].Jour2 nal of Applied Optics,2007,28(3):292.(in Chinese)[6] Zhao Qiu2ling,Wang Zhao2qi.Hybrid Ref ractive/Dif2f ractive Eyepiece Design for Head2mounted Display[J].Acta Optica Sinica2003,32(12):1495.[7] 崔庆丰.折衍射混合成像光学设计[J].红外与激光工程,2006,35(1):12. CU I Qing2feng.Design of Hybrid Dif ractive2ref ractive Imaging Optical Systems[J].Inf rared and Laser Engi2 neering,2006,35(1):12.(in Chinese)[8] 胡明勇,江庆五,刘文清.一种大视场、大相对孔径微光夜视光学系统的设计[J].光学技术,2005,31(3):161. HU Ming2yong,J IN G Qing2wu,L IU Wen2qing.De2 sign of Low Light Night Vision Optical System with Large Field and Large Relative Aperture[J].OpticalTechnique,2005,31(3):161.(in Chinese)[9] 王希军,周海宪.机载微光夜视仪折衍混合物镜的设计研究[J].电光与控制,2002,9(3):35. WAN G Xi2jun,ZHOU Hai2xian.Design of Ref rac2 tive2diff ractive Hybrid Objective Lens in AirborneNight Vision G oggle[J].Electronics Optics&Con2 trol,2002,9(3):35.(in Chinese)[10] 杨新军,孙强,卢振武,等.穿透型折衍混合头盔显示器的光学系统[J].光电子・激光,2004,15(11):1301. YAN G Xin2jun,SUN Qiang,L U Zhen2wu,et al.Hy2 brid Diff ractive/Ref ractive Optical System of See2through Head Mounted Display[J].Journal of Optoe2lectronics・Laser,2004,15(11):1301.(in Chinese) [11] 刘钧,高明.光学设计[M].西安:西安电子科技大学出版社,2006. L IU J un,GAO Ming.Optical Design[M].Xi’an: Xidian University Press,2006.(in Chinese)[12] 高明,强西林,陈智利,等.头盔式双目微光夜视仪的研究[J].西安工业学院学报,2001,21(4):300. GAO Ming,Q IAN G Xi2lin,CH EN Zhi2li,et al.Re2 search of the Aviator’s Night Vision Imaging Sys2tem on Head2binocular[J].Journal of Xi’an Instituteof Technology,2001,21(4):300.(in Chinese) [13] 金国藩,严瑛白,邬敏贤.二元光学[M].北京:国防工业出版社,1998. J IN Guo2fan,YAN Y ing2bai,WU Min2xian.Binary Optics[M].Beijing:National Defence IndustryPress,1998.(in Chinese)225 西 安 工 业 大 学 学 报 第29卷Miniaturization Design of Objective Lens Optical SystemsUsed in Low 2Level 2Light Night VisionL I U J un ,L I U X i n(School of Optoelectronic Engineering ,Xi ’an Technological University ,Xi ’an 710032,China )Abstract : In order to meet t he requirement of image quality ,t he diff raction optical element s are int roduced to t he t raditional sp herical lens ,and an optical system wit h hybrid refractive 2diffractive lens is designed to imp rove t he characteristics of complex st ruct ure and large number of lenses in t he t raditional sp herical and low 2level 2light night visio n.In t his system ,t he field of view is 40°and t he relative apert ure is 1/1.19,and t he number of t raditional sp herical lens is decreased by 2or 3to 5including 3diff ractive surfaces.When t he spatial f requency is 40lp/mm ,t he value of M TF on 2axis can reach to 0.89,t he value of M TF off 2axis 0.43.K ey w ords : low 2light level night vision ;optical design ;hybrid diffractive 2refractive optical system ;diff ractive optical element s(责任编辑、校对 张立新)简 讯医用局部深孔手术摄像照明装置在五官科、脑外科手术中,由于光源的光轴与人眼睛的视轴无法完全重合,当手术部位距体表有一定深度时,人眼观察到的手术部位的某个边沿总有一部分区域存在阴影,孔越深两光轴夹角越大,阴影的区域越大。
一种星载微型凝视式可见光CCD遥感器设计
张镜洋;常海萍;沈为民
【期刊名称】《航天返回与遥感》
【年(卷),期】2012(033)002
【摘要】以小卫星平台的空间动态目标探测为应用背景,采用短积分时间的凝视成像方式、LVDS并行传输的高帧频数传模式、折反式光学系统以及部分国外工业级器件的集约化设计思路,设计了星载微型凝视式可见光CCD遥感器。
文章首先介绍了光学系统和电子电路的设计和性能;然后阐述了其可靠性保证技术路线,并通过整机的鉴定级环境试验验证该技术路线的可行性,最后对该遥感器性能进行测试,结果表明在总质量小于2kg,曝光时间小于2ms条件下,其静态MTF大于0.2,动态MTF 大于0.16,信噪比大于49。
【总页数】5页(P23-27)
【作者】张镜洋;常海萍;沈为民
【作者单位】南京航空航天大学高新技术研究院,南京210016／南京航空航天大学能源与动力学院,南京210016;南京航空航天大学能源与动力学院,南京210016;苏州大学现代光学所,苏州215006
【正文语种】中文
【中图分类】V443.5
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1.一种星载相机EMCCD高压驱动电路设计 [J], 卜洪波;陈瑞明;张玉贵;何志宽
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5.一种多功能数字可见光CCD相机的设计 [J], 邓艳红;肖邦富;乔建社;周旭东因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
可见光／红外双波段大视场共口径齐焦光学系统
刘钧;陈阳
【期刊名称】《西安工业大学学报》
【年(卷),期】2014(000)002
【摘要】针对双波段系统光路转换速度慢、不同波段目标信息存在差异的问题，
文中结合可见光和长波红外两个波段的特点，设计了可见光/长波红外大视场共口
径齐焦光学系统．采用共口径方式同时接收可见光/长波红外两个波段的目标信息，通过齐焦设计提高不同波段目标信息的一致性．研究结果表明：可见光工作波段为0．38～0．76μm ，长波红外工作波段为7．9～9．7μm ，两个波段视场为70°，焦距为6．1 mm ．可见光传函值在空间频率100 lp/mm处在0．4以上，长波
红外传函值在空间频率20 lp/mm处接近0．4，在-40～60℃的温度范围进行消
热差．
【总页数】7页(P87-93)
【作者】刘钧;陈阳
【作者单位】西安工业大学光电工程学院，西安710021;西安工业大学光电工程
学院，西安710021
【正文语种】中文
【中图分类】TN216
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1.可见光/中波红外双波段共口径光学系统设计 [J], 郭钰琳;于洵;蔡珂珺;杨璐
2.大视场、大口径双波段红外非制冷光学系统 [J], 常军;刘莉萍;王涌天;翁志成;丛小杰;姜会林
3.可见光/红外双波段共光路光学系统设计 [J], 王艺栋;李文强;孟庆斌
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![超大视场、大孔径双色光学系统[发明专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/5fe2350e856a561253d36fa9.png)
专利名称：超大视场、大孔径双色光学系统专利类型：发明专利
发明人：常军,刘健
申请号：CN200910236400.1
申请日：20091021
公开号：CN101694539A
公开日：
20100414
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明属于光学仪器技术领域，涉及一种超大视场、大孔径双色光学系统。
本发明是由单负反射镜，单正反射镜，单正反射镜，孔径光栏以及含非球面的负透镜，单正透镜，保护窗玻璃和分光镜，探测器像面组成。
本发明的视场最大可达130°，且系统的相对孔径大，系统光圈数F最小为1.5，且系统采用离轴结构形式，避免了能量遮拦损失，有利于系统能量探测。
系统前三块反射镜是非球面，可以使用金刚石车床直接加工。
为了校正像差，非球面都加在容易加工的光学玻璃材料。
系统成像质量好，结构简单，而且可以很好的抑制杂光，通过分光镜分光后，系统可应用于在航空和地面的红外和紫外双谱段、大视场的侦察、观测等领域，此外，还可应用在光学检测设备上。
申请人：北京理工大学
地址：100081 北京市海淀区中关村南大街5号
国籍：CN
代理机构：北京理工大学专利中心
代理人：张利萍
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一种新型超大视场小畸变光学系统戚均恺;周峰;姚罡;庄绪霞【摘要】光学遥感器正朝着高空间分辨率、高时间分辨率、高光谱分辨率、大视场等方向发展.在传统空间遥感系统的研制过程中,分辨率与大视场互为矛盾,但在某些场合下,不仅需要图像具有较高的分辨率,而且需要具有较大的视场.解决这一矛盾对空间光学的发展具有积极作用.文章介绍了一种新型多尺度单心光学系统,从其设计原理出发,给出了一个多尺度单心光学系统的设计实例.经验证该系统能够实现大视场,像面照度均匀、畸变小,全视场具有一致分辨率,无需扫描即可获取大视场图像.文章介绍的这种成像系统结构对未来超大视场高分辨率空间遥感器的设计提供了参考.【期刊名称】《航天返回与遥感》【年(卷),期】2013(034)002【总页数】6页(P30-35)【关键词】超大视场;小畸变;多尺度单心光学系统;光学设计;光学遥感器【作者】戚均恺;周峰;姚罡;庄绪霞【作者单位】北京空间机电研究所,北京100076;北京空间机电研究所,北京100076;北京空间机电研究所,北京100076;北京空间机电研究所,北京100076【正文语种】中文【中图分类】O4391 引言从实际需要出发，人们希望能够从尽可能大的角空域获取信息，因此大视场、结构紧凑的遥感器成为空间光学系统设计研究的热点。
在某些场合下，不仅需要图像具有较高的分辨率，而且需要具有较大的视场。
例如，2004年1月4日美国“勇气”号火星探测器在火星着陆，并对火星表面进行了探测; 次日，美国宇航局公布了“勇气”号火星探测器拍摄的火星三维全景黑白照片，随后又公布了火星表面的高分辨率全景彩照。
这些全景图像都是由安装在“勇气”号上的全景相机获得。
目前，国内外实现大视场成像探测的技术途径主要有小视场高分辨率扫描成像、鱼眼透镜超半球凝视成像、环带凝视全景成像3种，但均存在不足之处: 小视场高分辨率扫描成像的机构复杂，导致系统的实时性降低，同时也降低了系统的可靠性[1]; 鱼眼透镜虽然可以实现超过180°的超大视场成像，但其存在较大畸变，整个像面上无法形成一致分辨率[2]; 环带凝视成像系统将围绕光学系统光轴360°范围的圆柱视场投影到二维平面上的环形区域内，虽然可以实现360°环带空间的全景实时成像[3]，但只能对环带视场成像，成像系统存在中心盲区，系统的杂散光严重[4]，分辨率大打折扣。
![共用主次镜的双视场离轴三反集成式光学系统[发明专利]](https://img.taocdn.com/s1/m/dc7ebb345022aaea988f0fb3.png)
专利名称：共用主次镜的双视场离轴三反集成式光学系统专利类型：发明专利
发明人：傅丹膺,张涛,黄颖
申请号：CN200810116485.5
申请日：20080710
公开号：CN101303449A
公开日：
20081112
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：共用主次镜的双视场离轴三反集成式光学系统，包括主镜、次镜、两片第三反射镜、两片平面折转反射镜和两个接收像面，主镜和次镜的中心同轴并作为光学系统的主光轴；视场光线经主镜、次镜反射后分成两路分别到达两片第三反射镜，然后分别经两片平面折转反射镜反射至两个接收像面。
本发明系统具有大视场、大机高比、宽覆盖、可同时用于立体测绘等特点。
申请人：北京空间机电研究所
地址：100076 北京市9201信箱
国籍：CN
代理机构：中国航天科技专利中心
代理人：安丽
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共光路红外双波段小型化光学镜头分析与设计
亓晨;靳阳明;谢晓喻;侯辉辉;李永生
【期刊名称】《红外与激光工程》
【年(卷),期】2024(53)4
【摘要】针对中长波共光路小型化光学系统设计需求,建立了基于高斯光学与初级像差理论且尺寸受限下的二次成像结构光学指标分配模型。
主镜因其边缘光线高度高和承担的光焦度小,其球差、色差和二级光谱是该系统像差的主要来源,为矫正二级光谱,可使用“-、+、-”结构形式的高、中、低相对色散材料的透镜组合作为主镜结构,此时主镜的残余像差较小,采用场镜降低中继镜组光线高度以及非球面矫正球差等方法平衡主镜残余像差。
最后开展实例设计,对提出的小型化设计思想进行验证,设计了中波波长3.7~4.8μm、长波波长7.7~9.5μm的共光路双波红外小型光学系统,总长不大于135 mm,结构小巧紧凑,光学传函接近衍射极限,工作温度范围-40~60℃,且对温度不敏感。
实现了基于二次成像结构光学指标分配模型的中长波共光路小型化光学系统分析及设计,满足中长波共光路小型化光学系统需求。
【总页数】8页(P149-156)
【作者】亓晨;靳阳明;谢晓喻;侯辉辉;李永生
【作者单位】中国电子科技集团公司第二十七研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN216
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5.一种共光路双波段红外光学系统设计
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双焦点微型聚光器安装于建筑外墙的光学性能分析
何俊颖;安巍
【期刊名称】《上海电力大学学报》
【年(卷),期】2024(40)2
【摘要】建筑外墙安装的微型聚光器在高层建筑太阳能利用技术中具有巨大的应用潜力。
结合太阳辐射资源和聚光器光学效率,提出了计算加权平均光学效率的数学模型,并基于该模型,研究了双焦点微型聚光器在不同安装方式下的光学性能。
对4个城市全年加权平均光学效率的计算结果显示:双焦点微型聚光器安装于建筑外墙时,夏季效率最低,冬季效率最高;安装地纬度对不同安装方式下聚光器的光学性能有较大影响。
此外,基于光学模拟结果,分析了安装于聚光器端部的反射膜对余弦损失的抑制作用。
【总页数】6页(P191-196)
【作者】何俊颖;安巍
【作者单位】同济大学机械与能源工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TK513.1
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合式双焦点微型聚光器的设计与性能分析5.具有二次聚光器的新型大开口槽式太阳集热器设计与光学性能分析
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第２０卷 第４期２０１２年４月 光学精密工程 Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ．２０ Ｎｏ．４Ａｐｒ．２０１２ 收稿日期：２０１１－０２－１６；修订日期：２０１１－０４－１９． 基金项目：总装装备预研基金资助项目（Ｎｏ．５１３０１０６０２０７）文章编号 １００４－９２４Ｘ（２０１２）０４－０７３９－０６小型可见光双视场光学系统的研制魏 群＊，艾兴乔，贾宏光（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春１３００３３）摘要：基于光学设计基本理论，设计了一种体积小，跟踪范围可以达到整个前半球的可见光双视场光学系统。
系统由前部集束系统，中间光路转折系统及后部成像系统３部分组成。
集束系统采用望远镜式结构，用于改变光束的口径；光路转折系统采用库德光路，由４片反射镜组成，用于转折光路及扫描；成像系统由长焦成像系统和短焦成像系统组成，分别形成两个视场的像，用于目标识别与跟踪。
光学系统焦距分别为６０ｍｍ和１２０ｍｍ，设计传递函数在５８ｌｐ／ｍｍ处均大于０．５。
加工装调后进行了成像试验验证，结果表明，该系统能够同时完成大视场及小视场的图像获取，在可视范围内成像质量满足系统总体要求。
关 键 词：双视场光学系统；可见光镜头；库德光路；光学设计中图分类号：ＴＨ７０３ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＯＰＥ．２０１２２００４．０７３９Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｓｍａｌｌ－ｓｃａｌｅ ａｎｄ ｄｕａｌ－ｆｉｅｌｄ ｖｉｓｉｂｌｅ ｌｉｇｈｔ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍＷＥＩ Ｑｕｎ＊，ＡＩ Ｘｉｎｇ－ｑｉａｏ，ＪＩＡ Ｈｏｎｇ－ｇｕａｎｇ（Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｆｉｎｅ Ｍａｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００３３，Ｃｈｉｎａ）＊Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｅｉ．ｑ＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｍＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｓ ａ ｓｍａｌｌ－ｓｃａｌｅ ａｎｄ ｄｕａｌ－ｆｉｅｌｄ ｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ａ ｈａｌｆ ｓｐｈｅｒｅ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｆｉｅｌｄ．Ｔｈｉｓ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｔａｋｅｓ ａ Ｃｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｔｈ ａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｓｙｓ－ｔｅｍ ａｎｄ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｐａｒｔｓ：ｔｅｌｅ－ｓｙｓｔｅｍ ａｔ ｆｒｏｎｔ，ｒａｙ ｔｕｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅ，ａｎｄ ｉｍａｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｂａｃｋ．Ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ ｐａｒｔ ｉｓ ａ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ ｃｏｍｐｏｕｎｄ ｆｏｒ ａｄｊｕｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｇｈｔｂｅａｍ；ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅ ｐａｒｔ ｉｓ Ｃｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｔｈ ｍａｄｅ ｕｐ ｆｏｕｒ ｍｉｒｒｏｒｓ，ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｔｕｒｎ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅ ｌｉｇｈｔ ｂｅａｍ；ａｎｄ ｔｈｅ ｌａｓｔ ｐａｒｔ ｉｓ ａｎ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｌｏｎｇ ｆｏｃａｌ ａｎｄ ｓｈｏｒｔ ｆｏｃａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ａｎｄ ｆｏｒｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ ｒｅｃｏｇｎｉｚｉｎｇ ｔａｒｇｅｔｓ．Ｔｈｅ ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ６０ｍｍ ａｎｄ １２０ｍｍ ａｎｄ ｔｈｅｉｒＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ（ＭＴＦｓ）ａｒｅ ａｌｌ ａｂｏｖｅ ０．５ａｔ ５．８ｌｐ／ｍｍ．Ｂｙ ｉｍａｇｉｎｇ ｔｅｓｔｓ，ｔｈｉｓ ｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｂｅｔｔｅｒ ｉｍａｇｉｎｇ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｃａｎ ｃａｐｔｕｒｅ ｔｈｅ ｉｍａｇｅｓ ｆｏｒｍ ｔｈｅ ｌａｒｇｅ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｓｍａｌｌ ｏｎｅ ａｔ ｔｈｅｓａｍｅ ｔｉｍｅ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｕａｌ－ｆｉｅｌｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ；ｖｉｓｉｂｌｅ ｌｉｇｈｔ ｌｅｎｓ；Ｃｏｄｅ ｓｙｓｔｅｍ；ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ１ 引 言 光学成像跟踪在现代社会中的应用越来越广，大到飞机导弹，小到社区安防，其在航空、航天、军工、安防和民用等诸多领域均有着广泛应用。
其中，可见光跟踪系统以其技术成熟，价格低廉而倍受关注。
随着科技的发展，成像跟踪系统已朝着小型化、轻量化和集成化发展，其对光学系统的要求也越来越高。
成像跟踪系统的光学系统是成像跟踪系统中的核心部分。
针对目前的应用需求，跟踪系统中的光学系统应具备视场范围大、视场切换快、体积小和重量轻等特点。
目前，国内双视场光学系统的研究开展得比较广泛。
中科院西安光学精密机械研究所的白瑜等通过衍射光学元件设计了一种双定焦光学系统，采用的是插入式光学系统，其传递函数表明成像质量良好［１］；有些研究也集中在切换变倍领域，有移动式、插入式及旋转式设计等［２－６］，但这些系统都存在一定的不足，不能实时双视场跟踪。
本文设计了一种小型可见光双视场光学系统，完成了可见光双视场光学系统及其支撑结构的设计。
通过成像测试试验，验证了其光学系统成像质量满足系统要求。
这种双视场光学系统在军用及民用领域都将发挥巨大的作用。
２ 设计原则 本文设计的小型双视场光学镜头将应用于跟踪系统，因此，成像跟踪系统中的光学系统设计主要需注意以下几点：（１）成像质量高，要求能够在较远的距离分辨跟踪目标的细节，获得更多的信息；（２）透过率高，选择较少的镜片完成设计任务，同时在镜片表面镀高质量的增透膜，提高系统的透过率，增加光学系统的作用距离及对弱目标的探测能力；（３）体积小，跟踪范围大，跟踪系统希望能以最小的体积实现对目标运动区域最大的跟踪，提高跟踪系统的适用范围，增加跟踪系统的总体性能指标。
根据以上要求，确定光学系统的指标如下：焦距为６０ｍｍ和１２０ｍｍ；视场角为６°和３°；Ｆ数为６和１２；探测波段为４００～７００ｎｍ；分辨率为７６８ｐｉｘｅｌ×５７６ｐｉｘｅｌ；像元大小为８．３μｍ×８．６μｍ。
３ 详细设计 根据上述设计原则及指标要求，本文设计的可见光光学系统原理如图１所示。
光学系统由三部分组成：第一部分为镜组Ａ（集束系统），来自目标的光线通过镜组Ａ后，光线口径缩小，减小后部反射镜体积，缩短光路，最终减小整个光学系统的体积；第二部分为镜组Ｂ（光学转折系统），由３片反射镜、１片分光镜及１片场镜组成，主要负责转折光学，使光学系统的转动元件减少，其中的分光镜用来分光，将大小视场的光线分开，分别成像；第三部分为组镜Ｃ（成像系统），长焦成像系统及短焦成像系统，负责将２个视场的光线分别成像到不同的ＣＣＤ靶面上。
镜组Ａ及第一片反射镜安装在可旋转框架上，用来对目标视场进行扫描。
图１ 光学系统示意图Ｆｉｇ．１ Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｓｋｅｔｃｈ ｍａｐ３．１ 集束镜组设计集束镜组Ａ用来压缩对目标光线的口径，减小后镜组的体积和长度。
采用望远镜式结构，“＋”、“－”组合，为了控制像差，“＋”、“－”镜组均采用胶合件，设计原理如图２所示。
图２ 集束系统设计原理图Ｆｉｇ．２ Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｆｉｇｕｒｅ ｏｆ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ ｓｙｓｔｅｍ０４７ 光学 精密工程 第２０卷 其中，Ｈ为原始光束宽度，ｈ为集束后光束宽度，Ｆ点为ｌｅｎｓ１和ｌｅｎｓ２的焦点，ｌｅｎｓ１是正透镜，ｌｅｎｓ２是负透镜，其焦距分别为ｆ１和ｆ２。
根据简单的几何关系，可得下面公式ｎ＝ｈＨ＝ｆ２ｆ１．（１）其中，ｎ为光束的缩比，是负透镜和正透镜的焦距比。
选择合适的缩比设计集束镜组，设计结果如图３所示。
图３ 集束光学系统Ｆｉｇ．３ Ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ为了检验集束系统的光学性能，在镜组后加入光阑和理想透镜，其ＭＦＴ如图４所示，点斑如图５所示。
图４ 集束系统光学传递函数Ｆｉｇ．４ ＭＴＦ ｏｆ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ ｓｙｓｔｅｍ３．２ 转折镜组设计转折光路系统由３片反射镜、１片分光镜及１片场镜组成。
３片反射镜主要负责转折光路，分图５ 集束系统点斑图Ｆｉｇ．５ Ｓｐｏｔ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ ｓｙｓｔｅｍ光镜用来分开进入长焦光学系统及短焦光学系统的光线。
靶面照度公式为Ｅ＝π４Ｉτ０Ｄｆ（）′２，（２）其中，Ｅ为靶面照度，Ｉ为进入光学系统的光亮度，τ０为光学系统的透过率，Ｄ为光学系统的孔径光阑直径，ｆ′为光学系统焦距。
为了保证长焦镜头和短焦镜头ＣＣＤ靶面照度一致，即：Ｅｌ＝Ｅｓ，（３）Ｅｌ＝π４ＩｌτｌＤｌｆｌ（）′２，（４）Ｅｓ＝π４ＩｓτｓＤｓｆｓ（）′２．（５）其中，下标为ｌ的量代表长焦光学系统相关参数，下标为ｓ的量代表短焦光学系统相关参数。
从而有：π４ＩｓτｓＤｓｆｓ（）′２＝π４ＩｌτＤｌｆｌ（）′２，（６）简化为：ｎ＝ＩｌＩｓ＝τｓ（Ｄｓ／ｆｓ′）２τｌＤｌｆｌ′２＝４τｓτｌ．（７）其中，根据后面的设计，τｓ≈τｌ，则进入长焦光学系统的光强和进入短焦系统的光强之比为４／１，根据此数值设计分光镜的分光比。
３．３ 成像系统设计基于前面的设计基础设计成像系统，长焦镜头的设计结果系统的ＭＴＦ、短焦系统设计结果、短焦系统的ＭＴＦ分别如图６－９所示。
１４７第４期 魏 群，等：小型可见光双视场光学系统的研制从上面ＭＴＦ图可知，系统设计满足成像要求。
图９ 短焦系统传递函数Ｆｉｇ．９ ＭＴＦ ｏｆ ｓｈｏｒｔ ｆｏｃｕｓ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ４ 样机研制与成像试验 根据上面设计的光学系统设计镜头结构及框架支撑结构，结构设计如图１０所示。
图１０ 镜头结构设计图Ｆｉｇ．１０ Ｌｅｎｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｓｉｇｎ根据设计加工光学系统及结构件，安装完成的镜头如图１１所示。
图１１ 双视场镜头系统Ｆｉｇ．１１ Ｄｕａｌ－ｆｉｅｌｄ ｌｅｎｓ对目标成像［７］，长焦成像效果如图１２所示，短焦成像效果图如图１３所示。
２４７ 光学 精密工程 第２０卷 图１２ 长焦镜头成像图Ｆｉｇ．１２ Ｐｈｏｔｏ ｏｆ ｌｏｎｇ ｆｏｃｕｓ ｌｅｎｓ图１３ 短焦镜头成像图Ｆｉｇ．１３ Ｐｈｏｔｏ ｏｆ ｓｈｏｒｔ ｆｏｃｕｓ ｌｅｎｓ５ 结 论 研制了一种小型可见光双视场成像光学系统，焦距分别为６０ｍｍ和１２０ｍｍ，系统传递函数均大于０．５。
完成了镜头及结构的设计，进行了试验验证。
