一种中波红外连续变焦光学系统光轴一致性分析.pdf
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1、2023 年 云光技术 第 55 卷 第 1 期 36 一种中波红外连续变焦光学系统光轴一致性分析 李 东,刘 海,王宏波,王秀楠,陈贵荣(昆明北方红外技术股份有限公司 云南 昆明 650217)摘要:针对一种 7 片透镜的 640512 中波红外连续变焦光学系统,从光学结构原理分析因光学零件加工误差和伺服调焦机构精度误差及装配引起像面位移和光轴漂移的影响,讨论给出最佳像面位置的调整方法,使系统性能指标满足使用要求。关键词:中波红外;连续变焦;光轴一致性;电子凸轮 Study on the Debugging Method of a MWIR Continuous Zoom Optical S
2、ystem LI Dong,LIU Hai,WANG Hongbo,WANG Xiunan,CHEN Guirong(Kunming North Infrared Technology Co.Ltd.,Kunming 650217,China)Abstract:For a 6 piece of lens of 640512 MWIR continuous zoom optical system,from the principle of optical structure to analyze for optical processing error and servo focusing ac
3、curacy and assembly as the surface displacement and the influence of the optical axis drift,then discuss to give the best image plane position adjustment method,make the optical system performance indicators meet the requirements.Key words:mid-wavelength infrared(MWIR),continuous zoom,optical axis c
4、onsistency,electronic cam 0 引言 近年来机载红外前视侦查、瞄准系统中越来越多的使用红外变焦系统,间断变焦系统由于变焦过程中会丢帧,难以满足特定的军事需要;而连续变焦系统在视场转换过程中能够保持图像的连续性,目标图像能够始终保持清晰,在变化倍率时不会丢失目标,是成像系统解决提高大视场搜索、捕获、跟踪目标的概率,提高小视场识别、分析目标分辨率的最佳选择。连续变焦光学系统是一种焦距可以连续变化而像面保持稳定且在变焦过程中像质保持良好的光学系统。连续变焦系统按补偿方法不同可分为光学补偿和机械补偿两种。好的结构型式应当是既满足使用要求又能够尽量做到体积小、结构简单;光学补偿变
5、焦距系统的变倍组必须移动到某些特殊位置,才能得到稳定清晰的像面,其焦距值是几个离散值,而且在高变倍比时,像面漂移量较大,像面总是不能得到完全补偿,因而在现代变焦系统中受到了较多限制;机械补偿变焦系统通过变倍组和补偿组的相对移动,可以达到既变倍而像面位置又稳定的要求,随着机械加工精度和工艺的提高,以及电子凸轮的运用,机械补偿法的优势愈加明显,应用愈来愈广。本文将对一个 7 片透镜的中波红外机械补偿连续变焦光学系统进行讨收稿日期:2022-11-08;修订日期:2023-05-12.作者简介:李东(1970-),男,高级工程师,主要从事红外整机系统可靠性设计及性能评价。E-mail:。一种中波红外
6、连续变焦光学系统光轴一致性分析 李 东,刘 海,王宏波,等 37 论,继而对光学零件加工误差和伺服调焦机构精度误差引起的像面位移进行分析,力求调整光轴一致性达最佳状态1-4。1 机械补偿式变焦光学系统初始结构计算 1.1 机械补偿变焦光学系统基本原理 前、后固定组 1 和 4 在整个变焦过程中都是不动的,它们对倍率变化没有贡献,因此利用变倍组 2 与补偿组 3 两个组元相对运动实现焦距的连续改变,同时保持像面稳定,且在变焦过程中像质保持良好。通常要根据系统所要满足的要求通过高斯光学的计算来确定系统的初始参数。正组补偿变焦系统光学原理如图 1 所示,图中 2 为负的变倍组,3 为正的补偿组,A
7、点表示变倍组 2 的物点,即为目标经前固定组所成的像点。A表示 A 点经变倍组 2 和补偿组 3 后的像点。图 1 正组补偿变焦系统光学原理 Fig.1 Principle of zoom optics 为了实现变焦,变倍组 2 沿光轴作线性移动,其垂轴放大率由2变为2*,此时像点 A也相应移动,为保证像点 A不变,补偿组 3 需作相应的轴向移动,使补偿组放大率由3变为3*。则系统的变倍比为:3*223M (1)为满足像面位置不变,必须使图中 A 点A点间距离 D 恒定:DL3L2=l3l3l2l2 (2)变焦后:Df2(2*2*21)f3(3*2*31)(3)满足像面保持不变条件下变焦过程中
8、2*和3*之间制约关系式为:f3(*313*313)f2(*212*212)0 (4)求解得:2*342bb (5)2023 年 云光技术 第 55 卷 第 1 期 38 式中:*2223*3223111()()fbf (6)设变焦过程中,变倍组移动量为 x,补偿组移动量为 y,对牛顿公式求导得:22*22333311()()xdlfydlf (7)式中:2、3可由高斯光学物像公式可得:2212123332223(1)fffdfffd (8)式中:f1为前固定组焦距;f2为变倍组焦距;f3为补偿组焦距;d12与d23分别系统短焦位置的间隔。1.2 光学系统指标 表1列出了中波红外连续变焦光学系
9、统的主要指标。表 1 中波红外连续变焦光学系统的性能参数 中波红外凝视型焦平面制冷探测器阵列 640512 像元间距 17 m17 m 工作波段 3.74.8 m 变倍比 12:1 视场角 2419.2(WFOV)2.01.6(NFOV)焦距 24288 mm F 数 4 工作温度 4060 针对640512中波凝视型焦平面探测器,根据该变焦系统的技术要求介绍的方法与步骤来确定系统的初始参数,反复计算,选取一组参数f1171.2 mm;f233.8 mm;f357.6 mm;f4256 mm;d1230 mm;d23148 mm;d349.3 mm,然后使用ZEMAX光学辅助设计软件对该结构进
10、行像差优化设计,最终的设计结果如图2所示。本系统采用二次成像设计,利于压缩第一物镜口径,并保持探测器具有100%的冷屏效率。为了使结构紧凑,合理地控制系统的总长,采用两个45角放置的反射镜,使光路折叠两次,有利于结构的小型化及凝视型探测技术的实现8,光学系统外形尺寸如图2所示,小于265 mm113 mm158 mm(长宽高)。为了使系统具有更高的透过率,提高系统对目标的探测与识别能力,本系统仅使用了6片透镜,镜片数量少有助于提高光学系统的透过率,减轻系统重量,但增大了光学系统优化难度9。为了校正像差,提高像质,引入了2个非球面和1个衍射面。变焦系统采用机械补偿形式,由前固定组、变倍组、补偿组
11、、后固定组组成。前固定组物镜采用具有低色散高折射率的硅材料;变倍组采用负的锗透镜,利于修正轴向色差、场曲和像散,彗差和其它轴外像差,在变倍运动过程中作线性运动;补偿组采用正的硅透镜,通过一定的曲线轨迹运动补偿变倍一种中波红外连续变焦光学系统光轴一致性分析 李 东,刘 海,王宏波,等 39 组在变倍过程中产生的像面位移,使像面位置稳定,同时通过补偿组的移动还可实现调焦及补偿温度变化引起的像面位移;后固定组采用负的锗透镜组成。变倍组的行程为74 mm,补偿组的行程为55 mm。变倍组及补偿组的运行轨迹平滑,无拐点,系统的变焦过程如图3所示5-6。图 2 连续变焦光学结构图(左)及外形图(右)Fig
12、.2 Schematic of continuous zoom optics(left)and outline structure(right)2 像差校正和平衡方法 根据高斯光学理论,在结构型式选定后,可以解决满足变倍和像面补偿要求时的各透镜组焦距分配和变倍补偿曲线选段问题。通常情况下,希望有较多的变倍位置满足像差要求,以便系统在整个变倍过程中像差会小些。总的来说,初级像差求解P,W方程,高级像差作形式判断选择结构型式,再用光学设计软件作像差的校正和平衡。像差与结构是复杂的函数关系,它们是对立的统一,要提高质量,则需要有相当复杂结构,但结构的复杂化并不一定都能满足提高像质的要求。用像差分布式
13、的计算,找出某种高级像差产生在哪一面上,是一种分析法的捷径,且能判断希望降低某种高级像差,该变倍、补偿组或该像面应做如何变化,这种变化将对其它各焦距的哪些像差起主要影响,其它组元或其它面应作如何相应变化,方能实现像差的校正和平衡。3 像面位置稳定性和光轴一致性的调整 尽管可以由高斯光学解决满足连续变焦光学系统的像面稳定性问题,但对其加工和装配的技术要求方面,如果设计时在某些细节上没有提出合理的公差要求和技术措施,往往使该系统在连续变倍过程中,图像时而清楚,时而模糊,或者像点中心上下左右跳动。这种情况 图 3 连续变焦光学系统 Fig.3 Optical system 2023 年 云光技术 第
14、 55 卷 第 1 期 40 对大倍率或焦距较长的连续变焦光学系统尤为严重。下面就如何在加工和装配过程中,保持连续变焦光学系统像面稳定性问题做一些讨论。3.1 各种加工误差对像面位置的影响 我们的连续变焦光学系统由4个透镜组构成(前固定组、变倍组、补偿组、后固定组),如某一间隔d12有小量变动d12,则由此变化引起的最后像面位移为:l4d12223242 (9)式中:223242(n2u2)2/(n4u4)2。其中。n为透镜折射率,u为像方孔径角,若变倍组2有一个沿轴方向的位移x2,则由此引起的像面位移为:l4x2(122)3242 (10)同理,补偿组3的位移x3引起的像面位移为:l4x3(
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