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基于Matlab的变焦光学系统设计

发表时间：2020/8/4 来源：《电力设备》2020年第8期作者：沈家萱

[导读] 摘要：该系统通过引入二元面和非球面，改善了系统的成像质量，同时精简了系统结构，显著提高了连续变焦系统的透过率，连续变焦系统通过焦距的连续变化，对不同视场目标成像，实现探测跟踪的连续性。

         (天津市航天安通电子科技有限公司天津 300400)
        摘要：该系统通过引入二元面和非球面，改善了系统的成像质量，同时精简了系统结构，显著提高了连续变焦系统的透过率，连续变焦系统通过焦距的连续变化，对不同视场目标成像，实现探测跟踪的连续性。
        关键词：Matlab；变焦光学系统设计；
        目前常见的变焦系统主要有两档或多档变焦，虽然结构简单，易于实现，但在切换过程中有可能致使目标模糊或丢失，影响探测跟踪的连续性。另外，部分连续变焦系统虽然可以实现变焦的连续性，但是系统往往包含镜片较多，严重降低了系统的透过率，不利于目标的探测。
        1 现状分析
        目前，国内只是对换挡变倍红外光学系统进行了无热化设计，方法包括机械被动式、电子主动式、光学被动式；对连续变焦红外光学系统进行了无热化设计但方法只局限在机械被动式和电子主动式。由于连续变焦光学系统需要在一定的焦距范围内都能成像，而且在此焦距范围内的各个变焦位置必须保证工作在一定宽的温度范围内，若想到达此目的是比较难的，因此国内对连续变焦光学系统采用光学被动式的方法进行无热化设计还没有准确的报道。
        2 Matlab的变焦光学系统设计
        （1）设计原理。连续变焦光学系统是通过机械补偿实现变焦的，其中根据补偿组的焦距正负分为正组、负组两种补偿方式。通常，变倍组焦距相同时，两种补偿方式相比较，正组补偿的连续变焦光学系统结构细而长，而负组补偿的系统结构短而粗，且负组补偿二级色差和球差均比正组补偿大，对小视场系统，且对球差、二级色差要求低的情况，负组补偿可以达到要求; 但对大视场变焦系统，或大倍率变焦系统，要求二级色差小，则必须采用正组补偿，属视场和孔径较大的系统，其色差和高级像差较难校正，因此本系统采用正组补偿方式实现连续变焦，由于系统要求视场角比较大，反射式结构难以满足要求，所以系统结构拟采用透射式，红外波段常用的光学材料较少，且价格贵，光学系统要消色差就必须采用多种玻璃，二元光学元件在系统中主要用于校正色差，同时可以校正其它像差，有利于简化系统结构、缩小体积和减轻系统重量，具体原理简述如下一般光学镜片的色差是由光学玻璃的材料色散特性引起的，而二元光学元件的色差是微结构衍射的波长依赖性引起的。传统的消色差透镜组采用的是正负透镜组合的形式，为了达到消色差的目的，每块透镜的光焦度绝对值都较大，而这又会带来更大的系统单色像差，最终使整个光学系统镜片多而复杂而在红外波段，由于可供选择的玻璃材料有限，消色差更为困难。在折/衍射混合系统中，衍射元件的等效阿贝常数为一很小的负值，且DOE 的光焦度非常小，这就使得单色像差容易较正。在折/衍系统中，衍射元件附在折射元件的某一面上，这样折/衍混合透镜的体积、重量相当于单透镜，所以利用衍射元件可以简化光学系统，减少镜片数量，减轻光学系统重量，增加整个系统的透过率。众所周知，红外系统无热化设计的重要性，这是由于红外材料折射率温度系数较大，如单晶锗的折射率温度系数意味着大范围温度变化必然导致光学系统曲率、厚度、折射率等的变化，这严重影响了系统的成像质量。由于本系统是变焦系统，所以在无热化设计方面不可能再采用传统的机械或机电被动方式，而是在设计过程中通过合理选择材料和各镜片焦距，再通过调整镜片间隔达到消热差的目的。除此之外，衍射元件具有负热差特性，也抵消了一部分热差。
        （2）Matlab光学系统中可以用偏角来定量地分析本组透镜校正。像差的难易程度，由图可以看出固定组、变焦组和补偿组光线的偏角随焦距的增加而增大。变焦组和补偿组偏角较大，尤其是在长焦时，说明本系统中变倍组具有最复杂的结构，补偿组具有较为复杂的结构。

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应使各透镜组在变焦过程中的偏角尽量减小，这样可以减小系统的复杂程度。可以改变初始参数，尽可能减小偏角，通过降低固定组的倍率可使各组元偏角下降，但系统的总长度会增加，所以要综合考虑。为了使系统尽可能短，偏角就会增大，使系统变得结构复杂。在设计过程中，先将各组单独设计，然后组合在一起。为了确保组合时能够光瞳衔接，在Matlab软件编程过程中求出光阑相对各组的入瞳和出瞳位置、口径。再根据设计要求取光学系统的半像高为５ｍｍ计算出各组元在变焦过程中视场角的变化，以系统焦距为自变量，各组元视场为因变量便可作出变焦过程中各组元视场角的变化。以更直观地观察系统在变焦过程中各组元的运动情况，所承担偏角和视场角的变化情况。在光学设计之前就对总体性能有了概括性了解，如本系统中为了保证筒长尽可能短，导致变倍组在长焦时承担较大的偏角，短焦时视场角也比较大，所以在光学设计时应考虑使用特殊玻璃或者非球面来提高像质，由此对变倍组的公差要求也特别严格。
        （3）光谱波段的选择。在进行目标的探测与识别时，主要探测的是目标与所在背景之间的对比度。由于目标所在的背景对探测是有影响的，为了仅获得目标的红外辐射量，从而使得成像质量良好，后期需要采取一系列图像处理的技术手段。但是应注意的是在进行目标探测的前期是可以选择工作谱段的，如果工作谱段选择的好，那么导引头的作用距离就会在一个最佳的范围内。工作谱段选择的好坏将直接关系到后期的目标识别问题。另外导引头工作波段的选择还需综合考虑其工作性能，而不仅是追求最大辐射能，但是无论是考虑导引头的结构组成如整流罩、探测器的选择和中长波波段内的大气辐射特性。在中波波段内，相对光谱辐射亮度会达到一个极大值，在红外中波波段的大气辐射的透过率最高。
        （4）光学系统。目前关于红外光学系统的探测器类型可大致分为两大类：制冷型探测器和非制冷型探测器。相比于非制冷型探测器，制冷型探测器的分辨率、效率高、作用距离远等一系列优点，通过查找探测器的参数。在分析红外导引头的光学系统作用距离是否满足探测与识别目标的要求时，往往是测量被测目标所产生的辐射功率在探测器上的响应是否满足信噪比大小的要求，如果信噪比高于一定数值，系统就可以进行红外辐射的探测，否则系统不满足要求，因此，此红外变焦光学系统的最小可探测照度需才可进行目标的搜索与探测。由于红外探测器的灵敏度主要由系统的噪声等效辐照度所决定。想要获得系统的噪声等效辐照度，只需知道光学系统的一系列参数以后就可得出。当设计一个光学系统时，首先必须选定一个合适的结构型式。当给定了光学系统的焦距、视场及其工作的条件后，选择不同的结构型式会使光学设计结构大大不同。结构型式的合适与否直接关系了后期的光学系统设计。考虑到导引头特殊的工作环境与作用，因为反射式系统会产生系统的挡光，设计离轴反射式系统会增加导引头的尺寸，而且光学加工、装调比较复杂，所以一般只考虑折射式或者折反式光学系统。由光学系统的参数可知，此系统的口径较小，对于口径较小的光学系统，若采取折反式光学系统，那么其结构、光学加工、装调都非常复杂，所以此系统也不考虑用折反式结构型式。相比于反射式和折返式光学系统，在导引头的光学系统设计过程中，此系统采用的是折射式结构型式，它不存在中心遮拦，且系统的结构紧凑，设计、加工、装调都比较简单。
        光路设计是红外系统设计必不可少的过程，本文设计适用于中波红外波段，具有镜片少、透过率高的特点。在设计中，系统各变焦结构性能良好，结果表明，系统工作状态良好。
        参考文献：
        [1] 吴晓靖, 孙赤全, 孟军和. 红外光学系统无热化设计与变焦距镜头之间的关系[J]. 红外与激光工程. 2017, 31(3):249-252.
        [2] 胥尤欣. 新型成像导引头光学系统的消热差设计与评价[J]. 红外与激光工程.2018, 37 增刊:561-564.
        [3] 李忠. 制冷型红外热像仪冷反射效应的数理分析[J]. 舰船科学技术. 2017,28(6):87-88.