摘 要:基于光学相关探测,根据坦克目标跟踪识别系统的需求,设计了一种新型的卡塞格林红外光学系统,其非球面的主镜和次镜都取代为球面镜,不存在卡塞格林系统大口径非球面主镜、次镜的高加工精度和装调困难的问题;为满足大视场、大孔径的像差要求,用三个校正透镜,在保护罩中用一个偶次非球面。其系统结构紧凑,口径大,焦距长,分辨率高,并且各视场均能获得接近衍射极限的成像质量,满足坦克目标跟踪识别系统的总体要求和像质的要求。
1 引 言
随着科学技术的飞速发展,应用光电混合联合变换相关器进行光学相关目标探测与识别是现代光学测试领域的前沿技术,并在军事上具有很高的探测、识别和跟踪的意义。坦克是地面作战的主要突击兵器和装甲兵的基本装备,坦克上的观测跟踪光学系统可与联合变换相关器结合,光学系统将扫描的目标图像输入给光电混合联合变换相关器,实现目标自动探测和识别,再把相关点的方位输入给火控系统,实现火炮自动跟踪和射击。红外波段可适宜夜战,为探测远距离的目标,系统应具有大口径,长焦距,高分辨率的特点,故宜采用折反式光学结构。因此,设计一个高性能的坦克观测跟踪红外光学系统是目标探测和识别的关键技术之一。
2 联合变换相关器
联合变换相关器探测的基本原理[1]是应用衍射原理和光学透镜的傅里叶变换功能实现输入图像的联合傅里叶变换。首先将参考图像与目标图像同时输入电寻址液晶,在第一个傅里叶变换平面上,用CCD记录联合变换功率谱。联合变换功率谱再经第二次傅里叶变换后,获得一对相关输出,从而得到实际探测物体的位置。设准直的相干单位振幅光入射到物体o(x,y)上,物体和参考图像被读入第一块电寻址液晶EALCD1。如果忽略噪声,光学傅里叶变换系统的输入函数可以写作[2]
输入函数在傅里叶透镜的后焦平面上的联合傅里叶变换:
联合变换功率谱由平方律探测器CCD接收,并输入到计算机,再反馈到第二块电寻址液晶EALCD2,在经过第二次傅里叶变换后,获得一对相关输出,实现相关探测[3]。该方法不仅识别速度快,而且具有较高的探测精度。光电混合实时联合变换相关器的结构如图1所示
3 卡塞格林系统
光学系统技术指标是:工作波段为8~12μm,口径为240mm,焦距为270mm,视场为2ω= 4°。由于该系统的探测器为TR-240红外CCD,像元素为320×240,像元尺寸为45μm×45μm,由此确定该系统的截止频率为11线对/mm。
根据上述的技术指标,该光学系统是大口径,长焦距的系统,首选反射式结构,如图2所示,这样不但可以缩短系统长度,减轻系统的重量,并且反射镜的材料比透射的材料容易制造。
反射系统中最典型、实用的是卡塞格林光学系统[4-5],由于其具有无色差、工作波段范围大、易于工程化等优点而被广泛地应用于空间光通信系统、大型天文望远系统、紫外和红外光学仪器、聚光照明等领域。典型的卡塞格林系统主镜为抛物面,次镜为双曲面,这只能校正轴上点球差。其缺点之一是没有满足正弦条件,像质优良的视场太小,一般不超过2′[6]。如果将主镜也改为双曲面,则可校正两种像差,即球差和彗差,视场便可增大。但为了满足设计要求,进一步增大视场,则还需校正场曲、像散和畸变。为此,Ritchey和Cretien提出的R—C系统对卡塞格林系统的视场进行了改良,该系统的主次镜形状很接近旋转双曲面。由于消除了彗差,可用视场比其它形式的卡塞格林系统更大一些,并且点列图成对称的椭圆形。为保证成像质量,R—C系统所能获得的最大视场一般为20′左右。为了进一步增大卡塞格林系统的视场,就要引入辅助的光学元件以校正像差。潘君骅院士[7]提出了一种“泛卡塞格林望远系统”并给出了四个设计结果,把视场提高到了1°( 2ω=1°),但该系统需要一个大口径的4次非球面补偿镜,因而结构庞大、加工成本高。史光辉[8]把卡塞格林系统的视场提高到3.2°,但该系统的主次镜的面形都是6次非球面,制作成本也很高。以上的卡塞格林系统的主次镜都是非球面,从而还存在高次的问题。
从技术指标、光学工艺、性能要求和价格等角度出发,该光学系统的结构将反射系统中的主次镜均取为球面,易于加工和装调且成本比非球面降低很多,且反射面可通过镀膜实现该波段高反射率、无色差、抗热性能好、重量轻的特点。设置光阑位于主镜边缘。
4 红外光学系统设计和优化
本文运用ZEMAX软件进行优化设计,将主次镜的半径及其间隔作为优化的变量,以焦距(EFFL=270mm)作为优化时必须满足的前提条件。保护罩的材料是Cs-Br,由于保护罩自身存在的像差是非常之大(波差约57 个波长),因此将其后表面改为偶次非球面进行优化,并将其二次曲面的高次项系数设为变量来校正反射系统的像差。加大主次镜的间隔,主次镜的半径,有利于降低高级像差。但主镜口径限定,因而加大主次镜间隔会增加轴外视场拦光,从而降低轴外视场的衍射调制传递函数,而这是决定轴外调制传递函数的主要因素,因此这一间隔应取得尽量小,小到由于高级像差的增加导致调制传递函数下降为止。同样,受衍射调制传递函数和高级像差的影响,中心遮光比也存在一个最佳值,也需经过逐步选择。
由于系统是大口径,长焦距的系统,相对孔径1:1.1,视场为4°,存在的各项像差都很大,无论怎么进行优化,无法达到设计要求(即使是抛物面,其全视场波像差也约162个波长,而球面更大),故引入辅助的透镜加以校正剩余像差。辅助光学元件的引入主要有两种方式[9],即在主镜之前引入和在次镜后引入。在主镜之前引入校正光学元件可以有效地减小轴外点像差、提高视场,但其缺点是校正透镜的口径大、重量大、光学系统结构复杂、加工成本高;在次镜后引人校正透镜也可以校正像差,其优点是校正透镜口径小、重量轻、结构简单,但由于校正透镜口径较小,其校正像差的能力有限。
由于在2~12μm红外波段,锗是一种常用的材料,因其折射率高,在相同光焦度的情况下可以降低透镜表面曲率,减小像差,并且性能稳定,制造和镀膜相对容易,有利于红外波段光学系统的实现,因此采取锗为校正透镜的材料。在优化过程中,在次镜后加入了3个校正透镜,通过多次迭代,进行像差自动平衡,最后得到满足像差要求的系统输出。对设计系统透镜进行样板逐一归化后,使其系统的像质变化很小,其像差仍在允许范围内。
这样光学系统主要有反射和折射两部分组成(如图3)。该光学系统具有以下特点: 1)大视场,大口径,长焦距。视场为4°,口径为240mm,焦距为270mm,因此相对孔径1:1.1;2)结构体积小。系统焦距为270mm,系统总长为188mm,并且红外探测器可放在系统内部,更加减小了系统体积,使得结构紧凑。由于CsBr材料的透光范围是0. 36~39μm,故在该系统保护罩和次反射镜间可放置半反射镜,使该系统同时可在可见光波段工作,与其相匹配的目视光学系统已设计
5 光学系统的像质评价
ZEMAX软件中提供的像质,如图4、图5和图6所示:
从图4可以看出,当分辨率为11线对/mm时, 0视场、0.5视场和0.8视场的MTF值都大于0. 6,只有边缘视场的MTF值稍小一些,也都超过0. 4。该系统衍射极限的MTF值为0.8,因此0.8视场内的MTF曲线都接近衍射极限。从图5可以看出,点列图在0视场、0. 5视场和0.7视场分别为19μm、69μm和106μm。红外探测器的可分辨的像元素尺寸大小为90μm,因此符合要求。从 图6可以看出,该系统的0视场的波像差为0. 07λ,小于中心波长的1/4倍。该系统的遮光比为3. 06%,这样的渐晕是允许的,并不会引起接收面上光能的明显不均匀。该系统的总体性能达到设计要求,其视场4°,口径为240mm,焦距为270mm,总长为188mm。
6 实验结果
将拍摄的实际图像(如图7所示)输入新型联合变换相关器,先后进行了两次傅里叶变换,第一次变换后得到联合变换功率谱(如图8所示),再经第二次傅里叶变换获得一对相关输出(如图9所示),实现了相关探测
7 结 论
本文所设计的坦克观测跟踪光学系统,在结构上提出了一种新型的折反式结构,用球面反射镜取代卡塞格林系统中的非球面主次镜,用折射透镜补偿剩余像差,增大了视场;不存在卡塞格林系统因有非球面主次镜而产题,该系统结构紧凑,口径大,焦距长,分辨率高,各视场能获得接近衍射极限的成像质量。满足联合变换相关器坦克目标跟踪识别光学系统的要求。
参考文献
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作者简介
郎琪, 2006年于长春理工大学获得学士学位,现为长春理工大学硕士研究生,主要研究方向为现代光学测试技术和光学设计。E-mai:l wendyqiq@i 126. com
