Athermalization of Infrared Zoom Optical System with Large Relative Aperture
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摘要: 随环境温度变化红外镜头会产生热离焦现象，一般定焦红外光学系统可通过多种红外材料组合或引入衍射面来实现光学被动式无热化设计，而变焦红外光学系统大多是通过移动透镜组来实现机械主动式无热化设计。文中根据光学变焦原理和光学被动式无热化原理，提出一种变焦光学被动式无热化设计方法，并采用该方法设计了一种大相对孔径双视场无热化长波红外光学系统。该系统焦距为25/50 mm（变倍比为2:1），工作波段为8~12 μm，F数为0.9，可匹配640×512，像元为17 μm×17 μm的非制冷红外焦平面阵列探测器。光学设计中采用3种红外光学材料（硫系玻璃HWS6、硒化锌和锗）组合，并引入3个偶次非球面，实现变焦无热化设计。设计结果表明：该系统在宽温度范围内具有良好的成像效果和温度自适应性，在空间频率30 lp/mm处，-50℃~80℃温度范围内各视场MTF均大于0.3。该红外光学系统结构简单、工艺良好，在红外车载领域有着广泛应用前景。Abstract: As the ambient temperature changes, the thermal defocus of optical lenses occurs in infrared lenses. The passive thermal design of an infrared prime lens can be realized by the combination of infrared materials and the introduction of a diffraction surface. However, most infrared zoom lenses are designed using active mechanical compensation. In this study, a passive athermalization design method for zoom optics is proposed based on the principles of zoom optical system and passive optical athermalization, and a long-wave infrared athermalization lens with a large relative aperture and dual field of view is achieved using this method. The focal length was 25/50 mm (with 2 zoom ratio), the wavelength band was 8–12μm, and the F number is 0.9. The system was based on a 640×512 uncooled infrared focal plane detector with a pixel size of 17 μm×17 μm. Three LWIR materials were used in the system, namely Ge, ZnSe, and HWS6, and three high-order aspheric surfaces were introduced to realize the athermalization zoom design. The final design exhibits good imaging quality and temperature applicability over a wide temperature range. In the temperature range of -50℃ to 80℃, the MTF is greater than 0.3 at 30 lp/mm. The system structure is simple, has good usability, and has broad application prospects in the field of infrared vehicles.
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0. 引言
随着国内中高空无人机的快速发展，对光电侦察吊舱侦察距离、稳像精度和侦察效率提出了更高的要求。在光电侦察吊舱内框空间尺寸有限的条件下，对集成的光电成像传感器空间尺寸提出更高的要求。具有长焦距、摄远比高和易装调的特点的同轴折反射式共光路成像组件成为首选。
参考文献[1-2]较为详细地论述了光路中入射光线通过45°快反镜反射后，入射光线和反射光线在方位和俯仰两个方向的角度关系。参考文献[3]详细论述了扫描图像拼接问题，使用SIFT等算法实现全自动图像拼接，具有很好的鲁棒性和拼接能力。参考文献[4]论述了反射镜光路特性和基于半角机构的反射镜光学稳定原理。参考文献[5]主要论述了两种音圈电机驱动型快速控制反射镜的结构、组成、工作原理和关键技术，提出了新型副球面支撑式结构的快反系统机械结构。参考文献[6]主要论述了两种波段折返式共光路的设计原理和无色差的处理方法。
文中详细论述了光电侦察吊舱的陀螺稳定平台集成带快反镜的共光路成像组件，快反镜转动轴和平台陀螺敏感轴全捷联的结构布局；详细计算了共光路的45°快反镜两维转动的角度与平台方位和俯仰转动的角度解耦合的关系，基于该角度关系利用光路中的快反镜有效补偿一级陀螺整体稳像的残差的复合轴稳像的关键技术；详细论述和计算了在探测器积分时间内平台扫描搜索时，快反镜进行回扫补偿清晰成像的关键技术；进一步提升了光电侦察吊舱的稳像精度和侦察的效率。
1. 系统组成及工作原理
光电转塔的陀螺稳定平台内框架承载了双光共光路成像组件与伺服控制组件等。双光共光路成像组件采用卡赛格林同轴折反式光学系统[6]，光线经过主反射镜后，向前反射到次反射镜上，经次反射镜向后反射，进入后向光路。在后向光路中，光线先被二维快反镜向上反射，到达分光棱镜，分别到达中波红外探测器成像，和可见光CMOS成像。其中快反镜通过固定的基座安装在共光路中，快反镜的安装面与内框架方位轴呈45°夹角，从而快反镜两个转动轴与安装在一级稳定平台的方位和俯仰方向的陀螺的敏感轴存在一定夹角，为全捷联式，如图 1所示。
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图 1 集成共光路成像组件的两轴陀螺稳定平台框图Figure 1. Block diagram of a two-axis gyro-stabilizedPlatform with integrated common-optical path imaging components在光电转塔惯性态下，需要将一级稳定残余误差经过坐标转换解算出快反镜偏转的角度，同步及时进行角度补偿实现复合轴稳定控制。在光电转塔扫描搜索状态下，光路中快反镜基于积分信号基准时序实现每一视场内的场景回扫补偿，使得一个视场内场景图像在探测器件积分时间内相对于探测器件本身保持静止，消除扫描搜索时图像“拖尾”现象，实现凝视回扫补偿，保证了扫描搜索时共光路成像组件清晰成像。
为了实现在同一帧图像内，快反镜同时进行复合轴控制和回扫补偿，以成像光电传感器的积分时间为基准时序，进行分时段控制。即在探测器积分时间之前进行快反镜加速，积分时间内进行线性回扫补偿，积分时间结束后进行减速、复位归零；快反镜回扫补偿结束后，同一帧图像时间内的剩余时间进行采集一级陀螺稳定平台残余误差，经过坐标转换解算出快反镜偏转的角度，同步及时进行角度补偿实现复合轴稳定控制，从而在同一帧图像内快反镜同时实现了复合轴控制和回扫补偿，工作时序如图 2所示。
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图 2 快反镜（FSM）在一帧图像时间内同时进行复合轴控制和回扫补偿时序框图Figure 2. The Fast Mirror(FSM) simultaneously performs composite axis control and flyback compensation timing block diagram in one frame of image time1.1 复合轴稳像原理分析
在惯性状态下，对传统的两轴四框架结构形式的陀螺稳定平台进行一级稳定。一级陀螺稳定平台的方位和俯仰两个稳定轴，每个轴装有驱动电机和角速率陀螺传感器，能够实现对扰动的初步隔离。通过安置在需要精确稳定的光学通道中的快反镜，对敏感一级陀螺稳定平台的运动误差进行补偿，实现复合轴稳像。
具体实现策略是实时采集一级平台的陀螺残差值并进行积分，按照对应角度关系控制快反镜在方位和俯仰两个方向进行角度偏转；充分利用快反镜高带宽和高分辨率的特点，使得快反镜与一级稳定平台作同步角度补偿，相对一级稳定平台进行第二级精确稳定，控制原理框图如图 3所示[2]。
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图 3 快反镜（FSM）复合轴稳像的基本原理框图Figure 3. Block diagram of the basic principle of fast mirror (FSM) composite axis stabilization image图 3中：ωi为输入角速度；F(s)为惯性校正函数；M(s)为电机传递函数；L(s)为负载传递函数；gyro为陀螺；θ1为光电平台指向角度；θ2为快反镜角度；θLOS为传感器视轴指向角度；T为坐标转换；λ为光学系数；FSM为快反镜角度。
1.2 快反镜角度反向回扫控制分析
在光电转塔方位或俯仰扫描搜索状态下，稳定平台处于惯性态，并依据收到的扫描指令速度值和扫描幅值进行连续扫描。以共光路集成的红外探测器的积分信号为基准时序，快反镜进行反向回扫控制，分别进行加速、扫描补偿、减速、复位归零，消除平台扫描搜索时图像产生的“拖尾”现象。后端图像处理接收到伺服控制发送的标识后进行图像采集、存储和图像拼接等处理。其工作时序如图 4所示。
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图 4 快反镜（FSM）回扫补偿时序示意图Figure 4. Schematic diagram of the fast mirror(FSM)flyback compensation timing2. 关键参数分析
2.1 捷联式快反镜角度解析
由于共光路成像组件中快反镜的动作机构轴上没有安装陀螺，且其转动轴与一级稳定平台的陀螺的敏感轴不平行，因而为全捷联方式。快反镜的二级稳定需要将一级稳定残余误差经过坐标转换解算出其偏转的角度，实现复合轴稳定控制。快反镜的建立坐标系和转换过程如下所示[1]。
[OXYZ]s为光电转塔光轴指向坐标系；
[OXYZ]k为快反镜（FSM）框架坐标系；
[OXYZ]m为快反镜（FSM）镜面坐标系；
[OXYZ]v为光电成像传感器成像坐标系。
其示意图如图 5所示。
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图 5 共光路成像组件坐标系简化图Figure 5. Simplified coordinate system of common-optical path imaging component光电转塔光线指向坐标系下有：
1）入射光线
$$ \vec r = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1 \\ 0 \\ 0 \end{array}} \right] $$ (1) 2）快反镜的法线
$$ {{\boldsymbol{N }}_s} = \left[ \begin{gathered} {N_{xs}} \hfill \\ {N_{ys}} \hfill \\ {N_{zs}} \hfill \\ \end{gathered} \right] = {R_{45}} \cdot {R_Z} \cdot {R_Y} \cdot {N_m} = \frac{{\sqrt 2 }}{2}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos \alpha \cos\beta + \sin\beta } \\ {\sqrt 2 (\sin \alpha \cos\beta )} \\ {\cos \alpha \cos\beta - \sin\beta } \end{array}} \right] $$ (2) 3）反射矩阵
$$ {\boldsymbol{R }} = {\boldsymbol{E }} - 2{{\boldsymbol{ N}}_s}{\boldsymbol{N }}_s^{\text{T}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {1 - {{\left( {\cos \alpha \cos \beta + \sin \beta } \right)}^2}}&{ - \sqrt 2 \sin \alpha \cos \beta \left( {\cos \alpha \cos \beta + \sin \beta } \right)}&{{{\sin }^2}\beta - {{\cos }^2}\alpha {{\cos }^2}\beta } \\ { - \sqrt 2 \sin \alpha \cos \beta \left( {\cos \alpha \cos \beta + \sin \beta } \right)}&{1 - 2{{\sin }^2}\alpha {{\cos }^2}\beta }&{\sqrt 2 \sin \alpha \cos \beta \left( {\sin \beta - \cos \alpha \cos \beta } \right)} \\ {{{\sin }^2}\beta - {{\cos }^2}\alpha {{\cos }^2}\beta }&{\sqrt 2 \sin \alpha \cos \beta \left( {\sin \beta - \cos \alpha \cos \beta } \right)}&{1 - {{\left( {\cos \alpha \cos \beta - \sin \beta } \right)}^2}} \end{array}} \right] $$ (3) 4）反射光线
$$ \vec r = {\boldsymbol{ R}} \cdot \vec r = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {1 - {{\left( {\cos \alpha \cos \beta + \sin \beta } \right)}^2}} \\ { - \sqrt 2 \sin \alpha \cos \beta \left( {\cos \alpha \cos \beta + \sin \beta } \right)} \\ {{{\sin }^2}\beta - {{\cos }^2}\alpha {{\cos }^2}\beta } \end{array}} \right] $$ (4) 5）反射光线在光电成像传感器成像坐标系下的坐标为：
$$ {\boldsymbol{S }} = {{\boldsymbol{R }}_{Yv}} \cdot r' = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{{\cos }^2}\alpha {{\cos }^2}\beta - {{\sin }^2}\beta } \\ { - \sqrt 2 \sin \alpha \cos \beta \left( {\cos \alpha \cos \beta + \sin \beta } \right)} \\ {1 - {{\left( {\cos \alpha \cos \beta + \sin \beta } \right)}^2}} \end{array}} \right] $$ (5) 快反镜动作机构轴的角度与光电转塔转动角度关系如图 6所示。
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图 6 快反镜（FSM）动作机构轴的角度与光电转塔转动角度示意图Figure 6. The axis of the fast mirror(FSM) action mechanism and the rotation of the photoelectric turret6）快反镜方位方向的偏角
$$ \tan {\theta _x} = \frac{y}{x} \approx - \sqrt 2 \tan \alpha ,\quad {\theta _x} \approx - \sqrt 2 \alpha $$ (6) 7）快反镜俯仰方向的偏角：
$$ \tan {\theta _y} = \frac{z}{x} \approx - \tan 2\beta ,\quad {\theta _y} \approx - 2\beta $$ (7) 8）同时考虑到快反镜在共光路光路中安装位置存在一定的光学放大系数λ，那么快反镜偏转角度与光轴指向偏转角度的关系为：
$$ \alpha = \frac{\lambda }{{\sqrt 2 }}{\theta _x},\quad \beta = \frac{\lambda }{2}{\theta _y} $$ (8) 式中：θx、θy为光电转塔视轴的方位角度和俯仰角度；α、β为快反镜偏转的方位角度和俯仰角度。
2.2 快反镜复合轴控制解析
在陀螺稳定平台惯性状态下，分别对一级陀螺稳定平台的方位和俯仰轴的陀螺残差进行积分，按照上述(8)式偏转的角度大小关系进行快速同步调整，同时需要考虑快反镜转动方向和一级陀螺稳定平台转动方向关系来决定同步偏转角度的正负值。
光电转塔在实验室进行了两轴摇摆稳定精度测试。试验条件为3 m的平行光管，直径为0.1 mm的光点；两轴电动摇摆台以0.5 Hz、5°两轴复合摇摆，光电总调仪实时采集光电转塔工作在惯性状态下可见光的成像光点，进行稳定精度测试。测得一级稳定方位精度为18.9 μrad，快反镜参与稳定二级方位轴稳定精度为5.5 μrad；一级稳定俯仰精度为22.2 μrad，快反镜参与稳定二级俯仰轴稳定精度为4.3 μrad，稳定精度提升了4~5倍，如图 7所示。
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图 7 一级和二级稳定精度测试值示意图Figure 7. Schematic diagram of the test values of primary and secondary stability accuracy2.3 快反镜回扫补偿解析
在扫描搜索状态下，光电转塔按照预定的搜索方式分别进行方位和俯仰方向扫描。光电转塔最大扫描的角速度大小应根据共光路成像组件内成像光电传感器的视场、成像光电传感器的帧频、成像光电传感器探测器的积分时间和快反镜线性角速度的性能分析计算来确定。
由于系统中1 K中波红外探测积分时间远大于可见光的曝光时间，从而以共光路成像组件中波红外进行分析。设定共光路成像组件中波红外视场为1.6°×1.2°，帧频为25 Hz，探测器积分时间为12 ms，光学放大系数λ为6倍进行分析，快反镜线性补偿的角度最大为51°/s，从而分析光电转塔最大的旋转角速度。
在红外探测器积分时间内，光电转塔方位旋转的角速度为12°/s时，扫描的角度范围为0.144°。快反镜方位补偿的角度为0.144°×6×1/1.414＝0.611°，补偿的角速度为0.611°/0.012＝51°/s。（由于每次扫描的角度范围远小于单视场的角度范围，所以不考虑单视场大小的因素。）
同理，在红外探测器积分时间内，光电转塔俯仰扫描速度为17°/s时，扫描的角度范围为0.204°。快反镜俯仰补偿的角度为0.204°×6×1/2＝0.612°，补偿的角速度为0.612°×0.012＝51°/s。
试验得出平台方位以12.8°/s速度扫描快反镜反向回扫开/关时中波红外图像效果，如图 8所示。
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图 8 平台扫描时快反镜（FSM）开/关的图像Figure 8. Image of the fast mirror (FSM) on/off during platform scaning3. 结论
在光电侦察吊舱共光路成像组件中快反镜旋转轴与一级陀螺稳定平台安装的陀螺敏感轴全捷联的情况下，创新实现了在一帧图像时间内同时实现了复合轴控制和回扫补偿控制的功能。重点分析了快反镜实现复合轴稳像角度解耦坐标系转换过程，相应的回扫补偿的工作时序，中波红外探测器积分时间内快反镜回扫补偿角速度计算。该关键技术已在某工程产品中得到充分验证，且效果良好。结果证明，利用共光路成像组件中快反镜在一帧图像时间内有效实现了高精度复合轴稳像和回扫补偿清晰成像。
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表 1 光学设计参数
Table 1 Optical design parameters
Wavelength range 8~12 μm Efficient focal length 25/50mm F number 0.9 Field of view 31.16°/15.87° Image size(diagonal) 13.93 mm Temperature range -50℃ to + 80℃ 
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表 2 长焦和短焦的像面热离焦量
Table 2 Thermal defocus of long and short focal
μm 20℃ -50℃ +80℃ Wide field 0 -12.26 -2.16 Narrow field 7.48 -11.15 10.64
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表 3 无热化后-50℃~+80℃弥散斑均方根半径
Table 3 Spot diagram during -50℃ to +80℃ after athermalized
μm 20℃ -50℃ +80℃ 25 mm 0° 6.083 4.772 7.618 22° 11.482 9.878 13.481 31.2° 9.862 10.658 11.117 50 mm 0° 5.922 6.153 6.577 11.2° 8.402 8.018 9.538 15.9° 11.554 13.797 10.474
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[1] 葛琳琳, 王世先, 张瑞, 等. 基于硫系玻璃的光学被动式红外无热化镜头设计[J]. 红外, 2020, 41(2): 7-12. DOI: 10.3969/j.issn.1672-8785.2020.02.002 GE Linlin, WANG Shixian, ZHANG Rui, et al. Design of optical passive infrared non-thermal lens based on chalcogenide glass[J]. Infrared, 2020, 41(2): 7-12. DOI: 10.3969/j.issn.1672-8785.2020.02.002
[2] 王静, 吴越豪, 戴世勋, 等. 硫系玻璃在长波红外无热化连续变焦广角镜头设计中的应用[J]. 红外与激光工程, 2018, 47(3): 156-162. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HWYJ201803022.htm WANG Jing, WU Yuehao, DAI Shixun, et al. Application of chalcogenide glass in designing a long-wave infrared athermalized continuous zoom wide-angle lens[J]. Infrared and Laser Engineering, 2018, 47(3): 156-162. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HWYJ201803022.htm
[3] 白瑜, 廖志远, 李华, 等. 硫系玻璃在现代红外热成像系统中的应用[J]. 中国光学, 2014, 7(3): 449-455. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGGA201403014.htm BAI Yu, LIAO Zhiyuan, LI Hua, et al. Application of the chalcogenide glass in modern infrared thermal imaging systems[J]. Chinese Optics, 2014, 7(3): 449-455. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGGA201403014.htm
[4] 赵延, 邓键, 于德志, 等. 光学被动消热差的长波红外双视场光学系统设计[J]. 红外与激光工程, 2014, 43(5): 1545-1548. DOI: 10.3969/j.issn.1007-2276.2014.05.035 ZHAO Yan, DENG Jian, YU Dezhi, et al. Design of dual field-of-view optical system in long wave infrared with optical passive athermalization[J]. Infrared and Laser Engineering, 2014, 43(5): 1545-1548. DOI: 10.3969/j.issn.1007-2276.2014.05.035
[5] 陈建发, 王合龙. 双视场长波红外光学系统无热化设计[J]. 激光与光电子学进展, 2013, 50(6): 129-133. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JGDJ201306023.htm CHEN Jianfa, WANG Helong. Athermalization design of dual-field-of-view long wavelength infrared optical system[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2013, 50(6): 129-133. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JGDJ201306023.htm
[6] 邓键, 童卫红, 安晓强, 等. 双视场红外变焦镜头的无热化研究[J]. 应用光学, 2011, 32(1): 133-137. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YYGX201101032.htm DENG Jian, TONG Weihong, AN Xiaoqiang, et al. Athermalization of infrared zoom system[J]. Journal of Applied Optics, 2011, 32(1): 133-137. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YYGX201101032.htm
[7] LI S H, YANG C C. Optical passive athermalization for infrared zoom system[C]//Proc. of SPIE, 2007, 67224E: 1-8.
[8] 王文生. 现代光学系统设计[M]. 北京: 国防工业出版社, 2016: 106-110. WANG Wensheng. Contemporary Optical System Design[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2016: 106-110.
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期刊类型引用(4)
1. 曹一青，沈志娟. 长波红外大孔径长焦距无热化光学系统设计. 光子学报. 2024(03): 121-129 . 
百度学术
2. 范晨，刘钧，高明，吕宏. 六边形环带排布的共光路复眼光学系统设计. 中国光学(中英文). 2023(01): 158-173 . 百度学术
3. 党更明，高明，范晨，陈阳. 红外双波段共焦复合孔径光学系统设计. 光学学报. 2023(08): 321-334 . 百度学术
4. 党更明，高明，吕宏. 双波段共口径连续变焦光学系统设计. 西安工业大学学报. 2022(06): 578-587 . 百度学术
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