用于下一代热成像应用的 先进红外联系变焦镜头

用于下一代热成像应用的 先进红外联系变焦镜头

摘要: 在本文中我们回顾了红外变焦镜头的最新进 展,这些镜头可满足对减小尺寸、重量和功率 (SWaP) 的挑战性要求,同时能够在恶劣的环境条件 下以及在机载和便携式系统等受限平台上,实现高 的成像性能。描述了为下一代红外热成像系统和应 用优化的高级折叠式光学镜头和轻量级连续变焦镜 头的设计考量和性能。

1. 简介
红外成像应用的发展日新月异,不断向着尺寸小、重 量轻和功率低 (SWaP) 的方向发展。尤其是手持式热 成像仪 (HHTI)、无人机和小型云台等应用对体积小巧、 重量轻、功耗低的高性能红外热成像系统的需求越来 越大。虽然探测器的进步可以提高成像性能,但如果 没有红外光学镜头质量的相应配套发展,整个红外系 统性能也很难提高。即在尺寸受限系统中,即使采用 最好的探测器,镜头质量在决定成像性能方面仍起着 重要作用。设计和制造出紧凑轻巧,性能优异的镜头 的重担就落在了光学制造商身上:需要在整个变焦范 围内都有清晰的图像;接近衍射极限的 MTF。在这种 情况下,需要运用各种技术来满足这些光学需求,包 括创新的光机械设计[1]、 特殊材料[2,3]以及自由曲面光学设计[4]。在本文中我们 分别基于独特的折叠式光学镜头和轻量化光学镜头,展 示了两个具有SwaP特性的红外连续变焦镜头,其适用 于下一代红外制冷探测器和受限平台的热成像应用。

2. 连续变焦镜头 SWaP 设计
下面介绍两个用于中波制冷红外探测器的 SWaP 变焦 镜头的例子。第一个是 16-180mm f/3.6 连续变焦镜头, 采用折叠式光学配置,适用于配备 10μm 像元尺寸制 冷探测器。第二个 SWaP 例子是 20-275mm f/5.5 连续 变焦镜头,采用独特的轻量级光机设计,适用于无人 机载荷和手持便携式设备的应用。

2.1. 折叠式光学 16-180mm f/3.6 变焦镜头设计
图 1(a) 展示了 16-180mm f/3.6 变焦镜头的光机布 局和图片,该变焦镜头针对中波红外 10μm 像元尺 寸探测器进行优化设计。


图 1:折叠式光学 16-180mm f/3.6 变焦镜头——(a) 光机布局和图片,(b) MTF 特性

折叠式光学设计可以有较长光程,从而降低了对公差的敏感度,同时我们能够生产具有高精度的非球面和衍射面,包括光轴稳定性和减了少光学元件的使用数量。

图 1(b) 将 MTF 结果显示为宽窄视场角 16-180mm 折叠设计的空间频率函数,说明该设计获得接近衍射极限性能的能力。可以看出,这种设计的高 MTF 性能在整个区域都得到了保持,甚至在角落里性能也超出了合理范围。

2.2. 轻量级 20-275mm f/5.5 变焦镜头设计
20-275mm f/5.5 轻量级变焦镜头的光机械布局和图片如图 2(a) 所示。创新型光机设计仅有 264 克,与我们传统的 19-275 mm 镜头相比,减少了约 40%。尽管存在各种富有挑战性的 SWaP 限制条件,但先进的轻量级设计在整个区域内实现了很高的 MTF 值,如图 2(b) 所示。此外,先进材料的选择实现了独特的无热化,可以让镜头在 -35°C 至 +65°C 工作温度范围内 保持最佳性能。


图 2:轻量级 20-275mm f/5.5 变焦镜头——(a) 光机布局和图片,(b) MTF 特性

这种镜头的特性使镜头在一定尺寸和重量下具有较大的 变焦范围。例如,与 23mK NETD,15μm 像元尺寸探 测器集成(基于 FLIR92 模型计算)时,一辆 2.3m 长汽 车的探测范围大约为 15 公里。据我们所知,这是当今 市场上最小最轻的连续变焦镜头,可在恶劣环境条件下 和受限平台上实现先进红外热成像系统的高性能。

3. 结论
我们成功设计和应用了SWaP型的先进红外变焦镜头, 该镜头基于独特的折叠式光学设计,适用于 10μm 像元 尺寸尺寸,轻量级光学机械概念使镜头重量减少了 40% 以上。对于两种镜头,我们已经证明了 MTF 性能接近 衍射极限,镜头具有在恶劣环境条件下和受限平台上实 现高分辨率图像和识别的能力。此类变焦镜头为下一代 UAV、HHTI 和小型云台热成像应用带来了新的机会。

参考文献

  1. J.L. Ramsey et al., “Experimental verification of a MWIR/LWIR 3x continuous zoom lens”, Proc. SPIE 10998, 109980M1-6 (2019).
  2. G. Beadie et al., “Temperature-dependent dispersion fitting for a recent infrared glass catalog”, Proc. SPIE 10998, 10998041-6 (2019).
  3. D. Gibson et al., “Multispectral IR optics and GRIN”, Proc. SPIE 10998, 109980D1-10 (2019).
  4. S. Szapiel et al., “Freeform based lateral-shift compact zoom system: theory and computer simulations”, Proc. SPIE 10627, Advanced Optics for Defense Applications: UV through LWIR III, 1062707 (May 2018).

by Kobi (Jacob) Lasri
Ophir Optronics Solutions Ltd., MKS Instruments

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