第３４卷第１期 ２０１１年３月 长春理工大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＣｈａｎｇｃｈｕｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ ＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ） Ｖｏ１．３４ ＮＯ．１ Ｍａｒ．２Ｏｌｌ 车载近红外变焦距光学系统设计 刘波，向阳，刘畅 （长春理工大学光电工程院，长春１３００２２） 摘要：为了增加汽车驾驶员夜间的观察距离，可以采用近红外光源配合成像光学系统的方案。本文针对此种方案 设计了具有６倍变焦功能，工作波段７５０～９００ｎｍ的近红外成像光学系统。设计过程中求取了高斯解，进行了像差 校正，取得了较为合理的设计结果。并给出了该变焦距光学系统的凸轮曲线。 关键词：近红外；６倍变焦；高斯解；凸轮曲线 中图分类号：ＴＰ２４９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２－９８７０（２０１１）０１－００３４－０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｎｅａｒ－ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｚｏｏｍ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ＬＩＵＢｏ，ＸＩＡＮＧＹａｎｇ，ＬＩＵＣｈａｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｏｐｏ—Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １ ３００２２） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ｎｅａｒ－ｉｎｆｒａｒｅｄ ｌａｍｐ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｈｅｌｐ ｔｈｅ ｄｒｉｖｅｒ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｖｉｅｗｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ ａｔ ｎｉｇｈｔ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｉｓ ｐｒｏｇｒａｍ，ａ ＺＯＯｌｎ（６ｘ）ｎｅａｒ－ｉｎｆｒａｒｅｄ（７５０ｎｍ－９００ｎｍ）ｉｍａｇｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａ ｐｒｏｐｅｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｉｎ ｗｈｉｃｈ ａ Ｇａｕｓｓｉａｎ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｓ ｓｏｌｖｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ ｉｓ ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ．Ｔｈｅ ｃａｍ ｃｕｒｖｅ ｏｆｔｈｉｓ ｚｏｏｍ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｌｓｏ ｇｉｖｅｎ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｎｅａｒ－ｉｎｆｒａｒｅｄ；ｚｏｏｍ（６ｘ）：Ｇａｕｓｓｉａｎ ｓｏｌｕｔｉｏｎ；ｃａｍ ｃｕｒｖｅ 汽车在夜间行驶过程中，主要靠车灯的主动照 ｝｛ＪＩＩ提供视觉。由于车灯的照明距离有限，驾驶人员 能够观察到的最远距离为１ ５０米左右。如果汽车在 高速行驶过程中，或周同环境较危险的状态下．１５０ 水远的视野并不能满足驾驶人员的要求。因此采用 人功率近红外光源配合星光级别ＣＣＤ的方案，为 驾驶员提供一较远的辅助视野。驾驶人员能够通过 成像光学系统接收从物体反射或物体自发辐射 的近红外光，成像在ＣＣＤ上。使用变焦距光学系 统的优点在于：一是利用小视场可以识别出远距离 上的目标，如人、动物、车辆等；二是利用大视场 可以观察较远距离上的环境情况，如道路修复、交 通拥堵等。连续变焦可以为驾驶人员根据距离不同 而选择顺畅变换的视野。 该系统观察远距离上的目标及周同的环境情况，探 洲和识别潜在的威胁，其原理如图１所示。 红外线＋星光级别ＣＣＤ １ 变焦距光学系统指标的确定 １．１ 工作波长 光学系统工作波长限定在近红外线灯的工作波 近光灯 远光灯 长，范围为７５０～９００ｎｍ，中心波长８５０ｎｍ。 １．２像方Ｆ数 距离＝９０米 距离＝ｌ５Ｏ米 图１ 车载近红外辅助视野原理图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ ｎｅａｒ—ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｖｉｅｗ 对于夜间成像的光学系统，要求具有较大的通 光口径和相对孔径，以获得大的像面照度．收集更 收稿日期：２０１０—１ｌ—Ｏ５ 作者简介：刘波（１９８６－），男，硕土研究生，主要从事现代比学技术的研究，Ｅ－ｍａｉｌ：１ｉｕｂｏ４２７９２９０＠ｓｉｎａ ｃｏｍ。 通讯作者：向阳（１９６８一），男，教授．主要从事光学工程、生物医学工程的研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｙｃｉｏｍ＠１６３．ｃｏｒｎ。 长春理工大学学报（自然科学版） 鞋～～ 厂］ ｝；｝醑 ～． 辱革 雾霎耋陛 二 ＼『／ 蒜 Ｈ｛ ；；；鼎一 ｕ （Ｂ）中焦 （Ｃ）短焦 （Ａ）长焦 图４光学系统结构图 （Ａ）长焦 （Ｂ）中焦 图５光学系统传递函数曲线 （Ｃ）短焦 图６能量集中度曲线 Ｆｉｇ．６ Ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｄｅｇｒｅｅ ｍｍ）处，其中心视场ＭＴＦ值全部高于０．７５，边缘 视场ＭＴＦ值都高于０．５，具有很好的近红外图像传 递性能。 用能量集中度对光学系统进行评价，其能量集 中度曲线如图６所示。 由能量集中度曲线可知，在像素处能量集中度 都达到了９０％以上，完全满足探测器要求。 通过以上像质评价看出，该近红外变焦距光学 系统是能够满足指标要求的。 图７变焦距光学系统焦距一位移曲线 Ｆｉｇ．７ Ｆｏｃａｌ—ｓｈｉｆｔ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｚｏｏｍ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ６结论 本文设计的６倍变焦距光学系统具有较高的像 质，对应的凸轮曲线平滑、压力角小，可以较容易 ５凸轮曲线的分析 对光学系统进行优化后，可以分别得到变倍红 的实现变焦。综合分析表明，该变焦距光学系统的 设计是可行的。 参考文献 ［１］陶纯堪．变焦距光学系统变焦方程［Ｊ］＿科学通报，１９７７， ２２（４，５）：２０７－２１３． 与补偿组在不同焦距时的位移量。将变倍组与补偿 组的位移量与所对应焦距的关系拟合成焦距一位移曲 线，就得到实际应用时的凸轮曲线，如图７所示： 从曲线中可以看出，补偿组位移曲线与变倍组 位移曲线都比较平滑，没有出现明显的跳动点。鼹 支曲线对应的曲率较小，即凸轮的压力角小，可 ［２］张敬贤，李玉丹，金伟其．微光与红外成像技术［Ｍ］．北京： 北京理工大学出版社，１９９５． 保证凸轮比较平滑、顺畅的转动。因此利用凸轮机 构来实现该变焦过程是合理的、可行的。 ［３］张以谟．应用光学［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８７． ［４］Ｃｏｏｋ，Ｇ Ｈ Ｌａｕｒｅｎｔ Ｆ Ｒ．Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅｓ ｏｆｖａｒｉａｂｌｅ ｆｏｃａｌ ｌｅｎｇｔｈ ［Ｐ］．ＵＳ Ｐａｔｅｎｔ，１９７２：３６８２５３４．
