一種高性能雙視場長波紅外光學(xué)系統(tǒng)

何紅星，趙勁松，唐 晗，徐參軍，陶 亮，康麗珠

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一種高性能雙視場長波紅外光學(xué)系統(tǒng)

何紅星，趙勁松，唐 晗，徐參軍，陶 亮，康麗珠

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

設(shè)計(jì)了一款高性能的緊湊型雙視場長波紅外光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)由前固定組、變倍調(diào)焦組、后固定組、中繼組組成。采用機(jī)械補(bǔ)償變焦方式、光瞳匹配技術(shù)、二次成像和二次折疊，有效地對光學(xué)系統(tǒng)縱向和橫向尺寸進(jìn)行了約束，外形包絡(luò)在220mm×95mm（局部135mm）×50mm（局部110mm）范圍內(nèi)，系統(tǒng)緊湊，體積小。通過光學(xué)和結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)選搭配及光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化配置，在－40℃～70℃范圍內(nèi)，控制了光學(xué)系統(tǒng)熱差，光學(xué)系統(tǒng)光軸穩(wěn)定，小視場光軸穩(wěn)定性＜0.04mrad，大/小視場轉(zhuǎn)換光軸平行性＜0.1mrad；應(yīng)用該光學(xué)系統(tǒng)的熱像儀性能高，MRTD（3cyc/mrad）＝0.07K，NETD＝30mK。設(shè)計(jì)結(jié)果表明光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)良好，滿足熱像儀使用要求。

雙視場光學(xué)系統(tǒng)；長波紅外；機(jī)械補(bǔ)償；光瞳匹配

0 引言

紅外光學(xué)系統(tǒng)是紅外成像儀的重要組成部分，用于匯聚紅外輻射能量并把紅外輻射能量聚焦到焦面上，通過探測器的光電轉(zhuǎn)換和后續(xù)圖像處理實(shí)現(xiàn)對景物目標(biāo)的成像；紅外光學(xué)系統(tǒng)還具有變倍調(diào)焦和熱補(bǔ)償功能。單視場紅外光學(xué)系統(tǒng)難以滿足不同作用距離的需求，雙視場紅外光學(xué)系統(tǒng)具有大小兩個(gè)不同視場，大視場可用于大范圍搜索目標(biāo)，小視場可用于對目標(biāo)進(jìn)行識別與跟蹤，因而在現(xiàn)代紅外光學(xué)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。

應(yīng)用于觀瞄系統(tǒng)的中等級別熱像儀越來越迫切地要求光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、透過率高、容易裝調(diào)、性能高，同時(shí)要求熱像儀在滿足功能和性能的前提下，整機(jī)尺寸要盡可能小、重量輕。目前，國產(chǎn)或進(jìn)口的熱像儀包括6片透鏡、1個(gè)掃描鏡、2個(gè)反射鏡，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)立體空間折疊180°，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大（外形包絡(luò)：245mm×202mm×117mm）、光學(xué)透過率低、不易裝調(diào)。

基于上述現(xiàn)狀，有必要尋求一種新型的光學(xué)系統(tǒng)，以克服當(dāng)前光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜、光學(xué)系統(tǒng)尺寸大、透過率低、不易裝調(diào)等問題，并提高性能。本文提出了一種高性能雙視場長波紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)結(jié)果。

1 光學(xué)系統(tǒng)方案

1.1 光學(xué)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)熱像儀整機(jī)的要求，光學(xué)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：①工作波段：長波紅外波段7.5mm～9.8mm；②視場：小視場1.7°×1.28°，大視場17°×12.8°；③F數(shù)：F#3；④探測器：制冷長波紅外384×288 FPA探測器，像元間距25mm；⑤畸變：小于2%，點(diǎn)列圖均方根彌散斑直徑與像元間距相當(dāng)，傳遞函數(shù)接近衍射極限；⑥外形：外形包絡(luò)在220mm×95mm（局部135mm）×50mm（局部110mm）范圍內(nèi)。

1.2 光學(xué)系統(tǒng)方案及實(shí)現(xiàn)方式

光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)方案如下：光學(xué)系統(tǒng)采用機(jī)械補(bǔ)償[5]變焦方式，采用光瞳匹配技術(shù)，采用二次成像，采用二次折疊方式，光學(xué)系統(tǒng)由前固定組（大物鏡）、變倍調(diào)焦補(bǔ)償組、后固定組、反射鏡一、視場光闌、反射鏡二、中繼組組成。前固定組、變倍調(diào)焦補(bǔ)償組、后固定組、中繼組分別由一片透鏡組成，光學(xué)系統(tǒng)只有4片透鏡和2片反射鏡，鏡片數(shù)量少，光學(xué)透過率高，達(dá)到90%；所述的雙視場為小視場1.7°×1.28°和大視場17°×12.8°。光學(xué)系統(tǒng)方案如圖1所示，變倍原理如圖2所示，采用單組元沿軸向運(yùn)動實(shí)現(xiàn)變倍補(bǔ)償，即通過改變變倍調(diào)焦補(bǔ)償組與前固定組和后固定組之間的間隔來實(shí)現(xiàn)變倍、調(diào)焦及補(bǔ)償，變倍調(diào)焦補(bǔ)償組通過驅(qū)動機(jī)構(gòu)沿軸向運(yùn)動位于A位置為小視場位置，在A位置前后移動實(shí)現(xiàn)小視場調(diào)焦和溫度補(bǔ)償，變倍調(diào)焦補(bǔ)償組通過驅(qū)動機(jī)構(gòu)沿軸向運(yùn)動位于B位置為大視場位置，在B位置前后移動實(shí)現(xiàn)大視場調(diào)焦和溫度補(bǔ)償。圖2中，變倍調(diào)焦補(bǔ)償組的位置（運(yùn)動曲線）由位置傳感器實(shí)時(shí)寄存在伺服電路寄存器中，伺服電路根據(jù)溫度傳感器的溫度值即時(shí)調(diào)整變倍調(diào)焦組到達(dá)對應(yīng)位置。在變倍過程中，合成焦距如圖3所示。

1 光學(xué)系統(tǒng)方案圖

圖2 光學(xué)系統(tǒng)變倍調(diào)焦補(bǔ)償示意圖

圖3 變焦距物鏡合成焦距示意圖

如圖3所示，依據(jù)近軸光學(xué)原理，變焦距物鏡3個(gè)透鏡的合成焦距為：

變焦距物鏡的合成焦距為前固定組焦距與其后各透鏡組垂軸放大率的乘積。在變焦距物鏡中，變倍比是最長焦距與最短焦距之比，也是初始位置各透鏡組垂軸放大率乘積與新位置各透鏡組垂軸放大率乘積之比，即：

式(2)也是A位置和B位置變倍組、后固定組垂軸放大率乘積之比，*2為B位置透鏡二垂軸放大率，*3為B位置透鏡三垂軸放大率。依據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求和式(1)、(2)及物像交換原則[5]可求解大小視場下變倍組的軸向位置。

變倍調(diào)焦補(bǔ)償組只有1片透鏡和1組伺服運(yùn)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動，該伺服運(yùn)動機(jī)構(gòu)控制變倍調(diào)焦補(bǔ)償組沿光軸方向運(yùn)動實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的變倍、調(diào)焦、熱補(bǔ)償功能。

前固定組材料為鍺，變倍調(diào)焦補(bǔ)償組材料為硒化鋅，后固定組材料為鍺，中繼組材料為鍺；反射鏡一、反射鏡二基底材料為鈦合金，反射鏡工作面生長一層0.4mm厚度的玻璃材料并經(jīng)過傳統(tǒng)拋光鍍膜等加工工藝制成。透鏡和反射鏡的加工工藝均為成熟工藝。

光學(xué)系統(tǒng)還設(shè)置有視場光闌（field stop）、冷光闌（cold stop）以及焦平面（FP）。視場光闌是一金屬的方孔，位于一次像面處，與探測器焦平面經(jīng)中繼組在一次像面處所成的像大小一致，用于消雜光；冷光闌是紅外探測器的杜瓦窗口，是一金屬的圓孔；焦平面是探測器的焦平面，也是光學(xué)系統(tǒng)的焦平面。

采用光瞳匹配技術(shù)，即光學(xué)系統(tǒng)入瞳與前固定組的位置和口徑一致，光學(xué)系統(tǒng)出瞳與冷光闌的位置和口徑一致。光學(xué)系統(tǒng)F數(shù)為3，采用二次成像方式，一次像面位于反射鏡一和反射鏡二之間，二次像面位于探測器的焦平面處，采用二次折疊方式，將兩塊45°放置的反射鏡設(shè)置在后固定組和中繼組之間，綜合應(yīng)用上述技術(shù)控制光學(xué)系統(tǒng)外形尺寸，平衡光學(xué)系統(tǒng)初級像差和高級像差，得到像質(zhì)良好的結(jié)果。

2 光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果及評價(jià)

2.1 光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

依據(jù)前述方案進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用初級像差理論[6]求解光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)參數(shù)[7]（球率半徑、材料和空氣間隔）。以設(shè)計(jì)的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)為起點(diǎn)，進(jìn)行像差平衡和校正，利用光學(xué)評價(jià)函數(shù)和各種優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)對光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[8]，使光學(xué)系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)滿足技術(shù)指標(biāo)要求。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果如圖4所示，光學(xué)系統(tǒng)前固定組為一正透鏡，變倍調(diào)焦補(bǔ)償組為一負(fù)透鏡，后固定組為一正透鏡，中繼組為一正透鏡，反射鏡一和反射鏡二均為平面反射鏡。在前固定組（大物鏡）處設(shè)置孔徑光闌，也是光學(xué)系統(tǒng)的入瞳，控制光學(xué)系統(tǒng)出瞳與探測器冷屏匹配，實(shí)現(xiàn)100%的冷屏效率。變倍調(diào)焦組在A位置時(shí)為小視場1.7°×1.28°，變倍調(diào)焦組在B位置時(shí)為大視場17°×12.8°，變倍比10×。光學(xué)系統(tǒng)變倍調(diào)焦簡單，行程短，行程小于30mm，可靠性高；通過對光學(xué)系統(tǒng)二次折疊，減小了體積，光學(xué)系統(tǒng)外形包絡(luò)在220mm×95mm（局部135mm）×50mm（局部110mm）范圍內(nèi)。通過光學(xué)和結(jié)構(gòu)材料的優(yōu)選搭配及光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化配置，在－40℃～70℃范圍內(nèi)，光學(xué)系統(tǒng)光軸穩(wěn)定，應(yīng)用該光學(xué)系統(tǒng)的熱像儀整機(jī)經(jīng)過高低溫環(huán)境試驗(yàn)和振動沖擊試驗(yàn)后靜態(tài)狀態(tài)下小視場光軸穩(wěn)定性0.03mrad，大/小視場轉(zhuǎn)換光軸平行性0.07mrad；應(yīng)用該光學(xué)系統(tǒng)的熱像儀性能高，MRTD（3cyc/mrad）＝0.07K，NETD＝30mK，對2.3m×2.3m坦克探測距離7.61km，識別距離5.32km。

圖4 雙視場長波紅外光學(xué)系統(tǒng)

2.2 光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評價(jià)

采用點(diǎn)列圖、傳遞函數(shù)MTF和光程差對光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)進(jìn)行評價(jià)。雙視場長波紅外光學(xué)系統(tǒng)分為小視場光學(xué)系統(tǒng)和大視場光學(xué)系統(tǒng)，常溫20℃條件下小視場光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖及傳遞函數(shù)如圖5(a)所示，均方根彌散斑半徑最大值為12.9mm，幾何彌散斑半徑最大值為50.49mm，滿足成像要求，在探測器截止頻率20lp/mm處系統(tǒng)傳遞函數(shù)值為0.28，接近衍射限，滿足成像要求，全視場畸變小于2%，滿足使用要求；常溫20℃條件下大視場光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖及傳遞函數(shù)如圖5(b)所示，均方根彌散斑半徑最大值為10.63mm，幾何彌散斑半徑最大值為28.98mm，滿足成像要求，在探測器截止頻率20lp/mm處系統(tǒng)傳遞函數(shù)值為0.3，接近衍射限，滿足成像要求。圖5(c)圖為小視場光學(xué)系統(tǒng)的場曲和畸變，圖5(d)圖為大視場光學(xué)系統(tǒng)的場曲和畸變，畸變小于2%，滿足要求；圖5(e)圖為小視場光學(xué)系統(tǒng)光程差，圖5(f)圖為小視場光學(xué)系統(tǒng)光程差，最大光程差小于0.5個(gè)中心波長，滿足要求。

低溫（－40℃）下光學(xué)系統(tǒng)MTF如圖6所示，高溫（＋70℃）下光學(xué)系統(tǒng)MTF如圖7所示。

圖5～圖7中，圖(a)為小視場光學(xué)系統(tǒng)MTF，圖(b)為大視場光學(xué)系統(tǒng)MTF，在探測器截止頻率20lp/mm處，光學(xué)系統(tǒng)MTF＞0.23，滿足要求。

圖6 －40℃雙視場光學(xué)系統(tǒng)MTF

圖7 70℃時(shí)雙視場光學(xué)系統(tǒng)MTF

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一個(gè)緊湊型雙視場長波紅外光學(xué)系統(tǒng)。采用機(jī)械補(bǔ)償變焦方式，采用光瞳匹配技術(shù)，采用二次成像，采用二次折疊，有效地對光學(xué)系統(tǒng)縱向和橫向尺寸進(jìn)行了約束，外形包絡(luò)在220mm×95mm（局部135mm）×50mm（局部110mm）范圍內(nèi)，系統(tǒng)緊湊，體積小；克服了當(dāng)前光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜、光學(xué)系統(tǒng)尺寸大、透過率低、不易裝調(diào)等問題；變倍調(diào)焦補(bǔ)償組只有一片透鏡，只有一組伺服運(yùn)動機(jī)構(gòu)驅(qū)動，變倍調(diào)焦簡單，行程短，行程小于30mm，可靠性高；在－40℃～70℃范圍內(nèi)，光學(xué)系統(tǒng)光軸穩(wěn)定，應(yīng)用該光學(xué)系統(tǒng)的熱像儀整機(jī)經(jīng)過高低溫環(huán)境試驗(yàn)和振動沖擊試驗(yàn)后靜態(tài)狀態(tài)下小視場光軸穩(wěn)定性0.03mrad，大/小視場轉(zhuǎn)換光軸平行性0.07mrad；光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果表明像質(zhì)優(yōu)良；應(yīng)用該光學(xué)系統(tǒng)的熱像儀性能高，MRTD（3cyc/mrad）＝0.07K，NETD＝30mK，對2.3m×2.3m坦克探測距離7.61km，識別距離5.32km。

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High Performance Dual Fields of View LWIR Optical System

HE Hongxing，ZHAO Jingsong，TANG Han，XU Canjun，TAO Liang，KANG Lizhu

（,650223,）

A compact dual fields of view infrared optical system with high performance is designed, which consists of a front fixed group, a zoom focus group, a rear fixed group and a relay group. The vertical and horizontal dimensions of the optical system are designed to be minimum by adopting mechanically compensated zoom, the entrance pupil matching the exit pupil, reimage, and twice folding optical axis. The three-dimensional figure is 220mm×95mm×50mm. The thermal aberration is controlled between －40 to 70℃by choosing optical material and structural material, and optimizing the optical system parameters. The line of sight of the optical system is stabilized. The error of the line of sight of the narrow field of view is less than 0.04mrad after environment test, the error of the line of sight between the narrow field of view and the wide field of view is less than 0.1mrad. The performance of the imager of the LWIR optical system is improved, the MRTD value is 0.07K at 3cyc/mrad, the NETD valueis 30mK. The optical systems' imaging quality is perfect, it can be satisfied to the imager

dual FOVs optical system，LWIR，mechanicallycompensated zoom，the entrance pupil matching the exit pupil

TN216

A

1001-8891(2017)05-0394-05

2016-10-11；

2017-04-28。

何紅星（1977-），男，貴州盤縣人，研究員級高工，博士，主要從事紅外光學(xué)及熱像儀總體技術(shù)研究。E-mail：hxhe2000@163.com。