李文強(qiáng)* 趙克軍 趙 翔

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽471000）

1 概述

紅外工作波段是機(jī)載光電探測(cè)系統(tǒng)使用最多的波段，利用溫差對(duì)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)，能夠晝夜使用。通常光學(xué)系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)有多個(gè)視場(chǎng)，滿足不同使用功能，大視場(chǎng)可用于導(dǎo)航，中視場(chǎng)用于發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，小視場(chǎng)用于遠(yuǎn)距識(shí)別。多視場(chǎng)一般為切換幾組透鏡或連續(xù)變焦的方式實(shí)現(xiàn)，陳呂吉等人介紹了多種實(shí)現(xiàn)多視場(chǎng)紅外光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)型[1]，張良等人采用衍射面實(shí)現(xiàn)了中波和長(zhǎng)波多視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)[2]，馬迎軍等詳細(xì)介紹了連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)像差設(shè)計(jì)方法[3]，透射式光學(xué)系統(tǒng)口徑一般小于150mm。通過反射式系統(tǒng)可以提高光學(xué)系統(tǒng)口徑，提高作用距離，常用的有卡式、離軸三反、離軸四反等構(gòu)型[4-7]，反射式系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)長(zhǎng)焦高分辨設(shè)計(jì)，但難以兼顧大視場(chǎng)使用。透射式光學(xué)系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)焦設(shè)計(jì)，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)光路較長(zhǎng)，反射式系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)焦緊湊化設(shè)計(jì)，但是難以實(shí)現(xiàn)光學(xué)大視場(chǎng)設(shè)計(jì)，本光學(xué)設(shè)計(jì)通過綜合透射式系統(tǒng)和反射式系統(tǒng)的各自特點(diǎn)，提出了一種切換卡式次鏡的三視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)長(zhǎng)焦設(shè)計(jì)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了30 倍的大變倍比，滿足大中小視場(chǎng)觀測(cè)需求，光學(xué)系統(tǒng)總長(zhǎng)約為焦距三分之一。

1 設(shè)計(jì)過程

中波紅外光學(xué)系統(tǒng)采用640×512 制冷型探測(cè)器。

紅外制冷型探測(cè)器冷光闌位于探測(cè)器內(nèi)部，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要把光闌設(shè)置于冷光闌處可實(shí)現(xiàn)100%光闌匹配。光學(xué)系統(tǒng)一般為二次成像模式，光學(xué)系統(tǒng)采用三視場(chǎng)共用一次像點(diǎn)后會(huì)聚目鏡組，通過改變物鏡組的焦距實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)變倍。長(zhǎng)焦視場(chǎng)采用卡式反射鏡作為物鏡組，中、短焦視場(chǎng)采用透射式物鏡組構(gòu)型，兩組切換物鏡組位于次鏡處，通過旋轉(zhuǎn)形式實(shí)現(xiàn)，保證在旋轉(zhuǎn)過程中重心位置基本不變。主次鏡采用鋁材料，和結(jié)構(gòu)材料相一致，鋁反射鏡安裝形式較簡(jiǎn)單，并有更好的溫度適應(yīng)性，透鏡材料為硅和鍺，其中硅折射率大、色散小作為正透鏡，鍺色散大作為負(fù)透鏡。

機(jī)載光電系統(tǒng)工作在-40℃～+60℃溫度范圍內(nèi)，大的溫度變化會(huì)導(dǎo)致光學(xué)鏡片的厚度、間隔、曲率半徑以及光學(xué)材料的折射率發(fā)生改變。光學(xué)系統(tǒng)的焦點(diǎn)隨溫度變化發(fā)生漂移，探測(cè)器像面偏離最佳焦面。該光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)三個(gè)視場(chǎng)通過同一組調(diào)焦鏡組實(shí)現(xiàn)三個(gè)視場(chǎng)溫度補(bǔ)償。調(diào)焦鏡組設(shè)置在會(huì)聚鏡組中。固定會(huì)聚目鏡組位于主鏡開孔處，可壓縮整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，總長(zhǎng)和主次鏡間距相當(dāng)。

2 設(shè)計(jì)結(jié)果

通過光學(xué)傳遞函數(shù)評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量，在-40℃～+60℃工作溫度范圍內(nèi)，中波紅外三個(gè)視場(chǎng)的光學(xué)傳函離衍射極限下降小于0.1，可滿足全溫度范圍使用要求。

畸變會(huì)影響成像的視覺效果，光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)需要控制畸變?cè)诤侠淼姆秶鷥?nèi)。圖1～3 為三個(gè)視場(chǎng)的畸變網(wǎng)格圖，全視場(chǎng)范圍內(nèi)畸變均小于3%，滿足成像使用要求。

圖1 紅外長(zhǎng)焦光路畸變圖

圖2 紅外中焦光路畸變圖

圖3 紅外短焦光路畸變圖

3 結(jié)論

通過切換卡式次鏡的方式實(shí)現(xiàn)了大變倍比的紅外三視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)。三個(gè)視場(chǎng)共用相同會(huì)聚鏡組，綜合了反射式和透射式光路的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)緊湊化設(shè)計(jì)。三視場(chǎng)共用一個(gè)調(diào)焦鏡組，在-40℃～ +60℃溫度范圍內(nèi)，成像質(zhì)量良好，滿足機(jī)載設(shè)備溫度范圍變化大的使用要求。整個(gè)系統(tǒng)長(zhǎng)度約為焦距三分之一，符合機(jī)載光電探測(cè)設(shè)備小型化、輕量化的需求。