繆煒星,趙長春,劉飛飛,羅永勝
(1.中航(成都)無人機(jī)系統(tǒng)股份有限公司,成都 611000;2.哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司,哈爾濱 150000;3.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所,河南 洛陽 471000)
系統(tǒng)一般用于口徑較小光學(xué)系統(tǒng),反射式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大口徑緊湊化設(shè)計(jì),常用的有卡式、離軸三反、離軸四反等構(gòu)型[3-4],反射式系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)長焦高分辨設(shè)計(jì),但難以兼顧大視場。
紅外光學(xué)系統(tǒng)可用于晝夜探測,是機(jī)載光電系統(tǒng)重要工作波段。通常光學(xué)系統(tǒng)包含多個(gè)視場,滿足不同使用功能,大視場可用于導(dǎo)航和大范圍觀測,小視場分辨率高,可用于遠(yuǎn)距探測和目標(biāo)識別。光學(xué)系統(tǒng)多視場一般以切換鏡組或連續(xù)變焦的方式實(shí)現(xiàn),張良等[1]采用衍射面實(shí)現(xiàn)了中波和長波多視場光學(xué)系統(tǒng);陳呂吉等[2]介紹了多種實(shí)現(xiàn)多視場紅外光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)型,透射式光學(xué)針對透射式和反射式光學(xué)系統(tǒng)的局限性,本文提出了一種基于卡式次鏡切換的多視場光學(xué)系統(tǒng),通過次鏡和透鏡組切換并共用目鏡組,實(shí)現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)多視場大變倍比設(shè)計(jì),該光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)融合了反射式和透射式兩種構(gòu)型的特點(diǎn),同時(shí),針對紅外制冷探測器F數(shù)為固定值,在卡式小視場的基礎(chǔ)上通過切換部分透鏡和大F數(shù)熱光闌,在光學(xué)口徑不變的情況下將焦距增加1倍,進(jìn)一步提升了光學(xué)系統(tǒng)性能[5],實(shí)現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)60倍的大變倍比,可滿足不同視場觀測需求,光學(xué)系統(tǒng)總長為210 mm,極大地壓縮了光學(xué)系統(tǒng)空間體積。同時(shí),針對熱光闌視場開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)室測試和外景成像,驗(yàn)證了大F數(shù)熱光闌使用的可行性,該中波紅外光學(xué)系統(tǒng)可用于機(jī)載光電系統(tǒng)。
中波紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于640 μm×512 μm陣列制冷型探測器,針對多視場使用需求,大視場設(shè)計(jì)大于24°,小視場焦距盡可能增大提升作用距離,光學(xué)系統(tǒng)各視場設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。
表1 光學(xué)系統(tǒng)各視場設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of the optical system
紅外采用制冷探測器,光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要保證100%冷光闌匹配。采用二次成像模式,3個(gè)冷光闌視場設(shè)計(jì)時(shí)共用一次像點(diǎn)后會聚目鏡組,通過改變一次像點(diǎn)前的物鏡組的焦距實(shí)現(xiàn)視場變倍。大、中視場采用透射式物鏡組構(gòu)型;小視場采用卡式反射鏡作為物鏡組,小視場次鏡為切換結(jié)構(gòu),保證大、中視場物鏡組切換時(shí)光路不經(jīng)過卡式鏡組;超小視場在卡式小視場的基礎(chǔ)上通過改變目鏡組焦距,切換部分目鏡和熱光闌實(shí)現(xiàn)。初始結(jié)構(gòu)的計(jì)算根據(jù)物鏡組和目鏡的高斯成像關(guān)系計(jì)算得到,圖1為二次成像計(jì)算示意圖。
圖1 二次成像示意圖Fig.1 Illustration diagram of secondary imaging optical system
圖中:m為放大率;Dcs為冷光闌到探測器距離;fo為物鏡組焦距;fR為目鏡組焦距。
物鏡組和目鏡組成像關(guān)系為[6]
(1)
式中,L為系統(tǒng)總長。
初始構(gòu)型代入軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),通過增加鏡片校正像差,正透鏡為硅材料,負(fù)透鏡為鍺材料。優(yōu)化完成后的光學(xué)構(gòu)型如圖2所示。整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)包含卡式物鏡組、中視場物鏡組、大視場物鏡組、冷光闌目鏡組和熱光闌目鏡組5個(gè)獨(dú)立部分。
圖2 光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)型圖Fig.2 Structure of the optical system
機(jī)載光電系統(tǒng)工作溫度一般在-55~+70 ℃,溫度變化會導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)離焦。采用移動鏡組補(bǔ)償高低溫下光學(xué)像質(zhì)下降,調(diào)焦鏡組選用4個(gè)視場共用部分目鏡組,保證各視場使用同一調(diào)焦機(jī)構(gòu)。
卡式主次鏡為小視場和超小視場共用物鏡組;中視場物鏡組包含3片透鏡,材料分別為硅、鍺、硅;大視場物鏡組包含4片透鏡,材料分別為硅、鍺、硅、鍺;冷光闌目鏡組包含調(diào)焦目鏡組和切換目鏡組1,為大中小3個(gè)視場共用,共用調(diào)焦目鏡組包含3個(gè)透鏡,材料分別為硅、鍺、硅,切換目鏡組1包含2片透鏡,材料分別為硅、鍺;熱光闌目鏡組包含調(diào)焦目鏡組和切換目鏡組2,為大F數(shù)超小視場的目鏡組,切換目鏡組2包含2片透鏡,材料分別為硅、鍺。
優(yōu)化設(shè)計(jì)后光學(xué)系統(tǒng)總長210 mm,與卡式光學(xué)口徑200 mm相當(dāng),整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)空間體積非常緊湊。光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后參數(shù)如表2所示。
表2 優(yōu)化后各組成部分設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameters after optimization mm
針對光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果,通過光學(xué)傳遞函數(shù)評價(jià)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量,并且分析-55~+70 ℃溫度時(shí)各視場調(diào)焦后光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì),確保采用同一調(diào)焦鏡組能夠滿足4個(gè)視場溫度變化時(shí)的調(diào)焦需求。不同溫度下的傳遞函數(shù)如圖3所示。
圖3 系統(tǒng)MTF曲線Fig.3 Curves of modulation transfer function of the system
各視場光學(xué)傳函值較衍射極限下降較少,能夠滿足使用要求。
畸變會影響成像的視覺效果,光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)需要控制畸變在合理的范圍內(nèi),4個(gè)視場畸變均小于3%,滿足使用要求。
從圖3光學(xué)傳函可知,在采用大F數(shù)熱光闌后光學(xué)傳函較低,會影響成像效果,針對F數(shù)為6的熱光闌系統(tǒng)開展相關(guān)驗(yàn)證工作。設(shè)計(jì)了透射式光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證,冷光闌光學(xué)系統(tǒng)F數(shù)為3,光學(xué)焦距75 mm,冷光闌光學(xué)系統(tǒng)如圖4(a)所示。通過在光學(xué)系統(tǒng)中切入2片透鏡變焦實(shí)現(xiàn)熱光闌視場,熱光闌位于探測器光窗前5 mm,光學(xué)焦距150 mm,熱光闌光學(xué)系統(tǒng)如圖4(b)所示,兩重視場光學(xué)口徑均為25 mm。熱光闌視場通過增加探測器的積分時(shí)間提升整體性能。
圖4 冷、熱光闌光學(xué)系統(tǒng)Fig.4 Cold and warm diaphragm optical systems
使用紅外性能測試設(shè)備測試2個(gè)視場的最小可分辨溫差(MRTD)值評價(jià)光學(xué)系統(tǒng)性能。冷光闌視場測試達(dá)到極限分辨率2.5 cycles/mrad,MRTD測試值為0.3 K。熱光闌視場對于空間分辨率為2.5 cycles/mrad的靶板測試,測得MRTD為0.3 K;對于空間分辨率為4 cycles/mrad的靶板測試,測得MRTD為0.5 K。通過實(shí)驗(yàn)室測試發(fā)現(xiàn),采用熱光闌視場可提升分辨率,在不增加口徑的情況下提升光學(xué)性能。
完成光學(xué)系統(tǒng)對外景成像試驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證熱光闌使用可行性,冷、熱光闌外景成像效果如圖5所示。熱光闌視場成像對比較好,可滿足觀測使用。
圖5 冷、熱光闌外景成像效果Fig.5 Imaging of cold and warm diaphragm optical system
通過實(shí)驗(yàn)室測試和外景成像試驗(yàn)驗(yàn)證了中波紅外系統(tǒng)可采用大F數(shù)熱光闌設(shè)計(jì)方式,證明了本光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。
通過切換卡式次鏡的方式實(shí)現(xiàn)了緊湊型大變倍比的紅外多視場光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì),該設(shè)計(jì)綜合了反射式和透射式光路的優(yōu)點(diǎn),符合機(jī)載光電探測設(shè)備小型化、輕量化的發(fā)展需求。整個(gè)系統(tǒng)長度約為焦距的1/6,并且4個(gè)視場共用調(diào)焦鏡組能滿足機(jī)載產(chǎn)品高低溫工作需求,設(shè)計(jì)中,利用大F數(shù)熱光闌在口徑不變的情況下進(jìn)一步提升了光學(xué)系統(tǒng)分辨率,并針對熱光闌的使用開展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,充分證明了該光學(xué)系統(tǒng)的可行性,未來可用于機(jī)載光電探測設(shè)備。