透射式雙波段紅外搜索跟蹤系統(tǒng)光學(xué)物鏡

焦明印，陳秀萍，李軍琪，張 林，鄭常青

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透射式雙波段紅外搜索跟蹤系統(tǒng)光學(xué)物鏡

焦明印，陳秀萍，李軍琪，張 林，鄭常青

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

給出了一種適用于紅外搜索跟蹤系統(tǒng)的透射式雙波段（中波/長波）光學(xué)物鏡，兩個(gè)波段的相對口徑均為1/1.3，工作波段分別為3.7～4.8mm和7.5～10.5mm，視場為±1.75°。為提高光學(xué)透過率，物鏡采用會(huì)聚光路分光，每個(gè)波段僅有4片透鏡，其中各有2片采用了衍射光學(xué)表面，實(shí)測兩個(gè)波段的光學(xué)透過率（含分光鏡）均大于70%。

紅外物鏡；衍射光學(xué)元件；紅外搜索跟蹤系統(tǒng)

0 引言

為提高紅外搜索跟蹤系統(tǒng)的探測概率、減少虛警率，采用大相對口徑雙波段（即中波/長波）工作模式是實(shí)現(xiàn)這一目的的有效途徑之一。用于搜索或警戒紅外系統(tǒng)的光學(xué)口徑都在150mm以上，其中美加AN/SAR-8的光學(xué)系統(tǒng)口徑為254mm（/￠＝1:1），法國SPIRAL的光學(xué)窗口尺寸為200mm，以色列SPIRTAS的光學(xué)系統(tǒng)口徑為150mm（/￠＝1:1）；此外為提高系統(tǒng)透過率，應(yīng)盡量減少光學(xué)元件數(shù)量，文獻(xiàn)[1]給出了一種3mm～12mm寬波段工作的透射式光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)用2組三片式（共6個(gè)成像物鏡、3種材料）物鏡構(gòu)成了一個(gè)Peztral型透射式光學(xué)系統(tǒng)，相對口徑1/2（即F數(shù)為2），采用的探測器為雙波段一體式量子阱器件。上述系統(tǒng)在3.7～4.8mm和7.5～10.5mm波段均為6個(gè)成像物鏡，因此透過率較低，此外該系統(tǒng)的相對口徑較小，不能很好地滿足對微弱紅外信號的探測要求。本文給出了一種適用于紅外搜索跟蹤系統(tǒng)的透射式雙波段（中波/長波）透射式光學(xué)物鏡，兩個(gè)波段的相對口徑均為1/1.3，工作波段分別為3.7～4.8mm和7.5～10.5mm，視場為±1.75°，采用了衍射光學(xué)元件使每個(gè)波段的透鏡減少為4片。

1 方案及構(gòu)成

雙波段搜索物鏡可由兩種方式實(shí)現(xiàn)，即折反射式系統(tǒng)和透射式系統(tǒng)。折反射式系統(tǒng)具有色差小、工作波段寬及結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)3.7～4.8mm和7.5～10.5mm共用或部分共用。例如常用的施密特（Schmidt）反射式光學(xué)系統(tǒng)，采用球面反射鏡成像，在其球心位置處設(shè)置孔徑光欄和非球面校正板，以校正球面反射鏡的球差、彗差及像散。（同軸）反射式系統(tǒng)的缺點(diǎn)是存在中心遮攔，因而降低了其能量利用率；折射式系統(tǒng)不存在中心遮攔，能量利用率高。缺點(diǎn)是寬波段使用時(shí)色差較大，特別是對于大口徑紅外光學(xué)系統(tǒng)，可選用的透射材料很少，色差和色球差很難校正。綜合考慮加工和裝調(diào)工藝性及體積重量等因素，本文采用透射式系統(tǒng)。因國內(nèi)目前得不到實(shí)用化的中/長紅外波段一體式探測器件，本文所述的物鏡采用共用部分物鏡再分光的方案。立方棱鏡分光是較好的選擇，可在會(huì)聚光路中實(shí)現(xiàn)中、長波段的分光，但由入瞳口徑近200mm，棱鏡的厚度需60mm以上（后截距不可過?。?，達(dá)到該厚度的雙波段材料如化學(xué)汽相沉積硒化鋅（CVD ZnSe）材料（吸收僅0.05%/cm）目前缺少供貨渠道，可用的材料只有單晶鍺，由于單晶鍺的吸收較大，僅分光棱鏡的吸收就將達(dá)17%以上，因此本文未采用立方棱鏡分光方案。也可在雙波段共用望遠(yuǎn)系統(tǒng)后分光，這樣分光鏡的尺寸較小且位于平行光路中，但該方案的缺點(diǎn)是鏡片數(shù)量多、透過率低。為解決上述問題，本文采用圖1所示的光學(xué)形式（圖中的非均勻校正參考源的作用是為校正探測器相應(yīng)度的非均勻性提供基準(zhǔn)，完成校正后移出光路）。包括6個(gè)物鏡和1個(gè)分光平面鏡，分光鏡選用單晶鍺材料制作，其前表面上鍍有反射中波紅外透射長波紅外的分光膜層，分光鏡與光軸的夾角為45°，6個(gè)物鏡均為單透鏡，其中第一物鏡、第二物鏡分別選用單晶鍺、汽相沉積硒化鋅材料制作，且兩者為雙波段共用，第一、第二物鏡的前表面均為高次非球面；共用物鏡和分光鏡以及第三、第四物鏡構(gòu)成本長波紅外成像光學(xué)物鏡（4個(gè)透鏡及一個(gè)分光鏡），因分光鏡的加入帶來了光軸的平移，第三、第四物鏡均離軸放置，材料選用CVD ZnSe，第三物鏡的前表面為子午與弧矢方向曲率半徑不同的復(fù)曲面（即輪胎面），用以補(bǔ)償會(huì)聚光路中的分光鏡引入的非對稱象差，第四物鏡可以軸向移動(dòng)，以補(bǔ)償環(huán)境溫度造成的像面離焦；共用物鏡和分光鏡以及第五、第六物鏡構(gòu)成中波紅外成像物鏡（4個(gè)透鏡及一個(gè)反射鏡），第五、第六物鏡分別選用單晶鍺、CVD ZnSe材料制作，兩者的前表面均為高次非球面，第六物鏡可沿軸向移動(dòng)，以補(bǔ)償環(huán)境溫度造成的像面離焦。這里為校正色差和二級光譜色差，采用了折射/衍射混合光學(xué)元件，這樣不僅可以大幅減少光學(xué)零件的數(shù)量，降低材料成本，而且也保證了系統(tǒng)具有較高的透過率。系統(tǒng)中物鏡三～物鏡六中每個(gè)物鏡均有一個(gè)衍射面，針對大相對孔徑帶來的較大色球差，分別采用兩組高次非球面予以消除。此外，采用制冷型紅外探測器的光學(xué)系統(tǒng)大都為物鏡加中繼鏡組的形式[2-4]，這里為提高透過率沒有加入中繼鏡組，而是孔徑光欄設(shè)置在探測器冷光欄的物鏡形式[1]，在軸外視場保留了一定量的漸暈，由于本光學(xué)系統(tǒng)的視場不大，引入的漸暈不會(huì)對使用造成大的影響。

2 設(shè)計(jì)結(jié)果

為消除色差及二級光譜色差，進(jìn)一步提高像質(zhì)，第三至第六物鏡均為折射/衍射混合元件[5-6]，也就是說上述4個(gè)物鏡后表面均為基底為非球面的衍射面（材料為單晶鍺或CVD ZnSe，采用非球面基底的目的是更好提高像質(zhì)，且對于金剛石車削加工工藝來說易于實(shí)現(xiàn)）。當(dāng)坐標(biāo)原點(diǎn)位于上述衍射面基體的頂點(diǎn)時(shí)，其衍射面的面型可用以下方程表示：

圖1 雙波段紅外物鏡構(gòu)成簡圖

式中：HOR是衍射級次，一般情況下為1或－1，這里HOR＝1；n1和n2分別是衍射結(jié)構(gòu)基體和其所在介質(zhì)的折射率；h2＝x2＋y2；c為頂點(diǎn)曲率；k為二次曲面系數(shù)；A、B、C、D分別為高次非球面方程的二階、四階、六階和八階項(xiàng)的系數(shù)；z為沿光軸方向曲面上的點(diǎn)距頂點(diǎn)的距離；H1、H2、H3和H4分別為二、四、六和八次衍射位相系數(shù)，l為波長；對于中波波段，l＝4350nm，對于長波波段，l＝9350nm；符號INT為取整函數(shù)，其值為1，2，3，…，衍射元件的位相等參數(shù)詳見文獻(xiàn)[7]。兩個(gè)波段物鏡的垂軸像差曲線見圖2，調(diào)制傳遞函數(shù)曲線見圖3，典型頻率下的傳遞函數(shù)及幾何彌散圓直徑見表1。從垂軸像差曲線可看出，在邊緣視場存在一定量的漸暈。

圖3 垂軸像差曲線

表1 中波波段和長波波段MTF和幾何彌散圓直徑（均方根）

3 試驗(yàn)及測試

上述系統(tǒng)已經(jīng)過加工、調(diào)試及測試，如圖4。其中非球面及衍射面均采用單點(diǎn)金剛石車削方法加工、輪廓儀面型檢測。需要說明的是衍射面由于是非連續(xù)環(huán)帶式的，其精度只能由車床精度保證。這里所用車床的加工尺寸精度為0.5mm，經(jīng)分析能夠滿足系統(tǒng)的公差要求。透過率及傳遞函數(shù)均采用英國Ealing傳函儀測試。實(shí)測透過率中波段為75%，長波波段為71%（含分光鏡），與理論值差別不大。中波傳遞函數(shù)測量：實(shí)際系統(tǒng)中波波段光路為90°折轉(zhuǎn)形式，測量時(shí)采用工裝進(jìn)行同軸測量。實(shí)測空間頻率為30c/mm時(shí)，調(diào)制傳遞函數(shù)為0.26，滿足使用要求（要求該頻率MTF≥0.2），但與表1中設(shè)計(jì)理論值差別較大。誤差產(chǎn)生的原因主要是測試工裝、測量裝置的調(diào)整和光學(xué)零件加工精度等因素。其中測試工裝借用了長波波段光路的殼體，而長波波段光路為偏心光路，工裝設(shè)計(jì)時(shí)使被測系統(tǒng)偏心安裝，以補(bǔ)償長波光路的偏心，帶入了一定的誤差。測量裝置的調(diào)整是實(shí)現(xiàn)高精度測量的關(guān)鍵，由于被測系統(tǒng)尺寸的限制，給調(diào)整測量裝置以尋找最佳像面帶來了很大的困難。此外，由于光學(xué)零件尺寸大，且衍射面面型為非連續(xù)環(huán)帶式非球面，在金剛石車削加工時(shí)不能實(shí)現(xiàn)在線修正，也會(huì)對系統(tǒng)的性能帶來一定的影響，特別在波長相對較短時(shí)，影響程度較大，這方面的工藝還在進(jìn)一步分析、試驗(yàn)。長波傳遞函數(shù)測量：實(shí)測空間頻率為30c/mm時(shí)，調(diào)制傳遞函數(shù)為0.254。測試時(shí)為了與測試設(shè)備匹配加入了厚度為11mm的鍺平板，經(jīng)計(jì)算此時(shí)理論傳函為0.3（空間頻率30c/mm），測量結(jié)果的相對誤差為15.3%。該物鏡經(jīng)某紅外搜索跟蹤系統(tǒng)（點(diǎn)目標(biāo)探測）應(yīng)用驗(yàn)證，效果良好。

圖4 雙波段紅外物鏡照片

4 結(jié)論

采用衍射光學(xué)元件和非球面設(shè)計(jì)加工了口徑200、相對口徑1/1.3的雙波段透射式光學(xué)物鏡，實(shí)測兩波段的光學(xué)透過率均在70%以上，調(diào)制傳遞函數(shù)均大于0.2（空間頻率30c/mm），達(dá)到了使用要求。

鳴謝：本文部分插圖由騰國奇制作，特此致謝。

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（下轉(zhuǎn)第304頁）

Dual Spectral Band Refractive Objective Lensfor Infrared Search and Track System

JIAO Mingyin，CHEN Xiuping，LI Junqi，ZHANG Lin，ZHENG Changqing

(,710065,)

A dual spectral band （MWIR/LWIR）refractive objective lens used for Infrared Search and Track(IRST) system is given in this paper. The spectral bands are 3.7～4.8mm and 7.5～10.5mm respectively and the relative aperture is 1/1.3 for both spectral bands, and the field of view for the lens is ±1.75°. In order to improve the optical transparency, a splitter in convergent beam is used, and there are only 4 lenses with 2 refractive/diffractive surfaces in each spectral band. The optical transparency is tested over 70% (include beam splitter) in each band.

infrared lens，diffractive optical elements，infrared search and track (IRST) system

TN215

A

1001-8891(2016)04-0296-04

2015-10-15；

2016-01-04.

焦明?。?963-），男，研究員，主要從事光學(xué)系統(tǒng)及部件的研究。