共形導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其MTF測(cè)試

孫金霞，李賢兵，武 偉，潘國(guó)慶，董光鵬

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共形導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其MTF測(cè)試

孫金霞1，李賢兵1，武 偉1，潘國(guó)慶1，2，董光鵬3

( 1. 中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471009；2. 航空制導(dǎo)武器航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471009；3. 中國(guó)人民解放軍96275部隊(duì)，河南 洛陽(yáng) 471009 )

共形導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)因在非零觀察視場(chǎng)中失去旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)性而存在隨視場(chǎng)不斷變化的動(dòng)態(tài)像差。為驗(yàn)證共形光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)成像性能，設(shè)計(jì)了采用固定校正板進(jìn)行像差校正的萬(wàn)向支架式共形導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)在±55°觀察視場(chǎng)內(nèi)設(shè)計(jì)的傳遞函數(shù)值大于0.5，像元內(nèi)能量集中度大于80%。為簡(jiǎn)化位標(biāo)器結(jié)構(gòu)并完成光學(xué)系統(tǒng)的成像性能測(cè)試，提出了采用頭罩旋轉(zhuǎn)的方式替代位標(biāo)器結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)。光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)測(cè)量結(jié)果表明系統(tǒng)在小觀察視場(chǎng)中的調(diào)制傳遞函數(shù)大于0.45，在全觀察視場(chǎng)內(nèi)大于0.25，滿足目標(biāo)探測(cè)要求。

共形光學(xué)；整流罩；固定校正板；光學(xué)設(shè)計(jì)；MTF測(cè)試

0 引 言

目前紅外空空導(dǎo)彈整流罩的形狀多為球冠或半球形，內(nèi)部位標(biāo)器光學(xué)系統(tǒng)受整流罩尺寸的限制，其無(wú)漸暈搜索視場(chǎng)小于±90°。且球形整流罩在導(dǎo)彈高速飛行(超過(guò)3馬赫)時(shí)將產(chǎn)生很大的阻力，極大地限制了導(dǎo)彈飛行速度的進(jìn)一步提高?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)要求制導(dǎo)武器向高速、高精度、遠(yuǎn)程化方向發(fā)展，常規(guī)球形整流罩已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)代軍事的發(fā)展需求，因此人們提出了共形光學(xué)的概念。

我們把將作戰(zhàn)系統(tǒng)整體性能作為首要考慮因素，其次考慮光學(xué)成像性能的整流罩或整流窗結(jié)構(gòu)稱(chēng)為共形整流罩，與之相關(guān)的導(dǎo)引光學(xué)系統(tǒng)稱(chēng)為共形光學(xué)系統(tǒng)[1]。共形整流罩不僅氣動(dòng)阻力小，且雷達(dá)散射截面小，在一定條件下能夠獲得大于±90°的無(wú)漸暈搜索視場(chǎng)。共形導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)雖然能夠降低空氣阻力，但非球形整流罩在彈軸外搜索視場(chǎng)中的非軸對(duì)稱(chēng)性使此類(lèi)系統(tǒng)的像差校正設(shè)計(jì)、機(jī)械控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、光學(xué)加工以及整體性能檢測(cè)都存在諸多困難。針對(duì)這些問(wèn)題，Sparrold和Knapp等提出了利用固定校正板或弧形校正板[2-4]等方式的光學(xué)像差校正方案；羅徹斯特大學(xué)研發(fā)了精密的NanotechTM500FG車(chē)床[5]，并對(duì)磁流變拋光加工技術(shù)[6]進(jìn)行了深入的研究；Ronald等人提出了零位檢測(cè)[7]等多種檢測(cè)此類(lèi)高陡度非球形整流罩面型的方法。2001年P(guān)COT項(xiàng)目組宣布世界上第一個(gè)共形導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)研制成功[8]，并進(jìn)行了室外成像實(shí)驗(yàn),該系統(tǒng)在某單一視場(chǎng)內(nèi)的目標(biāo)像質(zhì)良好。但精密共形光學(xué)項(xiàng)目及近年來(lái)的研究工作并未對(duì)共形光學(xué)樣機(jī)系統(tǒng)的像質(zhì)做MTF測(cè)試或像質(zhì)均勻性等指標(biāo)性的評(píng)價(jià)，故對(duì)于共形光學(xué)系統(tǒng)的工程化應(yīng)用尚存在很多的不確定性。近十年來(lái)，國(guó)內(nèi)許多單位在共形光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、加工和檢測(cè)等方面開(kāi)展了跟蹤研究工作：長(zhǎng)春光機(jī)所、北京理工大學(xué)、中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院[9-10]等少數(shù)單位有設(shè)計(jì)類(lèi)的文章發(fā)表；人工晶體所、北京有色金屬研究院、國(guó)防科技大學(xué)[11]發(fā)表過(guò)保形整流罩制備和檢測(cè)相關(guān)技術(shù)研究的文章。近幾年長(zhǎng)春光機(jī)所開(kāi)展了保形導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)樣機(jī)[12-13]的研制工作，樣機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的折反射式成像系統(tǒng)中采用雙固定校正板進(jìn)行波前像差校正，搜索視場(chǎng)±20°。該系統(tǒng)室外成像效果較好，但±20°的搜索視場(chǎng)不足以驗(yàn)證共形導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)像差特性，且該單位也未開(kāi)展光學(xué)系統(tǒng)在全視場(chǎng)內(nèi)的信息傳遞能力測(cè)試評(píng)價(jià)等工作。

本文利用單非球面固定校正板實(shí)現(xiàn)了具有±55°搜索視場(chǎng)的共形導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)采用折反射式二次成像結(jié)構(gòu)以滿足導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)對(duì)空間體積和溫度等條件的要求。為簡(jiǎn)化位標(biāo)器結(jié)構(gòu)并達(dá)到驗(yàn)證光學(xué)系統(tǒng)成像性能的要求，該系統(tǒng)中采用了頭罩組件旋轉(zhuǎn)的方式模擬共形光學(xué)系統(tǒng)的非零搜索視場(chǎng)，并利用MTF測(cè)試設(shè)備檢測(cè)了該系統(tǒng)的性能，測(cè)量結(jié)果表明該系統(tǒng)的光學(xué)MTF滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

1 共形導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)

數(shù)學(xué)意義上的共形曲線有多種形式，可以是多項(xiàng)式型、指數(shù)型、貝塞爾曲線型或者樣條曲線型等。通常外表面為拋物面的整流罩具有比橢球整流罩更好的氣動(dòng)性能，但其光學(xué)成像質(zhì)量卻非常的惡劣，光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也要比橢球型整流罩困難的多，所以文中選擇具有較多對(duì)稱(chēng)特性的橢球面作為共形整流罩設(shè)計(jì)的基本面型。導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)的確定主要由探測(cè)距離、分辨率和空間體積等因素決定，本文設(shè)計(jì)的演示驗(yàn)證共形導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)采用了長(zhǎng)徑比為1的氟化鎂橢球整流罩，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 共形導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)主要參數(shù)

Table 1 Parameters of conformal optical system

1.2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該共形光學(xué)系統(tǒng)由多晶氟化鎂橢球整流罩、硫化鋅非球面固定校正板和折反射式實(shí)際成像系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 0°觀察視場(chǎng)中的共形導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)

非球面的使用雖然會(huì)增加光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自由度，但共形光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)不在于單一視場(chǎng)內(nèi)像差的校正，正如增加整流罩內(nèi)表面的高次非球面項(xiàng)能夠在一定程度上改善經(jīng)整流罩的透射波前，但對(duì)于全搜索視場(chǎng)內(nèi)動(dòng)態(tài)像差的平衡仍很困難。同樣，固定校正板的使用在增加像差校正自由度的同時(shí)，擠占了內(nèi)部成像系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)空間。受空間體積、搜索視場(chǎng)和多視場(chǎng)像差校正等條件的限制，固定校正板在共形光學(xué)系統(tǒng)中的像差校正能力并不理想。該演示驗(yàn)證光學(xué)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)首先根據(jù)二次非球面光學(xué)系統(tǒng)中的消像散條件[14]選擇萬(wàn)向節(jié)點(diǎn)位于整流罩后92 mm處，然后在整流罩后加入硫化鋅非球面固定校正板以驗(yàn)證其在大搜索視場(chǎng)中的像差補(bǔ)償能力。折反射式實(shí)際成像系統(tǒng)因次鏡擋光造成的光能損失小于30%，二次成像光路部分采用硅透鏡、鍺透鏡和兩片硒化鋅透鏡的組合方式以實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)消熱差設(shè)計(jì)。光學(xué)系統(tǒng)在0°、15°、30°和55°搜索觀察視場(chǎng)中的設(shè)計(jì)MTF和像元內(nèi)能量集中度分別如圖2和圖3所示。

圖2 不同觀察視場(chǎng)中的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)MTF

圖 3 0°和55°觀察視場(chǎng)中的像元內(nèi)能量集中度

從圖中可以看到小視場(chǎng)中設(shè)計(jì)的MTF值大于0.7，接近衍射極限，全視場(chǎng)內(nèi)設(shè)計(jì)的MTF值大于0.5。但在固定校正板滿足小視場(chǎng)中像差補(bǔ)償條件時(shí)，55°搜索視場(chǎng)中邊緣瞬時(shí)視場(chǎng)的截止頻率處子午和弧矢方向的MTF仍有0.2的差異，同時(shí)像元內(nèi)的能量集中度也從90%降到80%。上述設(shè)計(jì)結(jié)果也充分證明了固定校正板在共形光學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用局限性，非球面在完成某種像差校正任務(wù)時(shí)也會(huì)影響其他像差分布和傳遞特性。若要獲得更大的搜索視場(chǎng)角就必須考慮采用動(dòng)態(tài)像差補(bǔ)償方案或者賦予整流罩和固定校正板更多的自由度，例如衍射面的使用等。圖4為該共形光學(xué)系統(tǒng)加工公差分析后的結(jié)果曲線，該系統(tǒng)像質(zhì)易受校正板元件傾斜偏心的影響，但在現(xiàn)有的粘接裝配工藝條件下對(duì)系統(tǒng)公差分配調(diào)整后系統(tǒng)的全視場(chǎng)內(nèi)MTF仍有80%的可能達(dá)到0.5以上。

圖4 0°和55°觀察視場(chǎng)中的公差分析曲線

1.3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為簡(jiǎn)化位標(biāo)器結(jié)構(gòu)降低系統(tǒng)研制成本并達(dá)到驗(yàn)證共形光學(xué)系統(tǒng)成像性能的要求，該系統(tǒng)中采用了頭罩旋轉(zhuǎn)的方式模擬共形光學(xué)系統(tǒng)的非零搜索視場(chǎng)，并利用該結(jié)構(gòu)完成不同觀察視場(chǎng)中的像質(zhì)評(píng)價(jià)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，首先將共形整流罩和固定校正板裝配在殼體上，如圖5所示；然后將折反式實(shí)際成像系統(tǒng)的鏡筒組件裝配在底座上，最后將頭罩組件通過(guò)軸裝配在底座上，如圖6所示。頭罩組件通過(guò)銷(xiāo)鎖定機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)±55°內(nèi)的手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，在0°、±20°、±50°位置可通過(guò)銷(xiāo)鎖定，鎖定精度±0.32°。該設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)化了位標(biāo)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低了光學(xué)系統(tǒng)的研制成本，并且頭罩旋轉(zhuǎn)的方式避免了光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制函數(shù)測(cè)試設(shè)備中探測(cè)器行程短且無(wú)法旋轉(zhuǎn)測(cè)量等問(wèn)題。

圖5 頭罩組件

圖6 頭罩旋轉(zhuǎn)銷(xiāo)鎖結(jié)構(gòu)

2 共形導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)性能測(cè)試

共形光學(xué)系統(tǒng)各觀察視場(chǎng)內(nèi)的像質(zhì)存在很大的不一致性，如何客觀的評(píng)價(jià)此類(lèi)系統(tǒng)的性能也是共形光學(xué)系統(tǒng)研究中的難點(diǎn)。對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行MTF測(cè)試可以客觀的評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，定性的判斷共形光學(xué)系統(tǒng)像差校正情況以及設(shè)計(jì)結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。測(cè)量設(shè)備通常采用狹縫掃描或刀口掃描等方式采集待測(cè)鏡頭焦面位置的能量信息并用中繼透鏡傳遞到探測(cè)器中，對(duì)獲得的點(diǎn)或線能量擴(kuò)散函數(shù)進(jìn)行傅里葉變化后即可獲得系統(tǒng)在某視場(chǎng)中的空間頻率MTF。

圖7為采用紅外MTF測(cè)試設(shè)備對(duì)共形導(dǎo)引頭光學(xué)樣機(jī)系統(tǒng)軸外視場(chǎng)的光學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試的過(guò)程，圖8為0°觀察視場(chǎng)中離焦測(cè)試傳遞函數(shù)曲線，圖9為0°、15°、30°和55°觀察視場(chǎng)中共形導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)MTF測(cè)試結(jié)果。由于鏡頭裝配過(guò)程中未采用對(duì)中心偏等精密裝調(diào)設(shè)備，僅靠透鏡與鏡筒間嚴(yán)格的配合公差保證裝配精度，光學(xué)系統(tǒng)的測(cè)試傳遞函數(shù)明顯低于設(shè)計(jì)值。從圖中可以看到該光學(xué)系統(tǒng)在小觀察視場(chǎng)內(nèi)的測(cè)試傳遞函數(shù)大于0.45，較設(shè)計(jì)值降低0.25左右，在全觀察視場(chǎng)內(nèi)測(cè)試的MTF大于0.25。在旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)的0°觀察視場(chǎng)中子午和弧矢方向最佳焦平面位置不重合，存在小量像散，說(shuō)明該光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光學(xué)零件尤其固定校正板的傾斜和偏心敏感，在鏡頭裝配過(guò)程中僅靠嚴(yán)格的裝配公差無(wú)法保證全視場(chǎng)內(nèi)的像質(zhì)，而應(yīng)采用精密的對(duì)中心偏等輔助裝調(diào)設(shè)備嚴(yán)格控制敏感元件的位置公差至10mm以下。在大觀察視場(chǎng)中，測(cè)試傳遞函數(shù)值雖滿足紅外目標(biāo)探測(cè)成像要求，但較設(shè)計(jì)值降低明顯，系統(tǒng)有明顯殘余像散，變化特征與設(shè)計(jì)結(jié)果一致。從設(shè)計(jì)和測(cè)試結(jié)果的比較可知，非球面固定校正板對(duì)大視場(chǎng)中的像差校正能力是有限的，僅對(duì)于±50°觀察視場(chǎng)內(nèi)的動(dòng)態(tài)像差有一定的控制補(bǔ)償作用，超出±50°時(shí)固定校正板邊緣向超半球形式轉(zhuǎn)化。橢球整流罩在不同觀察視場(chǎng)中的面對(duì)稱(chēng)性使得其在±20°和±65°觀察視場(chǎng)附近存在兩個(gè)像差偏轉(zhuǎn)點(diǎn)，小視場(chǎng)中因?yàn)轭^罩尖頂部存在非連續(xù)漸變對(duì)稱(chēng)性，±65°觀察視場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)是因?yàn)闄E球罩向柱面轉(zhuǎn)化造成近主光線子午和弧矢方向曲率半徑差變?yōu)樨?fù)值造成的，所以觀察視場(chǎng)大于±50°的共形光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮采用超半球固定校正板或者其他的動(dòng)態(tài)像差校正方式。

圖7 共形光學(xué)系統(tǒng)MTF 測(cè)試過(guò)程

圖 8 0°觀察視場(chǎng)中光學(xué)系統(tǒng)離焦測(cè)試傳遞函數(shù)

圖9 不同觀察視場(chǎng)中的光學(xué)系統(tǒng)測(cè)試傳遞函數(shù)

3 結(jié) 論

為驗(yàn)證共形導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)在常溫工作條件下的光學(xué)成像性能，確定其工程應(yīng)用的難點(diǎn)，文中針對(duì)橢球整流罩在非零觀察視場(chǎng)中因失去旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)性而存在隨視場(chǎng)不斷變化的動(dòng)態(tài)像差問(wèn)題，設(shè)計(jì)了采用單非球面固定校正板進(jìn)行像差校正的萬(wàn)向支架式共形導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)，并提出了采用頭罩旋轉(zhuǎn)的方式替代位標(biāo)器旋轉(zhuǎn)的光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)測(cè)試方案。該系統(tǒng)在小觀察視場(chǎng)內(nèi)的成像質(zhì)量良好，但在接近±55°邊緣觀察視場(chǎng)時(shí)殘余像散明顯，一方面是因?yàn)榉乔蛎婀潭ㄐＵ宓南癫钚Ｕ芰κ芟?，另一方面整流罩及校正板的面型加工精度和裝配精度也會(huì)影響光學(xué)系統(tǒng)在非零視場(chǎng)中的像質(zhì)。因目前國(guó)內(nèi)還不具備針對(duì)大口徑高陡度非球面的面型檢測(cè)手段，且該常溫驗(yàn)證系統(tǒng)未采用精密的裝調(diào)手段，故測(cè)試結(jié)果無(wú)法界定大口徑非球面的面型精度和裝調(diào)方式的影響程度。

目前國(guó)內(nèi)外所使用的制冷探測(cè)器空間體積較大，非球面固定校正板的使用一方面擠占了整流罩內(nèi)部空間，使位標(biāo)器結(jié)構(gòu)很難獲得更大的旋轉(zhuǎn)觀察視場(chǎng)；另一方面固定校正板對(duì)大觀察視場(chǎng)中的像差校正能力是有限的，僅對(duì)于±50°觀察視場(chǎng)內(nèi)的動(dòng)態(tài)像差有一定的控制補(bǔ)償作用，超出±50°時(shí)固定校正板邊緣向超半球形式轉(zhuǎn)化，所以觀察視場(chǎng)大于±50°的共形光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮采用超半球固定校正板或者其他的動(dòng)態(tài)像差校正方式。

光學(xué)系統(tǒng)性能測(cè)試中所利用的頭罩旋轉(zhuǎn)替代位標(biāo)器光學(xué)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)的方式很好的模擬了共形光學(xué)系統(tǒng)在非零搜索視場(chǎng)中的成像過(guò)程，該方法簡(jiǎn)化了導(dǎo)引頭位標(biāo)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，降低了光學(xué)系統(tǒng)研制成本，并實(shí)現(xiàn)了驗(yàn)證光學(xué)系統(tǒng)成像性能的要求。對(duì)于觀察視場(chǎng)大于±60°的共形系統(tǒng)，頭罩旋轉(zhuǎn)測(cè)量方式將不再適用，頭罩端部將會(huì)與測(cè)量設(shè)備發(fā)生干涉，故大視場(chǎng)共形光學(xué)系統(tǒng)的測(cè)試應(yīng)考慮采用條形整流罩或其他的像質(zhì)評(píng)價(jià)方式。

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Conformal Optical System Design and MTF Measuring

SUN Jinxia1，LI Xianbing1，WU Wei1，PAN Guoqing1,2，DONG Guangpeng3

( 1. China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, Henan Province, China;2. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Airborne Guided Weapons, Luoyang 471009, Henan Province, China;3. Unit 96275, PLA, Luoyang 471009, Henan Province, China )

An aerodynamic conformal dome calls for bullet shaped aspherical surfaces. The aspherical domes with gimbaled missile seeker have a large amount of dynamic aberrations varying with gimbal angle because of the non-rotationally symmetric character in non-zero field of regard. A fixed corrector is used to correct aberrations introduced by the ellipsoidal dome with fineness ratio 1.0 in our demonstrating conformal optical system. In this system, we use the gimbaled dome instead of the gimbaled inner optical system to simulate non-zero field of regard. The designed modulation transfer function of the simplified conformal seeker is higher than 0.5 and the encircled energy in one pixel is higher than 80% in all field of regard. The measuring result shows that the modulation transfer functions at 17 lp/mm are higher than 0.45 in small fields and higher than 0.25 in large field of regard.

conformal optics; dome; fixed corrector; optical design; MTF testing

V249.32

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.05.008

2015-03-02；

2015-06-15

中航工業(yè)集團(tuán)公司創(chuàng)新基金；航空基金資助課題

孫金霞(1982-)，女(漢族)，吉林安圖人。高級(jí)工程師，博士，主要從事光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的研究。E-mail: sunjinx@126.com。