一種折反式紅外/激光復合導引頭光學系統(tǒng)設(shè)計

周曉斌，孫 浩，原 琦，劉召慶，張 衡，文江華，吳 妍

(西安應用光學研究所，陜西 西安 710065)

引言

紅外成像制導具有靈敏度高、空間分辨率高，能夠?qū)崿F(xiàn)“發(fā)射后不管”等特性，但是紅外成像制導僅能獲得二維目標信息，且容易受干擾影響。激光單色性和方向性好，具有很高的跟蹤精度和空間分辨率，但是容易受氣象條件的影響，不能全天候使用，且易受煙霧的干擾[1]。將紅外與激光結(jié)合使用能夠互相彌補不足，提升導引頭的探測、識別概率和抗干擾能力。

中國空空導彈研究院李福巍等人利用卡塞格林系統(tǒng)設(shè)計了一種紅外/激光雙模共口徑光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用次鏡分光，激光直接透過次鏡，在頭罩與次鏡之間匯聚成光斑，而紅外則經(jīng)過次鏡反射后，再經(jīng)過紅外透鏡組成像[2]。項建勝等人同樣設(shè)計一種折反式激光紅外復合光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用卡式系統(tǒng)加平板分光的結(jié)構(gòu)形式，避免了大口徑寬光譜材料，實現(xiàn)成本控制[3]。但是，卡式系統(tǒng)的主鏡、次鏡均為二次曲面，加工成本高，裝調(diào)難度大。羅春華等人設(shè)計一種透射式方式，在匯聚光路中設(shè)置傾斜平板進行分光，該方案結(jié)構(gòu)緊湊，但是需要寬光譜透射材料，材料成本高，質(zhì)量大、透過率較低[4]。

本文針對長波非制冷紅外和激光半主動復合導引頭光學系統(tǒng)設(shè)計的難點，設(shè)計一種折反射二次成像光學系統(tǒng)，具有加工、裝調(diào)簡單，光學被動無熱化以及能量利用率高等特點。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

由于長波紅外8 μm～12 μm與激光1.064 μm波段相差較遠，以及導引頭產(chǎn)品對于體積的嚴格限制，紅外/激光雙模導引頭通常采用寬波段共光路設(shè)計。此外，紅外透射材料的溫度折射率系數(shù)較大，紅外通道需要無熱化設(shè)計，并且對于非制冷長波紅外探測器，往往需要小F數(shù)的光學系統(tǒng)[5-6]。對于激光通道則要求具有較高的線性度和透過率[7]。

一般紅外/激光共光路設(shè)計可采用透射式或折反式。透射式需要大口徑寬波段透射材料，其透過率和重量限制其在導引頭產(chǎn)品上的應用。折反式系統(tǒng)能夠避免純反射式系統(tǒng)視場小的缺點，同時具有色差小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，廣泛應用于寬波段共口徑光學系統(tǒng)[8-10]。

折反式光路可以采用兩種分光方式：次鏡分光和傾斜平板分光。次鏡分光可以有效節(jié)省空間，不需要寬光譜透射材料。但是，次鏡前端需要固定激光透鏡組件和激光探測器，使得次鏡支架負載加大，軸外視場的遮擋增大，給系統(tǒng)的可靠性帶來影響。而平板分光方式，次鏡安裝穩(wěn)定，便于裝調(diào)，但是目鏡組設(shè)計需要寬光譜材料?？紤]導引頭產(chǎn)品對抗過載能力以及穩(wěn)定性的要求，選用平板分光方式。系統(tǒng)整體布局如圖1所示，設(shè)計指標見表1所示。

導引頭產(chǎn)品俯仰，偏航回轉(zhuǎn)軸交點通常位于頭罩的球心處。為了使回轉(zhuǎn)角度最大，口徑最大的光學零件應位于回轉(zhuǎn)軸附近，因此，主鏡應位于頭罩球心附近。主鏡后端通過光具座將紅外、激光通道串聯(lián)起來,分光鏡必須在主鏡后端，并且預留足夠的安裝距離。激光通道總長度應小于主鏡口徑的一半，并且控制紅外通道的總長，才能滿足系統(tǒng)規(guī)定的回轉(zhuǎn)角度。為了減小分光鏡尺寸，將頭部望遠系統(tǒng)出瞳設(shè)置在分光鏡附近，同時設(shè)置激光窄帶濾光片位于平行光路中，以提高濾光效率。

圖1 系統(tǒng)整體布局Fig.1 Integral layout of system

表1 系統(tǒng)指標要求Table 1 System index requirements

2 光學系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計指標要求，結(jié)合所選探測器參數(shù)，可得各通道參數(shù)如表2所示。

表2 光學系統(tǒng)設(shè)計指標Table 2 Design parameters of optical system

在設(shè)計過程中由于傾斜平板分光鏡使得紅外通道存在非對稱像差，因此設(shè)計優(yōu)化時以紅外通道為主，以此確定頭部共光路部分，再設(shè)計激光通道。一般頭部反射式結(jié)構(gòu)選用卡塞格林式系統(tǒng)以消除球差。卡式系統(tǒng)的主鏡為拋物面，可選用金屬材料，利用單點金剛石車床加工；次鏡為雙曲面，加工通常需要耗費大量的時間和費用，同時其安裝位置精度要求很高，需要借助干涉儀輔助裝調(diào)。為此，在設(shè)計時將次鏡簡化為平面反射鏡，即采用類似牛頓式的結(jié)構(gòu)形式，以減小系統(tǒng)的成本和裝調(diào)難度。

目鏡組材料選用多光譜材料，如硫化鋅、硒化鋅，保證長波紅外和激光均有較高的透過率。由于次鏡簡化為平面，所以目鏡組要校正主鏡的球差以及軸外像差，設(shè)計時引入非球面，以提高系統(tǒng)優(yōu)化自由度，減少透鏡的數(shù)量。

圖2 光路示意圖Fig.2 Schematic diagram of optical path

2.1 紅外無熱化設(shè)計

由于紅外材料的折射率溫度系數(shù)相比于可見光玻璃要大的多，通常紅外系統(tǒng)需要考慮無熱化設(shè)計,折反射式系統(tǒng)可借助二次成像的方法實現(xiàn)光學被動無熱化設(shè)計。如圖3所示，溫度變化時，主鏡曲率變化導致一次像面的移動，與紅外透射組材料折射率變化產(chǎn)生的像面移動方向相反。因此合理選擇主鏡、鏡筒和紅外透鏡材料，結(jié)合光焦度分配能夠?qū)崿F(xiàn)像面的穩(wěn)定[11-13]。

圖3 折反式二次像面無熱化示意圖Fig.3 Schematic diagram of optical athermalization by catadioptric second image plane

當溫度變化時，主鏡曲率、主次鏡間隔發(fā)生變化，導致一次像面的位移量ΔL為

(1)

式中:r為主鏡曲率半徑;αp為主鏡材料線膨脹系數(shù);Lk為主次鏡間隔;αt為鏡筒材料的線膨脹系數(shù);ΔT為溫度變化量。

根據(jù)成像公式，焦距為f′的紅外透鏡組，當焦距為f′+Δf′，物距為L+ΔL時，則像距為

(2)

式中:Δf′為溫度變化造成紅外透鏡組的焦距變化量;L為一次像面到紅外透鏡組的物距。

(3)

通常主鏡選用線膨脹系數(shù)較大的鋁合金材料，一方面其曲率變化大有助于補償熱差，另一方面，經(jīng)過失效處理的鋁合金如6061-T6材料，可利用單點金剛石車床加工，加工成本低、面型精度高。同時，鏡筒材料也為鋁合金，有效避免了高低溫下鏡筒對主鏡面型的影響。次鏡可選用石英等常用光學材料。紅外透鏡組選用ZnSe、ZnS、硫系玻璃等折射率溫度系數(shù)較小的紅外材料，并且使用高次非球面用于補償主次鏡組合的剩余像差。

2.2 遮擋優(yōu)化

在設(shè)計過程中，發(fā)現(xiàn)由于次鏡簡化為平面反射鏡，后端的目鏡組靠近次鏡有助于像差的補償。如圖4所示，在目鏡組透鏡靠近次鏡的過程中，經(jīng)主鏡反射到次鏡的部分光線可能會被目鏡組所遮擋，影響系統(tǒng)的能量和成像質(zhì)量。因此，在設(shè)計過程中利用Code V自定義約束，控制通過次鏡邊緣的光線在目鏡組透鏡1處的高度大于目鏡透鏡1的半口徑，同時，約束次鏡的線遮攔系數(shù)，使其小于0.3。

圖4 目鏡組光線遮擋示意圖Fig.4 Light obstructing of eyepiece group

3 設(shè)計結(jié)果

3.1 紅外通道

利用Code V優(yōu)化完成后紅外通道不同溫度下的傳遞函數(shù)如圖5所示。由于次鏡的中心遮攔，使得中頻段的傳遞函數(shù)明顯降低。在特征頻率35.7 lp/mm處，不同溫度、視場MTF均大于0.2，相對照度均大于85%，滿足紅外成像質(zhì)量要求。

圖5 不同溫度下紅外通道傳遞函數(shù)曲線Fig.5 Infrared channel MTF at different temperatures

將透鏡加邊后設(shè)置孔徑類型及尺寸，分析系統(tǒng)漸暈。各視場的漸暈系數(shù)如表3所示。從表3可以看出，系統(tǒng)的漸暈系數(shù)在合理范圍內(nèi)，證明目鏡組對于視場的遮攔控制有效。

表3 紅外通道不同視場的漸暈系數(shù)Table 3 Infrared channel vignetting coefficient in different FOVs

利用Code V對紅外通道進行MTF公差靈敏度分析，所有公差采用軟件默認值。針對36 lp/mm空間頻率處，中心視場MTF為0.3，分析結(jié)果顯示99.9%的概率下降到0.21。在現(xiàn)有公差要求下，邊緣視場的MTF下降比較明顯，整體能夠滿足使用要求。

圖6 典型空間頻率下MTF及其概率曲線Fig.6 MTF and its probability curve at typical spatial frequency

3.2 激光通道

激光探測器離焦使用，各視場的點列斑如圖7所示。從圖7可以看出0°～1°視場范圍內(nèi)光斑尺寸基本一致，全視場內(nèi)光斑分布均勻。

圖7 激光通道不同視場光斑Fig.7 Light spots in different FOVs of laser channel

利用Lighttools仿真激光線性區(qū)直線度。如圖8所示，將接收器劃分為4部分，隨機追跡光線，記錄不同區(qū)域的能量或光線數(shù)A B C D，則能夠計算出不同入射角度下，光斑質(zhì)心的歸一化偏移量[14-15]：

圖8 仿真光斑質(zhì)心偏移Fig.8 Simulated spot centroid offset

(4)

(5)

利用一次函數(shù)擬合光斑質(zhì)心歸一化偏移量與入射角之間的關(guān)系，如圖9所示。從擬合誤差系數(shù)R2=0.991可以看出滿足入射角測量精度要求。

圖9 光斑歸一化偏移量與入射角Fig.9 Normalized offset and incident angle

4 結(jié)論

設(shè)計了一種折反式紅外/激光復合導引頭用光學系統(tǒng)。為了降低成本和裝調(diào)難度，將卡式系統(tǒng)次鏡簡化為平面反射鏡，利用反射式系統(tǒng)結(jié)合一次像面補償紅外通道的熱差，合理優(yōu)化光路結(jié)構(gòu)形式，減小光路內(nèi)部的遮擋，在近平行光路中設(shè)置平板分光和激光窄帶濾光片。最終設(shè)計紅外通道的成像質(zhì)量和激光通道的線性區(qū)均滿足要求。該系統(tǒng)具有成本低、裝調(diào)簡便、結(jié)構(gòu)緊湊的特點，可廣泛用于紅外/激光復合導引頭。