一種緊湊型三波段共孔徑光學(xué)系統(tǒng)

李文強(qiáng) 趙 翔 趙克軍

（中國(guó)航空工業(yè)洛陽(yáng)電光設(shè)備研究所，河南 洛陽(yáng)471009）

1 概述

在機(jī)載光電探測(cè)領(lǐng)域常使用多波段混合探測(cè)實(shí)現(xiàn)全天候監(jiān)視偵查，利用目標(biāo)在不同波段下成像的特征信息不同，提高發(fā)現(xiàn)概率?？梢?jiàn)光波段波長(zhǎng)短分辨率高，但是只能在光照充足的情況下使用，紅外波段利用溫差進(jìn)行探測(cè)，能夠晝夜進(jìn)行觀測(cè)，但是波長(zhǎng)比可見(jiàn)光長(zhǎng)，分辨率相對(duì)可見(jiàn)光小一些。通過(guò)多波段混合探測(cè)能夠?qū)Ρ尘斑M(jìn)行抑制，提高目標(biāo)的探測(cè)發(fā)現(xiàn)概率，降低虛警率[1-5]。

本文采用共卡式的光學(xué)系統(tǒng)，將可見(jiàn)光、短波紅外、中波紅外融合在一起，通過(guò)共用口徑大幅度壓縮多波段光學(xué)系統(tǒng)的體積。分光位于卡式像點(diǎn)附近，采用分光平面鏡和棱鏡的組合減小了分光部分所需空間，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)空間緊湊，實(shí)現(xiàn)了三波段共孔徑設(shè)計(jì)。

2 共口徑光學(xué)構(gòu)型分析

2.1 共口徑構(gòu)型選擇

共口徑有共透射式，反射式等構(gòu)型，共透鏡構(gòu)型對(duì)三波段色差大，需要鏡片數(shù)量較多，且難以實(shí)現(xiàn)大口徑設(shè)計(jì)。共反射式可通過(guò)光路折轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)光路尺寸壓縮，共反射式有同軸和離軸兩種形式，離軸系統(tǒng)加工裝調(diào)難度大，所需空間體積較大，本光學(xué)系統(tǒng)采用共卡式構(gòu)型，加工裝調(diào)難度相對(duì)較小。

卡式主次鏡優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)候需要計(jì)算出一個(gè)初始結(jié)構(gòu)，初始結(jié)構(gòu)輸入到仿真軟件優(yōu)化計(jì)算。主次鏡曲率半徑滿(mǎn)足如下公式：

其中，F(xiàn) 是組合焦距，B 是后截距，D 是兩個(gè)反射鏡間隔，計(jì)算出初始結(jié)構(gòu)以后可在設(shè)計(jì)軟件中優(yōu)化主次鏡具體參數(shù)，不同類(lèi)型非球面反射鏡可在球面鏡基礎(chǔ)上增加非球面系數(shù)實(shí)現(xiàn)，非球面的方程如下。

當(dāng)k=0，高次項(xiàng)系數(shù)為0 時(shí)，面型為球面，當(dāng)k=-1，高次項(xiàng)為0 時(shí)面型為拋物面，當(dāng)k＜-1，高次項(xiàng)為0 時(shí)面型為雙曲面，當(dāng)-1＜k＜0，高次項(xiàng)為0 時(shí)面型為橢球面，當(dāng)k=0，高次非球面系數(shù)不為0 時(shí)面型為高次非球面。通過(guò)主次鏡不同非球面類(lèi)型搭配可提高校正像差能力。

主次鏡設(shè)計(jì)為中心視場(chǎng)完善成像系統(tǒng)，可以單獨(dú)裝調(diào)主次鏡，降低裝調(diào)難度，常用的面型組合有：主鏡拋物面，次鏡雙曲面或高次非球面；主鏡雙曲面，次鏡雙曲面或高次非球面；主鏡高次非球面，次鏡球面。

2.2 不同波段分光形式

不同波段成像探測(cè)器不同，需要在共口徑之后光路進(jìn)行分光，通過(guò)兩次分光實(shí)現(xiàn)三波段分光進(jìn)入不同探測(cè)器，分光位置確定為卡式主次鏡會(huì)聚點(diǎn)附近，使得分光鏡的尺寸較小，通常分光膜透射長(zhǎng)波，反射短波，第一次分光實(shí)現(xiàn)中波紅外透射，可見(jiàn)光和短波紅外反射，第二次分光實(shí)現(xiàn)短波紅外透射，可見(jiàn)光反射。

由于紅外制冷探測(cè)器的冷反射現(xiàn)象，光路中平面會(huì)引入冷反射，紅外分光鏡為傾斜平面分光鏡，切斜鏡片會(huì)引入非對(duì)稱(chēng)像差，影響透射紅外像質(zhì)，分光鏡傾斜角度為25°保證中波紅外成像質(zhì)量?？梢?jiàn)光和短波紅外采用分光棱鏡進(jìn)行分光。

3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 光學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)要求

光學(xué)設(shè)計(jì)中波紅外采用640×512 制冷型探測(cè)器，像元尺寸15μm。短波紅外采用640×512 探測(cè)器，像元尺寸15μm?？梢?jiàn)光采用1920×1080 探測(cè)器，像元尺寸5.5um。

光學(xué)參數(shù)如下：

（1）工作波段：0.4μm～0.7μm、0.9μm～1.7μm、3.7μm～4.8μm；

（2）光學(xué)口徑：200mm；

（3）光學(xué)系統(tǒng)工作F 數(shù)：可見(jiàn)光6、短波紅外6、中波紅外4；

（4）光學(xué)系統(tǒng)焦距：可見(jiàn)光1200mm、短波紅外1200mm、中波紅外800mm；

（5）全視場(chǎng)：可見(jiàn)光0.5°×0.28°、短波紅外0.46°×0.37°、中波紅外0.69°×0.55°；

（6）畸變：≤5%。

3.2 光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)型

主鏡采用拋物面面型，次鏡為雙曲面面型組合，能夠保證中心視場(chǎng)完善成像，該組合方便加工檢測(cè)。主次鏡后通過(guò)一個(gè)平面鏡和棱鏡對(duì)三個(gè)波段光進(jìn)行分光，使得各光路無(wú)共用透鏡，便于個(gè)波段校正色差和像差，同時(shí)可有效提高透過(guò)率。中波紅外通過(guò)分光鏡透射，避免了棱鏡分光的冷反射，可見(jiàn)光和短波紅外經(jīng)過(guò)分光鏡反射，通過(guò)分光棱鏡實(shí)現(xiàn)分光，避免平面分光鏡引入非對(duì)稱(chēng)像差。

3.3 光學(xué)系統(tǒng)性能分析

光學(xué)系統(tǒng)的MTF 如圖所示，可見(jiàn)光在90lp/mm 光學(xué)傳函在0.4 以上，短波紅外在33lp/mm 光學(xué)傳函在0.45 以上，中波紅外在33lp/mm 光學(xué)傳函在0.2 以上，設(shè)計(jì)指標(biāo)能夠滿(mǎn)足光電探測(cè)使用要求。

（可見(jiàn)光）

（短波紅外）

光學(xué)系統(tǒng)的MTF

光學(xué)系統(tǒng)的畸變，各波段畸變均小于4%。

4 結(jié)論

通過(guò)共卡式實(shí)現(xiàn)了中波紅外、短波紅外、可見(jiàn)光共孔徑設(shè)計(jì)，在會(huì)聚光路中一次像點(diǎn)附近分光實(shí)現(xiàn)整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)緊湊化設(shè)計(jì)，三波段共用鏡片較少能夠提高各波段透過(guò)率。該設(shè)計(jì)能用在機(jī)載光電探測(cè)設(shè)備上，多波段探測(cè)提高發(fā)現(xiàn)識(shí)別概率，通過(guò)共孔徑可增大光學(xué)口徑，提高作用距離，壓縮系統(tǒng)體積。