激光/紅外共孔徑無(wú)熱化緊湊型光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賀祥清，廖小軍，段 媛，張灝燁

激光/紅外共孔徑無(wú)熱化緊湊型光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賀祥清1,2，廖小軍1,2，段 媛1,2，張灝燁1,2

（1. 四川長(zhǎng)九光電科技有限責(zé)任公司，四川 綿陽(yáng) 621000；2. 四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 綿陽(yáng) 621000）

基于激光測(cè)距和紅外目標(biāo)探測(cè)需求，設(shè)計(jì)了激光/紅外共孔徑無(wú)熱化緊湊型光學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)如下：工作波段為1.064mm激光和7.7～9.3mm長(zhǎng)波紅外，入瞳直徑均為120mm；激光焦距為800mm；長(zhǎng)波紅外焦距為240mm，F(xiàn)數(shù)為2，視場(chǎng)為2.29°×1.83°。選擇帶有Ritchey-Chretien（RC）反射系統(tǒng)的折反式光學(xué)布局，縮短系統(tǒng)縱向尺寸。光學(xué)系統(tǒng)共用主鏡和次鏡，利用次鏡實(shí)現(xiàn)激光和紅外分光。長(zhǎng)波紅外采用二次成像結(jié)構(gòu)，達(dá)到100%冷光闌效率。通過(guò)選擇合適的光學(xué)材料、結(jié)構(gòu)材料和合理分配光焦度，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)被動(dòng)式消熱差。在－50℃～＋70℃范圍內(nèi)，激光接收能量集中度高，長(zhǎng)波紅外成像質(zhì)量良好，滿足實(shí)際使用需求。

光學(xué)設(shè)計(jì)；激光測(cè)距；紅外成像；共孔徑；被動(dòng)式消熱差；緊湊型

0 引言

紅外搜索跟蹤（Infrared search and track，IRST）系統(tǒng)在夜視、高精度跟蹤和反隱身等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，已成為高技術(shù)軍事裝備發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)[1-2]。紅外搜索跟蹤系統(tǒng)常配置紅外熱像儀和激光測(cè)距機(jī)等光電傳感器，可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索、截獲、跟蹤和激光測(cè)距，以實(shí)現(xiàn)對(duì)軍事目標(biāo)的精確打擊。因此，世界主要軍事強(qiáng)國(guó)的機(jī)載、車載和艦載等武器裝備都配備了激光測(cè)距和紅外成像系統(tǒng)。

1.064mm和1.57mm激光測(cè)距技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已成熟并在軍事上得到廣泛的應(yīng)用。紅外成像系統(tǒng)是通過(guò)收集目標(biāo)的紅外輻射而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)。紅外輻射有中波3～5mm和長(zhǎng)波8～12mm兩個(gè)大氣窗口，3～5mm波段一般用于搜索溫差較大的目標(biāo)，8～12mm一般用于搜索溫差較小的目標(biāo)，中波和長(zhǎng)波紅外具有各自的優(yōu)點(diǎn)，可根據(jù)目標(biāo)特性和具體的使用條件進(jìn)行合理選擇[3]。

基于紅外搜索跟蹤系統(tǒng)在激光測(cè)距和紅外目標(biāo)探測(cè)方面的需要，激光/紅外復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)得到了高度重視。文獻(xiàn)[4]報(bào)道了激光/紅外共光路無(wú)熱化光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)采用1.57mm激光和3～5mm中波共光路，中波紅外焦距為150mm，F(xiàn)數(shù)為2，全視場(chǎng)為4.2°，在－50℃～＋70℃范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了無(wú)熱化設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[5]報(bào)道了中波紅外/激光雙模導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)小型化設(shè)計(jì)，采用3～5mm中波和1.06mm激光共光路，中波紅外入瞳直徑為75mm，焦距為150mm，全視場(chǎng)為4°；激光發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)焦距為16.67mm，口徑為7.52mm；激光接收系統(tǒng)焦距為130mm，口徑為75mm；該系統(tǒng)采用卡塞格林結(jié)構(gòu)，易于實(shí)現(xiàn)小型化。

本文根據(jù)實(shí)際的使用需求，設(shè)計(jì)了一套激光/紅外共孔徑無(wú)熱化緊湊型光學(xué)系統(tǒng)，工作波段為激光1.064mm和長(zhǎng)波7.7～9.3mm，激光選用APD（Avalanche Photodiode）探測(cè)器，長(zhǎng)波紅外選用320×256像元制冷型探測(cè)器。該系統(tǒng)采用共孔徑設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)大口徑、大視場(chǎng)探測(cè)目標(biāo)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)；進(jìn)行無(wú)熱化設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)在－50℃～＋70℃溫度范圍內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)1.064mm激光測(cè)距和7.7～9.3mm紅外成像。

1 設(shè)計(jì)原理

為設(shè)計(jì)出滿足要求的激光/紅外共孔徑光學(xué)系統(tǒng)，在光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式、冷光闌匹配、無(wú)熱化等方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

1.1 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

為縮短光學(xué)系統(tǒng)的總長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)緊湊型激光/紅外共孔徑光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇就變得至關(guān)重要[6]。常用光學(xué)系統(tǒng)主要有以下幾種結(jié)構(gòu)形式：折射式、反射式和折反式。折射式系統(tǒng)是最常用的光學(xué)系統(tǒng)，可以達(dá)到較大的視場(chǎng)和相對(duì)孔徑，但折射系統(tǒng)透射的紅外材料較少，在設(shè)計(jì)激光/紅外這種間隔較大的雙波段大口徑光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，校正二級(jí)色差難度較大。反射式系統(tǒng)一般有共軸反射和離軸三反結(jié)構(gòu)，共軸反射視場(chǎng)較小，且有中心遮擋，離軸反射系統(tǒng)的視場(chǎng)比共軸反射系統(tǒng)大，但其像差校正和加工、裝調(diào)難度較大。折反式系統(tǒng)是將反射鏡和校正透鏡組相結(jié)合的光學(xué)系統(tǒng)，為了得到較大的視場(chǎng)和校正球差及彗差，Ritchey和Chretien提出了改進(jìn)的卡塞格林式系統(tǒng)，即RC系統(tǒng)[7]，根據(jù)設(shè)計(jì)需要可在像面之前加入校正透鏡組。比較這3種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點(diǎn)，本文選擇帶有RC反射系統(tǒng)的折反式光學(xué)系統(tǒng)。

本光學(xué)系統(tǒng)采用激光接收和長(zhǎng)波紅外接收在RC反射系統(tǒng)前端望遠(yuǎn)部分共光路的方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)用性較強(qiáng)，激光紅外波段共用RC反射系統(tǒng)，之后由分色鏡分成激光和長(zhǎng)波紅外兩個(gè)波段，兩波段再采用折射式系統(tǒng)，分別校正像差。

1.2 實(shí)現(xiàn)100%冷光闌效率

長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)采用320×256制冷探測(cè)器件，為了對(duì)雜散熱輻射的抑制，必須考慮探測(cè)器的冷光闌[8]。光瞳銜接原則決定了光學(xué)系統(tǒng)的出瞳位置和大小，為滿足100%冷光闌效率，需保證光學(xué)系統(tǒng)的出瞳與探測(cè)器冷光闌相匹配。大視場(chǎng)成像系統(tǒng)的有效焦距通常較短，為了保證足夠的工作距離，可采用二次成像構(gòu)型[9]。一方面，一次成像系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)冷光闌匹配，必然使得制冷型紅外光學(xué)系統(tǒng)的徑向口徑過(guò)大，因此為了減小系統(tǒng)徑向尺寸，可在一次像面后方追加二次成像結(jié)構(gòu)。另一方面，二次成像結(jié)構(gòu)對(duì)于校正光學(xué)像差會(huì)相對(duì)容易，光學(xué)系統(tǒng)第一組態(tài)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的光焦度，第二組態(tài)負(fù)責(zé)二次成像，并配合平衡殘余像差。

1.3 無(wú)熱化設(shè)計(jì)

當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，光學(xué)元件的尺寸（曲率半徑、厚度）和折射率以及光學(xué)元件之間的間隔均會(huì)發(fā)生改變，這些變化會(huì)導(dǎo)致不同溫度條件下的成像質(zhì)量變差，因?yàn)樾枰獙?duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行消熱差[10-11]。目前消熱差的方法主要有以下3種：①機(jī)械主動(dòng)式補(bǔ)償；②機(jī)械被動(dòng)式補(bǔ)償；③光學(xué)被動(dòng)式補(bǔ)償。機(jī)械主動(dòng)式和機(jī)械被動(dòng)式是兩種比較傳統(tǒng)的方法，但是這兩種方法都引入了補(bǔ)償裝置，系統(tǒng)重、體積大、可靠性和環(huán)境穩(wěn)定性也不好。而光學(xué)被動(dòng)式方法利用光學(xué)材料及結(jié)構(gòu)材料熱特性之間的差異進(jìn)行相互補(bǔ)償來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)熱化設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕，系統(tǒng)可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。本文系統(tǒng)要求做到結(jié)構(gòu)緊湊和體積小，所以選用光學(xué)被動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆绞健?/p>

透鏡光焦度隨溫度變化表示為[12]：

式中：為透鏡的光焦度；g為透鏡材料的熱膨脹系數(shù)；d/d為透鏡材料的折射率溫度系數(shù)。多數(shù)情況下，焦距隨溫度變化而減小，公式常寫成D＝D，為透鏡材料的光熱膨脹系數(shù)：

光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)像面的焦移需考慮鏡筒隨溫度的變化：

式中：D為光學(xué)系統(tǒng)焦距的變化量；mount為結(jié)構(gòu)材料的線膨脹系數(shù)。

這里Ritchey-Chretien作為物鏡組，主、次鏡采用相同的基底材料，支撐結(jié)構(gòu)件選用與其熱膨脹系數(shù)相同或相近的材料，保證光學(xué)零件和機(jī)械零件均勻地膨脹和收縮，則主次鏡的熱離焦量接近零。

目鏡組的消熱化設(shè)計(jì)必須同時(shí)滿足光焦度、消色差和消熱差的要求，通常需要3種不同材料的組合才能實(shí)現(xiàn)光學(xué)消熱。假設(shè)3片鏡由一片單透鏡和一組雙膠合透鏡組成，那么必須滿足以下3個(gè)方程：

式中：1、2、3為第一近軸光線在各透鏡的高度；1、2、3為透鏡的光焦度；為系統(tǒng)的總光焦度；1、2、3為光學(xué)材料的阿貝數(shù)；1、2、3為光學(xué)材料的光熱膨脹系數(shù)。設(shè)計(jì)時(shí)，先通過(guò)求解方程組得到系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)，然后利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到消熱差激光和長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)的最終結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)激光測(cè)距距離和紅外探測(cè)距離要求，計(jì)算了激光接收和長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，見(jiàn)表1。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 光路布局

由于激光紅外共孔徑光學(xué)系統(tǒng)要求結(jié)構(gòu)尺寸盡量緊湊，本文選擇帶有RC反射系統(tǒng)的折反式光學(xué)系統(tǒng)，結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果，采取“П”型布局。將長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)通過(guò)兩個(gè)平面反射鏡進(jìn)行兩次折轉(zhuǎn)，成像于RC反射系統(tǒng)的側(cè)面；激光接收光路經(jīng)主、次鏡反射后，激光接收焦面會(huì)聚于主反射鏡背面。采用光機(jī)結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，將激光接收和長(zhǎng)波紅外光路的光學(xué)零件和探測(cè)器組件安裝在同一基座上，精密調(diào)校兩個(gè)光路的主光軸，保證了兩個(gè)光軸的一致性，也提高了光學(xué)系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力。

2.2.2 光學(xué)材料選擇

1.064mm激光接收波段，可用的光學(xué)玻璃材料比較多，設(shè)計(jì)自由度大，像差校正相對(duì)容易。本文選取K9、SF3、SF4進(jìn)行激光接收光學(xué)系統(tǒng)的像差校正。

在長(zhǎng)波紅外波段（8～12mm）可用的光學(xué)材料非常有限且價(jià)格昂貴，這大大增加了長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)的像差校正難度，同時(shí)也限制了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的自由度。長(zhǎng)波波段常用的紅外材料有GaAs、Ge、ZnS、ZnSe、AMTIR1、CaF2等?？紤]到材料的化學(xué)穩(wěn)定性、光加性能和鍍膜性能，本文選取Ge、ZnS、ZnSe、AMTIR1進(jìn)行長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)的像差校正，其光學(xué)性能[12]見(jiàn)表2。

表2 紅外材料的光學(xué)性能

2.2.3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示，采用“П”型布局，引入長(zhǎng)波折疊反射鏡縮短了系統(tǒng)的縱向尺寸，使得系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，滿足安裝尺寸要求。光學(xué)系統(tǒng)前端為改進(jìn)的卡塞格林反射系統(tǒng)，即RC系統(tǒng)，主鏡尺寸較大，為方便光學(xué)加工和鍍膜，主鏡材料選擇融石英，次鏡材料為Ge，次鏡同時(shí)承擔(dān)了分色鏡的作用，次鏡的第一面反射1.064mm激光，透射長(zhǎng)波紅外，鍍制長(zhǎng)波通分色膜。經(jīng)過(guò)次鏡分色后，激光接收和長(zhǎng)波紅外分為兩個(gè)光路，便于校正光學(xué)像差。

長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)由前端望遠(yuǎn)系統(tǒng)和后端紅外成像鏡頭組成。前端望遠(yuǎn)系統(tǒng)包含主鏡、次鏡組和一片準(zhǔn)直透鏡。其中次鏡組第一個(gè)透鏡Ge的第一表面作為激光/紅外分色面，反射激光，透射長(zhǎng)波，次鏡組采用兩片式結(jié)構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)光焦度的貢獻(xiàn)分別為負(fù)、正，采用Ge和AMTIR1兩種材料校正中間像面的像差。由于殘余像差不大，準(zhǔn)直透鏡使用一片球面Ge透鏡可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的準(zhǔn)直。望遠(yuǎn)系統(tǒng)采用光機(jī)配合消熱設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)件盡量選用低膨脹率的材料。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為了達(dá)到100%冷光闌效率，后端紅外成像鏡頭采用二次成像結(jié)構(gòu)。對(duì)系統(tǒng)在－50℃～70℃溫度范圍內(nèi)，分析長(zhǎng)波紅外光路的離焦量與溫度的關(guān)系。通過(guò)合理分配光焦度、選用合適的光學(xué)材料和結(jié)構(gòu)材料、使用非球面等方法來(lái)平衡像差和實(shí)現(xiàn)紅外鏡頭的光學(xué)被動(dòng)消熱。前三片鏡的材料為AMTIR1、ZnS、AMTIR1，對(duì)光焦度的貢獻(xiàn)為正、負(fù)、正，初步校正一次像面的像差。后三片鏡的材料分別為ZnS、ZnSe、Ge，光焦度的貢獻(xiàn)為負(fù)、正、正，負(fù)責(zé)校正系統(tǒng)色差和熱差，其中靠近像面的Ge透鏡的第二個(gè)面為偶次高階非球面，有利于校正像差。

激光接收光學(xué)系統(tǒng)由主鏡、次鏡、二次成像鏡組組成。采用二次成像結(jié)構(gòu)，目的是在主、次鏡形成的一次像面處設(shè)置消雜光光闌，防止雜光進(jìn)入。二次成像鏡組材料為常用的光學(xué)玻璃K9、SF3和SF4，其中SF3透鏡第一表面為偶次高階非球面。由于光學(xué)玻璃的折射率和線膨脹系數(shù)隨溫度變化不敏感，易于實(shí)現(xiàn)消熱化設(shè)計(jì)。

在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中引入非球面，可提高光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量、減小光學(xué)元件的數(shù)量。為了減小光學(xué)系統(tǒng)的裝配公差，并兼顧加工成本，非球面通常設(shè)置在入射角度和出射角度較小的位置。為了降低光學(xué)元件的偏心公差，保證光學(xué)系統(tǒng)的裝配精度和成像質(zhì)量，設(shè)計(jì)時(shí)只在光學(xué)元件的一個(gè)表面使用了非球面。

2.3 像質(zhì)評(píng)價(jià)

2.3.1 激光接收

1）點(diǎn)列圖

按照幾何光學(xué)的觀點(diǎn)，點(diǎn)列圖中點(diǎn)的分布可以近似地代表像點(diǎn)的能量分布，利用這些點(diǎn)的密集程度能夠衡量光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的好壞。均方根半徑值反映了光能的集中程度，與幾何最大半徑值相比，更能反映光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。如果點(diǎn)列圖的均方根半徑值接近或小于艾里斑半徑，則光學(xué)系統(tǒng)接近衍射極限。設(shè)計(jì)的激光接收光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)列圖如圖2所示。

從圖2可以看出，在－50℃～70℃范圍內(nèi)，激光接收光學(xué)系統(tǒng)的彌散斑半徑均方根值接近艾里斑半徑，彌散斑在APD探測(cè)器光敏面直徑0.8mm范圍內(nèi)，成像質(zhì)量接近衍射極限，消熱差后光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)滿足設(shè)計(jì)要求。

2）能量集中度

能量集中度反映了光學(xué)系統(tǒng)各個(gè)視場(chǎng)在探測(cè)器靶面上的能量分布情況。由光學(xué)設(shè)計(jì)軟件得到激光接收光學(xué)系統(tǒng)光斑能量隨半徑變化的分布曲線，如圖3所示。其中橫坐標(biāo)為以高斯像點(diǎn)為中心的包容圓半徑，縱坐標(biāo)為該包容圓所包含的能量?？梢钥闯?，在20℃、－50℃和70℃時(shí)，激光接收全視場(chǎng)下，能量集中度高，接近衍射極限。

2.3.2 長(zhǎng)波紅外

1）調(diào)制傳遞函數(shù)

調(diào)制傳遞函數(shù)（Modulation Transfer Function，MTF）是紅外光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評(píng)價(jià)最常用的評(píng)價(jià)指標(biāo)，它能全面定量地反映光學(xué)系統(tǒng)的衍射和像差所引起的綜合效應(yīng)。圖4為長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)在20℃、－50℃和70℃時(shí)各視場(chǎng)的MTF曲線。由圖可見(jiàn)，長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)在－50℃～70℃范圍內(nèi)，在奈奎斯特頻率17lp/mm處，全視場(chǎng)內(nèi)的MTF均大于0.3；中心視場(chǎng)的MTF值接近衍射極限，MTF值大于0.4；邊緣視場(chǎng)的MTF值大于0.3，消熱差后光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)滿足使用要求。

2）點(diǎn)列圖

從圖5可以看出，長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)在－50℃～70℃范圍內(nèi)，中心視場(chǎng)的彌散斑半徑均方根值，小于艾里斑半徑，達(dá)到衍射極限；邊緣視場(chǎng)的彌散斑半徑略大于艾里斑半徑，接近衍射極限。消熱差后，長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量良好，彌散斑大部分都在一個(gè)像元尺寸30mｍ之內(nèi)，滿足光學(xué)系統(tǒng)與紅外探測(cè)器的匹配要求。

圖4 長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)MTF

3 結(jié)論

基于紅外搜索跟蹤系統(tǒng)在激光測(cè)距和紅外目標(biāo)探測(cè)方面的需求，根據(jù)理論分析，設(shè)計(jì)了一套適用于1.064mm激光測(cè)距和320×256像元的長(zhǎng)波紅外凝視焦平面陣列探測(cè)器的共孔徑無(wú)熱化緊湊型光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用帶有RC反射系統(tǒng)的折反式光學(xué)布局和“П”型結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了光機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的緊湊性。光學(xué)系統(tǒng)共用主鏡和次鏡，利用次鏡實(shí)現(xiàn)激光和紅外分光。長(zhǎng)波紅外采用二次成像結(jié)構(gòu)，達(dá)到100%冷光闌效率。通過(guò)合理分配光焦度、選擇合適的光學(xué)材料和結(jié)構(gòu)材料、使用非球面等方法，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)被動(dòng)式消熱差。在－50℃～70℃環(huán)境溫度下，1.064mm激光接收光學(xué)系統(tǒng)各視場(chǎng)彌散斑均方根半徑接近艾里斑半徑，遠(yuǎn)小于APD探測(cè)器的敏感元直徑0.8mm，能量集中度高；7.7～9.3mm長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)在奈奎斯特頻率17lp/mm處，中心視場(chǎng)的MTF值大于0.4，邊緣視場(chǎng)的MTF值大于0.3，接近衍射極限，成像性能良好。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，可應(yīng)用于機(jī)載、車載等平臺(tái)的紅外搜索、跟蹤、識(shí)別和激光測(cè)距領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] Jai Prakash Singh. An Algorithm for the Neural Fusion of IRST & RADAR for Airborne Target Detection[C]//, 2005: 0-7803-93 23-6/05.

[2] 陳潔, 張若嵐. 應(yīng)用于紅外搜索跟蹤和態(tài)勢(shì)感知系統(tǒng)的全景成像技術(shù)[J].紅外技術(shù), 2016, 38(4): 269-279.

CHEN Jie, ZHANG Ruolan.Panoramic Imaging Technology Applied in IRST and Status Awareness System[J]., 2016, 38(4): 269-279.

[3] 錢昂, 何友金, 劉亮. 反艦導(dǎo)彈中波與長(zhǎng)波紅外成像制導(dǎo)優(yōu)勢(shì)對(duì)比研究[J]. 紅外技術(shù), 2014, 36(8): 671-675.

QIAN Ang, HE Youjin, LIU Liang. A Comparative Study of the Advantage of Infrared Imaging Guidance Anti-ship Missiles Based on Medium Wave and Long-Wave[J]., 2014, 36(8): 671-675.

[4] 周子楠, 馬軍, 尉佩, 等. 激光/紅外共光路無(wú)熱化光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2015, 52: 012202-1- 012202-7.

ZHOU Zinan, MA Jun, YU Pei, et al. Laser/Infrared Optical System Design of Common Optical Path and Athermalization[J]., 2015, 52: 012202-1- 012202-7.

[5] 沈慶云. 中波紅外/激光雙模導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)小型化設(shè)計(jì)[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2012.

SHEN Qingyun. Miniaturization Design of Optical System of Middle Infrared/Laser Dual-Mode Seeker[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2012.

[6] 姜波, 吳越豪, 戴世勛, 等.緊湊型雙波段無(wú)熱化紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].紅外技術(shù), 2015, 37(12): 999-1004.

JIANG Bo, WU Yuehao, DAI Shixun, et al. Design of a Compact Dual-band Athermalized Infrared System[J]., 2015, 37(12): 999-1004.

[7] 胡家升.光學(xué)工程導(dǎo)論[M].2版, 大連: 大連理工大學(xué)出版社, 2006: 802-804.

HU Jiasheng.[M]. Second Edition, Dalian: Dalian University of Technology Press, 2006: 802-804.

[8] McCulloch P M, Olson C. Eliminating dewar narcissus artifacts induced by moving optics in infrared staring focal plane sensors[C]//, 2012, 8468: 848606-848606N.

[9] 劉鈞, 張璽斌, 高明. 制冷型中/長(zhǎng)紅外雙波段雙視場(chǎng)全景光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].應(yīng)用光學(xué), 2016, 37(3): 456-464.

LIU Jun, ZHANG Xibin, GAO Ming. Design of cold MWIR/LWIR infrared dual-band/dual-field panoramic optical system[J]., 2016, 37(3): 456-464.

[10] 李瑞瑤, 付躍剛, 劉智穎. 緊湊型中波紅外成像系統(tǒng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)[J]. 紅外技術(shù), 2018, 40(2):119-124.

LI Ruiyao, FU Yuegang, LIU Zhiying. Athermalization design of compact medium-wave infrared imaging system[J]., 2018, 40(2): 119-124.

[11] Mahajan V N.: Part1, Ray Geometrical Optics[M]//, 1998.

[12] Jamieson T H. Athermalization of optical instruments from the optomechanical viewpoint[C]//, 1992(43): 131-159.

Common Aperture and Athermalization Design of Compact Laser/Infrared Optical System

HE Xiangqing1,2，LIAO Xiaojun1,2，DUAN Yuan1,2，ZHANG Haoye1,2

(1.,621000,;2.,621000,)

Based on requirements of laser ranging and infrared target detection, a laser/ infrared compact optical system with a common aperture and athermalization is designed. The parameters of the optical system are defined as follows: the operating waveband covers 1.064mm of laser and 7.7-9.3mm of wavelength infrared radiation (LWIR), the diameters of the two entrance pupils are 120mm; the focal length of the laser is 800 mm; the focal length of the LWIR is 240 mm, the F-number is 2, the field of view is 2.29°×1.83°. the vertical size of system is shortened by utilizing a catadioptric optical system with RC. The laser system shares the primary mirror and secondary mirror with the LWIR system. The beam splitting of the laser and LWIR is achieved by the secondary mirror. By using the double imaging configuration, the LWIR system exhibits nearly 100% efficiency of the cold stop. Optical passive athermalization is realized by choosing the appropriate optical materials, mechanical materials and assigning the optical power. In the temperature range of -50℃ to 70℃, the energy concentration of the laser receiving optical system is extremely high, and the image quality of the LWIR system is also quite good, which satisfies the requirements of practical applications.

optical design, laser ranging, infrared imaging, common aperture, passive athermalization, compact

TN216

A

1001-8891(2020)05-0461-07

2019-08-16；

2020-04-10.

賀祥清（1978-），男，高級(jí)工程師，碩士，研究方向：主要從事光學(xué)和光機(jī)系統(tǒng)方面的研究工作。E-mail: 53149928@qq.com。