可見與紅外雙波段折反光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

陳 姣，欒亞東，胡 博，王 凌，騰國奇，張 博，林小娟

(西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引言

光電導(dǎo)引頭以其靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、區(qū)分多目標(biāo)能力高等特點(diǎn),應(yīng)用在空對海、空對地導(dǎo)彈等方面, 受到各國的廣泛關(guān)注。國內(nèi)在光電導(dǎo)引頭方面技術(shù)相對發(fā)展較慢，大多以簡單的CCD、非制冷熱像儀或直接使用其他導(dǎo)彈導(dǎo)引頭為主。目前，一般導(dǎo)引頭配備的可見光與紅外傳感器分屬2個光學(xué)系統(tǒng)，體積大，難以滿足機(jī)載設(shè)備發(fā)展需求。而在多模成像導(dǎo)引頭方面，還在技術(shù)攻關(guān)，對光電系統(tǒng)的研究涉及不深，因此急需開展相關(guān)研究?；诖?，本文進(jìn)行了紅外與電視傳感器的共光路設(shè)計，適應(yīng)機(jī)載小型化、輕量化的環(huán)境要求，實(shí)現(xiàn)了寬光譜范圍內(nèi)均有良好的成像質(zhì)量。

在軍事應(yīng)用中，由于目標(biāo)的偽裝，單一波段的信息減弱，輻射波段移動等，使成像系統(tǒng)不能探測到目標(biāo)存在或探測的準(zhǔn)確度下降。因而西方軍事強(qiáng)國為提高自身生存能力和發(fā)現(xiàn)敵對目標(biāo)概率，很早就提出了雙波段成像系統(tǒng)的研究[1-2]。

目標(biāo)在不同光譜頻段表現(xiàn)的光學(xué)特征有較大差異，可以利用多波段來實(shí)現(xiàn)全天候、高分辨率目標(biāo)偵察。常用雙波段成像系統(tǒng)由兩種方式構(gòu)成：1) 由2個分別響應(yīng)不同波段的探測器共光路或部分共光路系統(tǒng)構(gòu)成；2) 用一個能夠響應(yīng)2個波段的雙波段探測器共光路系統(tǒng)構(gòu)成。本文所設(shè)計的雙波段系統(tǒng)采用第一種構(gòu)成方式，采用2個通道，且來自不同的電磁波段區(qū)，所含的目標(biāo)背景信息量增加一倍，提高了成像系統(tǒng)探測、識別目標(biāo)的能力。因此雙波段成像技術(shù)研究對軍事領(lǐng)域和民用技術(shù)發(fā)展均有重要意義。

1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

該光學(xué)系統(tǒng)中，電視與紅外系統(tǒng)選用共次反鏡設(shè)計，電視系統(tǒng)采用759像素×596像素的1/3″ CCD，像元尺寸為6 μm×6 μm，紅外系統(tǒng)采用640×480非制冷焦平面探測器，像元尺寸為23.5 μm×23.5 μm。

1.1 主要的技術(shù)指標(biāo)

光學(xué)設(shè)計指標(biāo)如表1所示。

表1 光學(xué)設(shè)計指標(biāo)Table 1 Optical design parameters

1.2 光學(xué)方案

該方案采用雙模單通道工作模式，由紅外和電視工作模式構(gòu)成，為適應(yīng)小型化需要，兩路光學(xué)系統(tǒng)采用折反形式，共用前端卡塞格林反射系統(tǒng)中的次反射鏡，利用平面反射鏡的打進(jìn)打出功能實(shí)現(xiàn)兩路光學(xué)系統(tǒng)的快速切換，剩余像差分別由紅外中繼鏡組及電視中繼鏡組進(jìn)行校正，其方案原理如圖1所示。

圖1 光學(xué)方案Fig.1 Optical sketch

1.3 卡塞格林反射系統(tǒng)計算及中心遮攔

光學(xué)系統(tǒng)選用折反式方案，其中反射系統(tǒng)采用卡塞格林反射系統(tǒng)，主反射鏡采用拋物面，次反射鏡采用雙曲面，同時消球差和彗差，如圖2所示。

在卡塞格林系統(tǒng)中，遮攔程度是卡塞格林系統(tǒng)中一個重要的參數(shù)。在紅外光路中，折反系統(tǒng)總長要求較小，且隨著視場和相對孔徑的增大，像質(zhì)越難校正。要兼顧中心遮攔比以及像質(zhì)兩方面要求，需選取合適的主次鏡間隔及面型參數(shù)，減小次鏡的有效口徑，降低遮攔比，滿足設(shè)計要求。

圖2 卡塞格林反射系統(tǒng)Fig.2 Cassegrain reflecting system

1.4 中繼透鏡設(shè)計

根據(jù)紅外探測器特點(diǎn)和系統(tǒng)要求，紅外物鏡選用單晶鍺和化學(xué)汽相沉積硒化鋅(CVD ZnSe)構(gòu)成中繼透鏡形式，正透鏡材料為單晶鍺，負(fù)透鏡材料為硒化鋅，CVD硒化鋅的引入減少了紅外系統(tǒng)光學(xué)材料的吸收。紅外中繼透鏡組承擔(dān)光焦度較大，像差校正困難，在紅外中繼透鏡中引入非球面用于校正球差、彗差和其他像差，保證像質(zhì)滿足要求。

電視中繼系統(tǒng)選用理化性能較好、易于加工的常用環(huán)保型光學(xué)玻璃材料，且優(yōu)選高折射率的光學(xué)玻璃，利于結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)現(xiàn)小型化的目的。選用材料有HQK3L、HLAF3B等，利用材料的合理匹配消除系統(tǒng)色差及剩余像差，保證成像質(zhì)量。

在紅外和電視系統(tǒng)中，中繼透鏡的設(shè)計均采用薄透鏡的像差理論，按照薄透鏡消色差條件和組合光焦度與各組份光焦度的關(guān)系有[3]

(2)

式中：Φ為光焦度；v為材料阿貝數(shù)；h為軸上光線的相對入射高度。

1.5 次反射鏡分光設(shè)計

系統(tǒng)采用紅外/可見共次反射鏡設(shè)計，次反射鏡利用分光膜層設(shè)計實(shí)現(xiàn)反射紅外波段透射可見波段。為了提高光學(xué)系統(tǒng)的光能傳輸效率，利用TFCalc光學(xué)膜層設(shè)計軟件設(shè)計減反射膜層及反射膜層曲線，在次鏡表面鍍制600 nm～900 nm的減反射膜及8 μm～12 μm的反射膜，其平均透過率達(dá)到85%，反射率達(dá)到90%，其強(qiáng)度、環(huán)境適應(yīng)性均可符合《光學(xué)零件鍍膜》(JB/T 8226.1-1999)中減反膜及反射膜鍍制的相關(guān)要求，保證了整個光學(xué)系統(tǒng)的能量傳遞。

2 設(shè)計結(jié)果

利用光學(xué)設(shè)計軟件CODE-V進(jìn)行多次像差優(yōu)化設(shè)計，得到符合技術(shù)指標(biāo)的紅外及可見光學(xué)系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of optical system

系統(tǒng)采用電視、紅外兩路光學(xué)系統(tǒng)共光路設(shè)計，共用前端卡塞格林反射系統(tǒng)中的次反射鏡。次反射鏡采用了透射可見光波段，反射紅外波段的光譜分光膜層設(shè)計技術(shù)。由于前端采用反射系統(tǒng)，雜散光對系統(tǒng)成像質(zhì)量影響較大，因此在一次像面處設(shè)置視場光欄，遮擋雜散光的進(jìn)入，提高系統(tǒng)的信噪比。

3 像質(zhì)評價

依據(jù)像差設(shè)計理論進(jìn)行分析，并通過光學(xué)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，得到紅外及電視光學(xué)系統(tǒng)。本文主要使用調(diào)制傳遞函數(shù)MTF 和點(diǎn)列圖對紅外及電視光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行評價，最終設(shè)計、優(yōu)化得到系統(tǒng)各個視場的MTF 和點(diǎn)列圖如圖4～圖7所示。由圖4～圖7可知，各個視場的像差得到了嚴(yán)格的校正，各視場的MTF均接近衍射極限，達(dá)到成像清晰分辨高的要求。

圖4 紅外系統(tǒng)MTF曲線Fig.4 MTF curves for IR system

圖5 紅外系統(tǒng)點(diǎn)列圖Fig.5 Spot diagram for IR system

圖6 電視系統(tǒng)MTF曲線Fig.6 MTF curves for TV system

圖7 電視系統(tǒng)點(diǎn)列圖Fig.7 Spot diagram for TV system

4 紅外系統(tǒng)雜散光仿真分析與設(shè)計

光學(xué)系統(tǒng)中的雜散光是光學(xué)系統(tǒng)中到達(dá)探測器的非目標(biāo)光線，主要與光線通過光學(xué)元件的表面的光學(xué)特性有關(guān)，其能量傳輸方程可表示為

dΦc= BRDF(Φi，θi，Φc，θc)·dΦs(Φi，θi)·

GCFSC·π

式中：dΦc是探測器接收到的能量；dΦs(Φi，θi)是雜散光源輻射出的能源微量；BRDF(Φi，θi，Φc，θc)是雙向反射分布函數(shù)；GCFSC是探測器與雜散光源間的幾何構(gòu)成因子。

在雜散光的分析與設(shè)計中，應(yīng)使探測器與雜散光源間的幾何構(gòu)成因子GCFSC盡可能地接近于零。因此，在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中需要考慮消雜光措施，采用光電一體化技術(shù)設(shè)計，在適當(dāng)位置加裝遮光罩及消雜光光欄，機(jī)械內(nèi)壁采用黑色無光氧化等措施，對雜散光進(jìn)行散射、反射和吸收，大幅度降低雜散光能量。

利用LightTools軟件對紅外系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，圖8為視場范圍內(nèi)紅外系統(tǒng)不同口徑所對應(yīng)的光線追跡圖。

通過仿真分析可以看出，視場外雜光能夠進(jìn)入接收靶面?？紤]到目前的消雜光設(shè)計技術(shù)，采用在主鏡處加裝錐形遮光罩，其尺寸大小及位置如圖9所示，該措施有效地對雜散光進(jìn)行散射、反射和吸收，降低雜散光對成像的影響。

圖8 紅外系統(tǒng)視場內(nèi)光線追跡圖Fig.8 Ray trace for IR system

圖9 紅外系統(tǒng)錐形遮光罩尺寸及位置Fig.9 Size and position of conic hood for IR system

此外，紅外折反系統(tǒng)還有來自內(nèi)部輻射的雜散光，主要是指鏡筒內(nèi)部的自身輻射。該方面的分析需結(jié)合機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)一步地深入探索分析，必要時應(yīng)對整個系統(tǒng)進(jìn)行制冷，并對鏡筒內(nèi)壁及遮光罩進(jìn)行相應(yīng)的涂層處理，抑制光學(xué)系統(tǒng)雜散輻射。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了紅外/可見雙波段折反光學(xué)系統(tǒng)，采用雙模單通道的工作模式，突破了傳統(tǒng)紅外折反光學(xué)系統(tǒng)視場小的局限性，視場可達(dá)到5.8°。該設(shè)計符合導(dǎo)引頭小型化、輕量化的環(huán)境要求，提高了成像系統(tǒng)探測、識別目標(biāo)的能力。

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