多波段共孔徑離軸三反光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

張 博，張 峰，劉永強(qiáng)

（西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065）

引言

美國在軍用光電裝備上一直引領(lǐng)著各國的發(fā)展，光電裝備應(yīng)用范圍已經(jīng)由最初的偵察監(jiān)視，逐步向滿足遠(yuǎn)程告警/預(yù)警、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同作戰(zhàn)、快速打擊、察打一體、無人作戰(zhàn)等需求方向拓展，其探測器波段也由傳統(tǒng)的可見光、紅外、激光等多光譜偵察成像，向高光譜、超光譜成像方向發(fā)展[1-3]。國內(nèi)裝備信息化作戰(zhàn)和轉(zhuǎn)型建設(shè)同樣對光電系統(tǒng)提出更高要求，使得光電偵察監(jiān)視的內(nèi)涵與外延發(fā)生了深刻的變化，遠(yuǎn)距離、大視角、多光譜、高分辨、高對比度的觀測特點，都對光電系統(tǒng)能力和智能化程度提出了更高要求[4-6]。目前，國內(nèi)軍用光電裝備主要采用多傳感器模塊化設(shè)計或傳統(tǒng)同軸共孔徑設(shè)計[7-9]，尚無采用離軸多反式結(jié)構(gòu)的多光譜共孔徑光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)軍事應(yīng)用。離軸多反式結(jié)構(gòu)有助于光電系統(tǒng)小型化與輕量化[10-13]，可在復(fù)雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境下實現(xiàn)“看得遠(yuǎn)、看得清、盯得住、辨得出”的偵察監(jiān)視能力，提升目標(biāo)態(tài)勢感知、遠(yuǎn)距目標(biāo)識別跟蹤等能力。

1 技術(shù)指標(biāo)

光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求如下：

1）口徑/mm：D=180;

2）中波紅外

探測器分辨率/pixels：1 280×1 024；

像元尺寸/μm：d=12；

視場/（°）：2.44×1.96；

3）短波紅外

探測器分辨率/pixels：640×512；

像元尺寸/μm：d=15；

視場/（°）：0.55×0.44；

4）電視

探測器分辨率/pixels:1 920×1 080；

像元尺寸/μm：d=4.5；

視場/（°）：0.55×0.31

2 設(shè)計思路

2.1 初始結(jié)構(gòu)

初始結(jié)構(gòu)是以同軸三反光學(xué)系統(tǒng)作為初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計的[14]，如圖1 所示。主鏡M1、次鏡M2和第三反射鏡M3，3 個鏡面的二次非球面系數(shù)分別為e1、e2、e3，半徑分別為R1、R2、R3，次鏡對主鏡的遮攔比為α1，第三反射鏡對次鏡的遮攔比為α2，次鏡放大率為β1，第三反射鏡的放大率為β2。分別定義如下：

圖 1 同軸三反光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of coaxial three-mirror optical system

光闌位于主鏡時的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：

式中：f′為系統(tǒng)焦距：d1為主次鏡間隔；d2為次鏡與第三反射鏡的間隔。依據(jù)消球差、彗差、像散的條件可求出同軸三反射式光學(xué)系統(tǒng)的面形系數(shù)。按照上述原理，本文設(shè)計了一個同軸三反射式光學(xué)系統(tǒng)，初始參數(shù)如表1 所示，結(jié)構(gòu)如圖2所示。后續(xù)設(shè)計將以此為基礎(chǔ)，通過不同離軸方式消除系統(tǒng)遮攔。

圖 2 同軸三反光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)Fig.2 Initial structure diagram of coaxial three-mirror optical system

2.2 分光方案

2.2.1 第一分光鏡

第一分光鏡具有以下分光方式：

1）反電視，透短波紅外、中波紅外，分光鏡材質(zhì)為ZnS；

2）反電視和短波紅外，透中波紅外，分光鏡材質(zhì)為多光譜ZnS；

3）反中波紅外，透電視、短波紅外，分光鏡材質(zhì)為ZnS。

對上述3 種分光方式從膜系層數(shù)、膜層總厚度、光譜性能、膜層表面質(zhì)量、抗激光損傷能力等幾個方面進(jìn)行對比，結(jié)果如表2 所示。

第1 種分光方式的膜層總厚度最小，因此分光效率、膜層的表面質(zhì)量和抗激光損傷能力會略好一些?？傮w而言，3 種分光膜的鍍制均需要精確的膜層材料參數(shù)和較高的膜厚控制精度，3 種薄膜的具體應(yīng)力情況如何，目前沒有相關(guān)的經(jīng)驗可以參考。

表 2 3 種分光方式對比Table 2 Comparison of three light splitting methods

2.2.2 第二分光鏡

第二分光鏡具備2 種分光方案：方案1 為透近紅外、反短波，方案2 為透短波、反近紅外，兩者性能對比見表3 所示。在光譜性能接近的情況下，反射長波、透短波的膜系總厚度比反射短波、透長波膜系的總厚度更大，膜層數(shù)更多，膜層應(yīng)力更大，對基底面型的影響更大，更容易導(dǎo)致膜層光潔度變粗糙，從而造成散射損耗、抗激光損傷閾值更小。整體來說，方案2 反射短波、透長波膜系實現(xiàn)難度更大，故設(shè)計中第二分光鏡采用分光方案1。

表 3 分光方式對比Table 3 Comparison of light splitting methods

3 設(shè)計結(jié)果

3.1 整體布局

在光學(xué)軟件CODE V 中針對上述初始結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，通過孔徑離軸結(jié)合視場離軸消除系統(tǒng)遮攔。根據(jù)總體結(jié)構(gòu)布局及實際使用需求，選擇第2 種分光方式作為各光路設(shè)計的基礎(chǔ)，通過引入復(fù)雜面型實現(xiàn)剩余像差的校正，得到性能良好、結(jié)構(gòu)尺寸滿足總體布局要求的離軸三反光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)示意圖如圖3 所示，由主反射鏡（F1）、次反射鏡（F2）及第三反射鏡（F3）組成。面型參數(shù)如表4 所示。F1 和F3 這2 個反射鏡均采用偶次非球面，F(xiàn)2 鏡面為二次曲面，表達(dá)式[15]為

圖 3 光路布局圖Fig.3 Layout of optical path

表 4 面型參數(shù)表Table 4 Parameters of surface shape

3.2 各光路像質(zhì)評價

3.2.1 電視光路設(shè)計

根據(jù)電視光路設(shè)計結(jié)果（見圖4），可得系統(tǒng)MTF 曲線如圖5（a）所示。從圖5（a）可以看出，在120 lp/mm 處全視場MTF＞0.2，接近系統(tǒng)衍射極限。系統(tǒng)的點列斑如圖5（b）所示，可看出系統(tǒng)點列斑RMS 值＜10 μm，滿足探測器使用要求。視場圖（2D 已校準(zhǔn)畸變、RMS 波前誤差）如圖6 所示。從圖6 可看出，系統(tǒng)畸變最大值為0.021 mm，根據(jù)畸變定義可計算得到系統(tǒng)最大畸變比例小于0.3%，RMS 波前誤差最小值為0.019λ，最大值為0.178λ，其中λ=632.8 nm。

圖 4 電視光路圖Fig.4 Optical path diagram of TV

圖 5 電視光路像質(zhì)評價Fig.5 Image quality evaluation of TV optical path

圖 6 已校準(zhǔn)畸變的視場圖與RMS 波前誤差Fig.6 Field diagram with calibrated distortion and RMS wavefront error

3.2.2 短波紅外光路設(shè)計

根據(jù)短波紅外光路設(shè)計結(jié)果（見圖7），可得系統(tǒng)MTF 曲線如圖8（a）所示。從圖8（a）可以看出，在60 lp/mm 處全視場MTF＞0.3，接近系統(tǒng)衍射極限。系統(tǒng)點列斑如圖8（b）所示，可看出系統(tǒng)點列斑RMS 值＜15 μm，滿足探測器使用要求。視場圖（2D 已校準(zhǔn)畸變）如圖9 所示。從圖9 可以看出，系統(tǒng)畸變最大值為0.027 mm，根據(jù)畸變定義可計算得到其最大畸變比例小于0.3%，RMS 波前誤差最小值為0.019λ（λ=632.8 nm）。

3.2.3 中波紅外光路設(shè)計

針對商品化制冷機(jī)芯，中波紅外通道設(shè)計有中繼鏡組，可實現(xiàn)冷光闌匹配。本設(shè)計采用定制化機(jī)芯，具有熱光闌結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)純反射式結(jié)構(gòu)，具體設(shè)計的系統(tǒng)如圖10 所示，系統(tǒng)MTF 曲線如圖11（a）所示。從圖11（a）可以看出，中波紅外光路在30 lp/mm 處全視場MTF＞0.15，接近系統(tǒng)衍射極限。系統(tǒng)點列斑如圖11（b）所示，可看出系統(tǒng)點列斑RMS 值＜33 μm，滿足探測器使用要求。視場圖（2D 已校準(zhǔn)畸變）如圖12 所示。從圖12 可以看出，系統(tǒng)畸變最大值為0.200 mm，根據(jù)畸變定義可計算得到其最大畸變比例小于0.5%。

圖 7 短波紅外光路圖Fig.7 Optical path diagram of SWIR

圖 8 短波紅外光路像質(zhì)評價Fig.8 Image quality evaluation of SWIR optical path

圖 9 已校準(zhǔn)畸變的視場圖Fig.9 Field diagram with calibrated distortion

圖 10 中波紅外光路圖Fig.10 Optical path diagram of MWIR

圖 11 中波紅外像質(zhì)評價Fig.11 Image quality evaluation of MWIR optical path

圖 12 已校準(zhǔn)畸變的視場圖Fig.12 Field diagram with calibrated distortion

4 公差分析與裝調(diào)方案

4.1 公差分析

利用CODE V 自帶公差-MTF 分析功能進(jìn)行模擬，統(tǒng)計系統(tǒng)可能出現(xiàn)的結(jié)果，并對系統(tǒng)進(jìn)行靈敏度分析。不同表面結(jié)構(gòu)公差設(shè)置如表5 所示，各視場波前RMS 誤差的概率曲線如圖13 所示。圖13橫坐標(biāo)為波前RMS 誤差值，縱坐標(biāo)為概率值。根據(jù)圖13 分析結(jié)果可知，系統(tǒng)波像差將降低至約λ/10（λ＝632.8 nm）。

表 5 不同表面公差設(shè)定值Table 5 Tolerance settings on different surfaces

4.2 裝調(diào)方案

本文采用Al-6061 作為反射鏡材料與結(jié)構(gòu)件材料進(jìn)行同質(zhì)系統(tǒng)制造，不會因材料熱膨脹系數(shù)不匹配造成系統(tǒng)性能隨溫度變化而下降。結(jié)構(gòu)設(shè)計重點考慮系統(tǒng)安裝調(diào)試的便利性，具體裝調(diào)方案如下：選擇光闌中心光線與反射面交點處反射面的切線方向作為基準(zhǔn)面，將鏡體拆分成自由曲面反射鏡體與鏡座2 個部分；在反射鏡體背部設(shè)計凸臺，底部設(shè)計平面用于定位，鏡體與鏡座通過6 個螺釘孔位實現(xiàn)連接，通過在鏡體孔位附近設(shè)計釋放槽避免結(jié)構(gòu)安裝應(yīng)力傳遞到鏡面；反射鏡組合采用高精度外圓與定位平面實現(xiàn)在鏡框中精確定位，通過6 個螺釘空位實現(xiàn)連接，螺釘孔位遠(yuǎn)離光學(xué)表面，并設(shè)計釋放槽避免結(jié)構(gòu)安裝應(yīng)力傳遞到光學(xué)表面。

從光學(xué)系統(tǒng)出發(fā)，根據(jù)實際主、次鏡成像特點，以及離軸三反裝調(diào)方面系統(tǒng)難題，采用基于CGH輔助補(bǔ)償檢測方案檢測反射鏡，裝調(diào)方式同時定位主、次鏡與結(jié)構(gòu)件之間的關(guān)系，相應(yīng)的裝調(diào)方案如圖14 所示。由于主、次鏡不能成完善像，采用基于CGH 輔助裝調(diào)的方式對光學(xué)元件和結(jié)構(gòu)件進(jìn)行高精度調(diào)整，通過對主、次鏡CGH 設(shè)計，實現(xiàn)接近全口徑裝調(diào)，采用輔助對準(zhǔn)光柵與5 維調(diào)整臺實現(xiàn)CGH 與干涉儀的對準(zhǔn)；在主、次鏡裝調(diào)好后，入射光經(jīng)三鏡反射后系統(tǒng)成完善像。在匯聚點附近架設(shè)干涉儀，利用F 數(shù)一定的鏡頭，在入射方架設(shè)標(biāo)準(zhǔn)平面鏡形成干涉，實現(xiàn)最終的光機(jī)系統(tǒng)裝調(diào)。

圖 13 公差分析曲線Fig.13 Curves of tolerance analysis

圖 14 裝調(diào)方案示意圖Fig.14 Schematic diagram of assembly and adjustment scheme

5 結(jié)論

根據(jù)設(shè)計要求本文設(shè)計了一款大口徑離軸三反光學(xué)系統(tǒng)，通過分析不同分光方式，選擇最合理布局，實現(xiàn)了光路折疊，縮減了系統(tǒng)尺寸。主、三鏡采用高次非球面，有利于校正系統(tǒng)像差，次鏡采用二次曲面面型，降低了零件加工難度。各光路經(jīng)過詳細(xì)設(shè)計，像質(zhì)滿足使用需求，整個成像系統(tǒng)光學(xué)性能指標(biāo)優(yōu)良。最后給出了系統(tǒng)公差分析結(jié)果及裝調(diào)方案，對離軸反射式系統(tǒng)設(shè)計具有一定的指導(dǎo)意義。