雙譜段共孔徑光學鏡頭設計與驗證

王春雨， 牛錦川， 張 超， 王 聰， 趙英龍，張 凱， 張生杰， 伏瑞敏， 湯天瑾， 黃 陽

(北京空間機電研究所，北京 100000)

0 引言

隨著民用及軍用領域?qū)δ繕颂綔y精度和抗干擾性要求的不斷提高，為了對目標進行精確探測及定位跟蹤，往往采用可見光系統(tǒng)、紅外系統(tǒng)、激光系統(tǒng)及紫外系統(tǒng)等多系統(tǒng)拼接的方式來實現(xiàn)，但該種方式存在系統(tǒng)體積大、質(zhì)量大、不便于裝調(diào)、機動性差等缺點[1]。為克服上述缺點，復合光學系統(tǒng)得到大力發(fā)展。其中，共孔徑復合光學系統(tǒng)可以在有限孔徑內(nèi)實現(xiàn)兩種及以上譜段的融合聚焦，獲取更多目標及背景信息，具有融合程度高、空間利用率高的優(yōu)點。該類系統(tǒng)設計難度大，材料可供選擇的范圍有限，在設計中需要針對不同探測波段的特點，利用不同波段的共性特征，選擇合適的光路結(jié)構(gòu)、材料、高效的分光器件，在一定空間結(jié)構(gòu)內(nèi)實現(xiàn)不同譜段高度融合[2-7]。

國際上，歐美、日本等均對雙模(多模)復合光學系統(tǒng)有所研究。美國是最早進行該領域研究的國家，先后發(fā)展了紅外/紫外及紅外/微波雙模復合制導技術；進入21世紀,歐美紅外探測器和激光集成技術日益成熟，使紅外成像/激光雷達雙模技術有了進一步發(fā)展，美國洛馬公司、德國Diehl BGT防御中心均先后研制了紅外/激光雙模復合系統(tǒng)[8]；國內(nèi)科研人員利用卡塞格林系統(tǒng)設計了一種紅外/激光雙模共口徑光學系統(tǒng)，系統(tǒng)利用次鏡分光，即激光直接透過次鏡，在頭罩與次鏡之間會聚成光斑，而紅外則經(jīng)過次鏡反射后再經(jīng)過紅外透鏡組成像，主、次鏡均為二次曲面，加工成本高、裝調(diào)難度大；羅春華等[1,9]設計了一種透射式系統(tǒng)，采用在會聚光路中設置傾斜平板進行分光的方式實現(xiàn)雙模復合方案，結(jié)構(gòu)緊湊，但質(zhì)量大、透過率較低。

常見的紅外/激光雙模系統(tǒng)有透射式、反射式和折反式3種。透射式鏡頭視場大、無遮攔損失，像差易通過設計校正，且易裝調(diào)；反射式鏡頭無色差，多波段系統(tǒng)可共用口徑，但其反射鏡多為非球面，加工、裝調(diào)成本大，且其軸外像差較大，使用時多與折射系統(tǒng)相結(jié)合成折反式[1]。通過對3種系統(tǒng)形式的分析比較，本文設計了一種透射式紅外/激光雙模共口徑系統(tǒng)，采用透鏡加分光片的結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)紅外與激光通道的共口徑設計，具有結(jié)構(gòu)簡單、視場大、無遮攔、雜散光影響小、易加工和易裝調(diào)等優(yōu)點。

1 光學系統(tǒng)設計

1.1 光學系統(tǒng)形式及指標

本文中的光學系統(tǒng)采用5片透鏡加1片分光片的透射式光學系統(tǒng)，激光通道透過分光片，長波紅外通道經(jīng)過分光片前表面折轉(zhuǎn)光路，如圖1所示，性能指標要求如表1所示。紅外通道需清晰成像，激光通道離焦使用，形成一個形狀對稱、能量均勻的彌散斑。

圖1 光學系統(tǒng)示意圖Fig.1 Layout of optical system

表1 光學系統(tǒng)性能指標要求Table 1 Lens performance index

1.2 材料選擇

由于系統(tǒng)包括長波紅外波段(8 ～12 μm)和激光譜段(1.064 μm)，跨越波段較寬，材料選取尤為重要。對于激光部分，大部分可見光材料均可透過，可用的材料較多，再考慮到紅外部分需要較高的透過率，所以選用多光譜材料。最終設計完成后:頭罩和透鏡2選用多光譜硫化鋅材料；透鏡1選用IGR204多光譜材料；分光片選用高透過率的重火石類材料H-ZF52A；透鏡3屬于紅外通道，選用鍺材料;透鏡4屬于激光通道，同樣選用高透過率的重火石類材料H-ZF52A。

1.3 分光片影響分析

紅外與激光通道共用頭罩、透鏡1、透鏡2，對于激光通道，在其匯聚光路中存在45°傾斜放置的分光片，匯聚光路中傾斜放置的平板會帶來彗差和像散，影響激光通道彌散斑形狀及能量分布。分光片傾斜45°后插入系統(tǒng)，引入的像差分別為[1]

(1)

(2)

(3)

(4)

表2 分光片厚度與彌散斑質(zhì)量對比表Table 2 Comparison of the thickness of the beamsplitter and the quality of the diffuse spot

從表2可以看出，在考慮光學加工易實現(xiàn)的前提下，采用4 mm厚分光片時激光通道出射彌散斑形狀更理想。同時,為了進一步減小分光片對不同視場彌散斑影響的差異，最終將分光片設計為一個中心厚度為4 mm、楔角為0.12°的楔板。

1.4 設計結(jié)果

該系統(tǒng)實現(xiàn)長波紅外與激光雙譜段共孔徑設計，系統(tǒng)指標設計結(jié)果見表3，紅外通道的傳函及畸變曲線、激光通道彌散斑點圖分別見圖2、圖3。

表3 光學系統(tǒng)設計結(jié)果表Table 3 Optical system design result

圖2 紅外通道傳函及畸變曲線Fig.2 MTF and distortion curve of infrared channel

圖3 激光通道彌散斑點列圖Fig.3 Diffuse spot pattern of laser channel

2 裝調(diào)及驗證

采用該系統(tǒng)方案的光學鏡頭完成詳細設計后，運用高精度光學定心與三坐標精密測量相結(jié)合的方法完成了鏡頭裝調(diào)。首先運用三坐標測量儀完成分光片組件的精確定位，再使用可見光及長波紅外定心儀分別對紅外通道和激光通道進行定心裝調(diào)，以保證偏心及鏡間距公差，調(diào)整到位后,采用側(cè)面注膠、軸向安裝壓圈的固定方式來完成各透鏡在鏡筒中的固定。

2.1 紅外通道測試結(jié)果

利用長波紅外干涉儀對紅外通道MTF進行了測試，紅外通道性能指標實測數(shù)據(jù)見表4。

表4 紅外通道性能指標實測數(shù)據(jù)表Table 4 Measured data of infrared channel performance index

2.2 激光通道測試結(jié)果

利用平行光管、小孔靶標、1.064 μm激光器、積分球及探測器搭建測試光路，完成了激光通道彌散斑測試，性能指標如表5所示。

表5 激光通道性能指標實測數(shù)據(jù)表Table 5 Measured data of laser channel perfor mance index

從實測數(shù)據(jù)可以看出，該光學鏡頭質(zhì)量良好，各項指標均滿足設計要求。

3 結(jié)束語

本文設計了一種透射式紅外/激光雙譜段共孔徑光學系統(tǒng)，可實現(xiàn)大視場、無遮攔的設計形式，且成本低、易于加工和裝調(diào)。通過楔板分色片的使用，很好地保證了紅外通道和激光通道的成像質(zhì)量，并通過了實際光學鏡頭的裝調(diào)驗證。最終，紅外通道MTF全視場平均優(yōu)于0.38(30 lp/mm)，遠高于MTF不小于0.3的使用要求，激光通道彌散斑在線性區(qū)內(nèi)形狀對稱、能量分布均勻，滿足使用要求，該系統(tǒng)可廣泛用于目標探測識別、定位、跟蹤等領域。