可見/中波雙波段共口徑光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓培仙，任 戈，劉 永，郭駿立，周建偉，崔占剛

（1. 中國科學(xué)院光束控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所，四川 成都 610209；2. 電子科技大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610054；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

引言

光電經(jīng)緯儀光學(xué)結(jié)構(gòu)與望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)類似，具有相對(duì)口徑不大、視場(chǎng)較小、成像物體位于無限遠(yuǎn)等特點(diǎn)。由于光電經(jīng)緯儀測(cè)量過程的特殊性，其光學(xué)系統(tǒng)具有許多新的特點(diǎn)。考慮到光電經(jīng)緯儀工作距離一般有數(shù)十甚至上百千米，為了提升像方分辨率和成像質(zhì)量，其光學(xué)系統(tǒng)一般都具有較大的孔徑，較長(zhǎng)的焦距，較高的透過率和較低的畸變。同時(shí)，由于跟蹤架的限制，光學(xué)系統(tǒng)的總質(zhì)量、總長(zhǎng)及其外觀尺寸都有嚴(yán)格的要求。此外，為了適應(yīng)不同的測(cè)量環(huán)境，系統(tǒng)具有較高的溫度適應(yīng)性，具有調(diào)光功能，裝調(diào)和檢查方便等，這些都為光電經(jīng)緯儀光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)增加了難度[1-2]。

為了獲得更為豐富的探測(cè)數(shù)據(jù)，目前世界上先進(jìn)的光電探測(cè)設(shè)備大多采用多波段集成的模式，早期的多波段觀測(cè)常用的方式是多波段分口徑成像形式。多波段分口徑系統(tǒng)架構(gòu)相對(duì)較大、制造成本偏高，難以保證不同孔徑探測(cè)在時(shí)間、空間上的一致性。隨著設(shè)計(jì)水平的提高和加工工藝的發(fā)展，多波段共孔徑成為光電系統(tǒng)發(fā)展的方向。常用的多波段共口徑結(jié)構(gòu)由共用前置光路、分光元件及分立的后置光路3 部分組成。其中前置光路有多種實(shí)現(xiàn)方式，包括卡塞格林式、離軸三反式或折射透鏡組等。分光元件包括棱鏡、平行平板等。后置光路一般由多個(gè)單獨(dú)的鏡頭外加能夠響應(yīng)不同波段的探測(cè)器組成[3]。

隨著大靶區(qū)、高空探測(cè)、高速目標(biāo)、多波段目標(biāo)特性測(cè)量等新需求的出現(xiàn)，光學(xué)測(cè)量設(shè)備需要具有更遠(yuǎn)的作用距離、更大的動(dòng)態(tài)范圍和更高的測(cè)量精度[4]。文獻(xiàn)[5]中設(shè)計(jì)了一款可見/紅外雙波段大視場(chǎng)共口徑齊焦光學(xué)系統(tǒng)，采用折射光路，雖然滿足大視場(chǎng)的要求，但是受限于光學(xué)材料，系統(tǒng)口徑難以做到160 mm 口徑以上。文獻(xiàn)[6]中設(shè)計(jì)了一套可見/中波雙波段共口徑光學(xué)系統(tǒng)，在結(jié)構(gòu)形式上具有一定借鑒意義，但是系統(tǒng)口徑及視場(chǎng)較小，無法實(shí)現(xiàn)調(diào)焦、調(diào)光功能。文獻(xiàn)[7]中設(shè)計(jì)一套用于車載光電跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的可見/長(zhǎng)波/中波共口徑光學(xué)系統(tǒng)，成像質(zhì)量良好，但是文中并沒有介紹光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，缺少對(duì)光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的介紹。本文在工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上總結(jié)了一套分段設(shè)計(jì)、組合優(yōu)化的光學(xué)設(shè)計(jì)方法，再現(xiàn)了可見/中波雙波段共口徑光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，設(shè)計(jì)的可見/中波雙波段共口徑光學(xué)系統(tǒng)最大視場(chǎng)達(dá)到1.25°，畸變小于0.1%，可以在環(huán)境溫度?30 ℃～50 ℃下工作，中波紅外探測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了100%冷光闌匹配，可以實(shí)現(xiàn)大、小視場(chǎng)的切換，而且具有調(diào)焦、調(diào)光功能。文中重點(diǎn)介紹制冷型中波紅外探測(cè)系統(tǒng)的冷反射分析方法，并且通過外場(chǎng)試驗(yàn)成像驗(yàn)證了分析結(jié)論的正確性。

1 系統(tǒng)參數(shù)及指標(biāo)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)25 km 以內(nèi)飛行目標(biāo)（14 m×25 m×5 m）實(shí)現(xiàn)跟蹤并對(duì)其輪廓和姿態(tài)實(shí)現(xiàn)測(cè)量，考慮到紅外成像分辨率較低，對(duì)目標(biāo)成像不精確，但是紅外成像探測(cè)覆蓋距離遠(yuǎn)，成像質(zhì)量受光照環(huán)境和天氣條件影響不大的特點(diǎn)，將雙波段共口徑最大視場(chǎng)在中波紅外探測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。可見光成像研究的是目標(biāo)在自然環(huán)境中的散射和輻射特性，可以提供目標(biāo)豐富的細(xì)節(jié)信息的特點(diǎn)，將長(zhǎng)短焦變倍功能在可見探測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，更有助于實(shí)現(xiàn)高效的目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別。通過相關(guān)分析和計(jì)算可以確定雙波段共口徑光學(xué)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)：

1） 工作波段，中波紅外為3.7 μm ～4.8 μm，可見波段為0.5 μm ～0.8 μm；

2） 焦距，中波探測(cè)定焦為900 mm，可見探測(cè)兩檔定焦為1 500 mm、3 000 mm；

3） 視場(chǎng)，中波為1.25°，可見探測(cè)短焦、長(zhǎng)焦分別為0.48°、0.24°；

4） 入瞳直徑450 mm；

5） 畸變小于0.1%；

6） 中波紅外100%冷光闌匹配；

7） 環(huán)境溫度為?30 ℃～50 ℃。

2 設(shè)計(jì)方法及過程

2.1 主光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)

采用次鏡分光的方案，光學(xué)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)布局如圖1 所示。主鏡位于整個(gè)系統(tǒng)的最后端，可以拆卸，方便維護(hù)；可見光探測(cè)子系統(tǒng)與中波紅外子系統(tǒng)對(duì)稱分布在主鏡筒兩端，不需要引入額外配重，結(jié)構(gòu)美觀；主鏡筒長(zhǎng)短尺寸容易控制，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化、緊湊化。系統(tǒng)由4 片45°反射鏡組成折疊光路，中波紅外與可見光探測(cè)子系統(tǒng)對(duì)稱分布于主光學(xué)系統(tǒng)兩側(cè)，3 段折疊光軸之間的間距H 由系統(tǒng)主鏡口徑、探測(cè)器的外觀尺寸，以及四通光機(jī)結(jié)構(gòu)件尺寸決定，設(shè)置為380 mm。系統(tǒng)一次像面的位置需要位于主鏡筒外部，一次像面附近的光學(xué)元件距離一次像面的位置在10 mm 以上，防止元件上的灰塵或瑕疵影響系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

綜合考慮系統(tǒng)的視場(chǎng)以及光學(xué)傳遞函數(shù)，將主系統(tǒng)次鏡遮攔比α 設(shè)置為0.25。主鏡的F 數(shù)越小，主系統(tǒng)的筒長(zhǎng)越短，主鏡的加工越困難[8]，綜合考慮將主鏡的F1設(shè)計(jì)為1.5。根據(jù)卡塞格林系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)求解公式[8]可以得到主系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表1 所示。其中R1為主鏡頂點(diǎn)半徑，R2為次鏡頂點(diǎn)半徑，K1、K2分別為主鏡、次鏡非球面系數(shù)，d 為主次鏡間距。

圖 1 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布局Fig. 1 Layout of optical system

表 1 主系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Initial structural parameters of primary optical system

2.2 可見光探測(cè)子系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)

可見光探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)由卡塞格林形式的主光學(xué)系統(tǒng)（主光學(xué)系統(tǒng)作為調(diào)焦鏡組的準(zhǔn)直鏡組），以及垂軸切換變倍鏡頭組成，光路布局結(jié)構(gòu)如圖2所示。主光學(xué)系統(tǒng)與準(zhǔn)直鏡組構(gòu)成縮束系統(tǒng)，縮束比k 為15。根據(jù)比例關(guān)系可以計(jì)算得到準(zhǔn)直鏡組焦距f ′2=200 mm，短焦成像鏡頭焦距f ′3=1 500 mm/15=100 mm，長(zhǎng)焦成像鏡頭焦距f ′4=3 000 mm/15=200 mm。

圖 2 可見光學(xué)系統(tǒng)光路布局Fig. 2 Layout of visible optical system optical path

在縮束系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)，注意保持主次鏡參數(shù)不變，并且用焦距分別為100 mm 和200 mm 的鏡頭模型代替實(shí)際的成像鏡組，如圖3 所示。在CODE V 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中，通過限制縮束系統(tǒng)出射光線局部光學(xué)方向余弦，來限制光線平行于光軸出射；通過限制表面局部坐標(biāo)，控制縮束系統(tǒng)的出射光瞳位置，以便與成像鏡組對(duì)接。

圖 3 可見波段縮束系統(tǒng)光路圖Fig. 3 Layout of visible beam shrinking system optical path

采用分段設(shè)計(jì)組合優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法，長(zhǎng)短焦成像系統(tǒng)分別獲得良好的成像效果之后，可以采用多重結(jié)構(gòu)的形式放在同一個(gè)系統(tǒng)中做整體優(yōu)化，變倍鏡頭優(yōu)化時(shí)應(yīng)注意確保長(zhǎng)短焦像面位置重合。考慮到探測(cè)器的外形尺寸，在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)要確保系統(tǒng)后截距大于30 mm，便于機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.3 中波紅外子系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)

中波紅外探測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與可見光探測(cè)系統(tǒng)類似，由主光學(xué)系統(tǒng)，準(zhǔn)直鏡組，以及可實(shí)現(xiàn)調(diào)焦的成像鏡組組成，光路布局結(jié)構(gòu)如圖4 所示。中波紅外系統(tǒng)孔徑光闌及其像的位置如圖4 紅點(diǎn)線所示，在理論上可以實(shí)現(xiàn)冷光闌匹配。中波紅外探測(cè)系統(tǒng)視場(chǎng)較大，3 次成像的結(jié)構(gòu)形式減小了成像鏡組的通光口徑，降低了透鏡加工成本。

圖 4 中波紅外系統(tǒng)光路布局Fig. 4 Layout of MWIR optical system optical path

采用分段設(shè)計(jì)組合優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法，合理分配光焦度，主光學(xué)系統(tǒng)與準(zhǔn)直鏡組縮束比為9，主光學(xué)系統(tǒng)焦距f ′5=1 530 mm，準(zhǔn)直鏡組焦距f ′6=170 mm，成像鏡組焦距f ′7=900 mm/9=100 mm。成像物鏡組初始結(jié)構(gòu)選擇文獻(xiàn)[9] 中設(shè)計(jì)的中波紅外兩檔變倍光學(xué)系統(tǒng)，做相應(yīng)的縮放和優(yōu)化。

3 設(shè)計(jì)結(jié)果與分析

3.1 設(shè)計(jì)結(jié)果

雙波段共口徑光學(xué)系統(tǒng)最終設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖5所示。中波紅外與可見光探測(cè)系統(tǒng)共用主光學(xué)系統(tǒng)，在次鏡位置反射可見光波段，透射中波紅外，可見光探測(cè)與中波紅外探測(cè)對(duì)稱分布于主系統(tǒng)兩側(cè)，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，布局合理。次鏡材料選用可以透射中波紅外的ZnSe，ZnSe 材料雜質(zhì)較少，吸收系數(shù)小，可以降低對(duì)中波探測(cè)能量的損耗[10]。次鏡的分光表面鍍?nèi)橘|(zhì)膜，全介質(zhì)膜膜層牢固適用于惡劣的工作環(huán)境。450 mm 口徑的主鏡需要同時(shí)反射可見光波段與中波紅外波段，反射帶更寬，口徑更大，全介質(zhì)膜無法實(shí)現(xiàn)，可以在金屬反射膜層外添加多層介質(zhì)增強(qiáng)保護(hù)膜，增加使用波段反射率，同時(shí)增強(qiáng)膜層的強(qiáng)度和耐腐蝕性[11]。

圖 5 雙波段共口徑光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 5 Layout of dual-band common-aperture optical system

本文設(shè)計(jì)的雙波段共口徑光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)（modulation transfer function，MTF）曲線如圖6 所示。從圖6 可以看出，在55 lp/mm 處，可見光探測(cè)短焦成像系統(tǒng)MTF 大于0.65，長(zhǎng)焦成像系統(tǒng)MTF 大于0.55；中波紅外探測(cè)系統(tǒng)在20 lp/mm處，短焦成像系統(tǒng)MTF 大于0.7，均滿足成像質(zhì)量要求。如圖7 所示，可見光探測(cè)短焦系統(tǒng)最大畸變?yōu)?.10%，可見光探測(cè)長(zhǎng)焦系統(tǒng)最大畸變?yōu)?.07%，中波紅外系統(tǒng)最大畸變?yōu)?.10%，均滿足高精度測(cè)量設(shè)備對(duì)光學(xué)系統(tǒng)畸變的要求。彌散圓包含80%能量，焦距1 500 mm 彌散圓直徑為0.012 mm，焦距3 000 mm 彌散圓直徑為0.015 mm，都小于0.02 mm，中波紅外探測(cè)系統(tǒng)STREHL 大于0.957，滿足大于0.8 的要求。

最終設(shè)計(jì)的可見/中波雙波段共口徑光學(xué)系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)、小畸變、長(zhǎng)短焦變倍，并且具有調(diào)焦、調(diào)光功能。在工作距離2 km～∞范圍內(nèi)，工作溫度?30 ℃～+50 ℃范圍內(nèi)，通過調(diào)焦鏡組軸向移動(dòng)可見/中波雙波段共口徑光學(xué)系統(tǒng)均可以獲得良好的成像質(zhì)量，而且溫度變化量與調(diào)焦鏡移動(dòng)量成線性關(guān)系，有利于調(diào)焦鏡的驅(qū)動(dòng)。

圖 6 雙波段共口徑光學(xué)系統(tǒng)MTF 曲線Fig. 6 MTF curves of dual-band common-aperture optical system

圖 7 雙波段共口徑光學(xué)系統(tǒng)畸變曲線Fig. 7 Distortion curves of dual-band common-aperture optical system

可見光光學(xué)成像鏡頭裝調(diào)完成后中心視場(chǎng)星點(diǎn)圓實(shí)，無明顯球差、彗差、像散及色差，目視分辨率短焦大于400 lp/mm，長(zhǎng)焦大于200 lp/mm，滿足技術(shù)指標(biāo)要求?？梢?中波雙波段共口徑光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)邊緣成像清晰，符合使用要求。

3.2 冷反射分析

冷反射是評(píng)價(jià)紅外系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一。冷反射是制冷紅外系統(tǒng)中探測(cè)器“看到”自身反射的“冷像”，它是從系統(tǒng)中某個(gè)透鏡表面反射回來進(jìn)入光敏面的輻射[12-14]。較強(qiáng)的冷反射信號(hào)將淹沒目標(biāo)信號(hào)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的探測(cè)、識(shí)別和跟蹤性能。因此，在光學(xué)設(shè)計(jì)階段需要充分考慮使用制冷型探測(cè)器紅外光學(xué)系統(tǒng)的冷反射現(xiàn)象，評(píng)價(jià)其影響。

圖 8 中波紅外探測(cè)系統(tǒng)光機(jī)模型Fig. 8 Optical and mechanical mode of MWIR detection system

利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Code V 的冷反射分析功能，可以看到本文設(shè)計(jì)的制冷型中波紅外探測(cè)系統(tǒng)中表面14 和表面19 的冷反射現(xiàn)象更嚴(yán)重，需要做進(jìn)一步分析。為了更直觀地分析表面14 和表面19 的冷反射光線在像面的會(huì)聚情況，選擇在TracePro 雜散光分析軟件中對(duì)中波紅外探測(cè)系統(tǒng)做真實(shí)建模，如圖8 所示。給模型賦予實(shí)際的材料屬性，并將像面設(shè)置為表面光源，對(duì)系統(tǒng)做逆向光線追跡。表面光源發(fā)光屬性設(shè)置為朗伯體，可以模擬所有進(jìn)入成像系統(tǒng)的視場(chǎng)光線。表面14、表面19 反射的冷反射光線在像面上的平均輻照度如圖9 所示。表面19 的像面輻照度分布相對(duì)于表面14 的像面輻照度更均勻，與光學(xué)設(shè)計(jì)軟件逆向分析結(jié)果相符。從探測(cè)器光斑橫截面曲線圖上可以讀取包含80%能量的彌散光斑直徑，表面14 對(duì)應(yīng)光斑直徑為4.5 mm，表面19 對(duì)應(yīng)光斑直徑為11.4 mm，中波紅外探測(cè)系統(tǒng)所有元件的冷反射光線在探測(cè)器表面疊加光斑直徑為11.6 mm，均大于探測(cè)器半徑的一半3.1 mm。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生的冷反射彌散斑半徑大于探測(cè)器半徑的一半時(shí)，可以認(rèn)為該系統(tǒng)產(chǎn)生的冷反射彌散斑均勻地分布在探測(cè)器上[15]，即該光學(xué)系統(tǒng)的冷反射現(xiàn)象可以忽略。圖10 為外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中拍攝的中波紅外探測(cè)圖片，圖片成像清晰，在視場(chǎng)中心不存在疊加黑斑的情況，說明該光學(xué)系統(tǒng)的冷反射現(xiàn)象可以忽略，從實(shí)踐中驗(yàn)證了上述仿真結(jié)果的正確性。

圖 9 像面平均輻照度圖Fig. 9 Image surface average irradiance diagram

4 結(jié)論

圖 10 中波紅外探測(cè)系統(tǒng)外場(chǎng)拍攝圖片F(xiàn)ig. 10 Field test picture of MWIR detection system

本文根據(jù)實(shí)際工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了一套分段設(shè)計(jì)、組合優(yōu)化的光學(xué)設(shè)計(jì)方法，采用此方法設(shè)計(jì)了一套口徑450 mm 可見/中波雙波段共口徑光電經(jīng)緯儀光學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)最大視場(chǎng)達(dá)到1.25°，畸變小于0.1%，可以在環(huán)境溫度?30 ℃～50 ℃下工作，實(shí)現(xiàn)了中波紅外探測(cè)系統(tǒng)的100%冷光闌匹配，可以實(shí)現(xiàn)大、小視場(chǎng)的切換，而且具有調(diào)焦、調(diào)光功能。文中根據(jù)分段設(shè)計(jì)組合優(yōu)化的光學(xué)設(shè)計(jì)方法，詳細(xì)介紹了雙波段共口徑光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟，再現(xiàn)了雙波段共口徑光學(xué)系統(tǒng)從無到有的設(shè)計(jì)過程，重點(diǎn)介紹了結(jié)合CODE V 光學(xué)設(shè)計(jì)軟件和TracePro 雜散光分析軟件的制冷型中波紅外探測(cè)系統(tǒng)冷反射分析方法，并且通過外場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了分析結(jié)果的正確性。該光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)過外場(chǎng)試驗(yàn)證明成像性能良好，實(shí)現(xiàn)了可見/中波雙波段對(duì)目標(biāo)同時(shí)、同步進(jìn)行捕獲、跟蹤、測(cè)量的目的。