反射式紅外多波段準直投影光學系統(tǒng)設計

陳博 王治樂 趙松慶 吳根水 高輝

摘要： ? ? ?針對紅外制導半實物仿真領域的紅外多波段準直投影系統(tǒng)的應用需求， 基于同軸三反射系統(tǒng)的物像關系和初級像差理論， 計算出系統(tǒng)的初始結構參數(shù)， 并綜合運用了光闌離軸、 視場離軸和ZPL語言輔助優(yōu)化等方法對同軸反射式系統(tǒng)進行離軸優(yōu)化設計， 設計出一個工作波段為1～12 μm、 視場為8°、 焦距為360 mm、 出瞳距為1 300 mm的反射式紅外多波段準直投影系統(tǒng)。 結果表明， 在截止頻率為10 lp/mm處， 波段1～3 μm的MTF>0.81， 波段3～5 μm的MTF>0.63， 波段5～8 μm的MTF>0.42， 波段8～12 μm的MTF>0.20， 系統(tǒng)體積為240 mm×460 mm×307 mm， 達到設計要求。

關鍵詞： ? ? 光學系統(tǒng); 多波段; 準直投影; 大出瞳距; 離軸

中圖分類號： ? ? ?TJ765; TN214文獻標識碼： ? ?A文章編號： ? ? 1673-5048（2019）02-0069-06

0引言

雙色、 多光譜探測系統(tǒng)通過增加探測波段獲取目標的光譜特性， 具有優(yōu)于單色探測系統(tǒng)的探測能力和復雜環(huán)境條件下的目標識別與干擾判別能力， 能夠對目標和干擾做出更加可靠的判定[1-3]。 因此， 雙色、 多光譜成像探測技術成為空空導彈及空地導彈導引頭發(fā)展的主流方向， 而新型紅外導引頭在研制末期需要對系統(tǒng)進行景象仿真測試[4-5]。 傳統(tǒng)的紅外雙波段景象仿真測試僅針對導引頭工作的紅外雙波段進行仿真， 可拓展性較差， 若需測試其他工作波段的制導系統(tǒng)， 需另行研發(fā)相應的仿真測試系統(tǒng)， 耗費人力、 物力和科研時間[6-7]。 紅外多波段景象生成器能夠解決這一問題， 其核心是反射式紅外多波段準直投影系統(tǒng)的研發(fā)。 國外對半實物仿真系統(tǒng)研究較早， 美國埃格林空軍基地[8]的低溫場景半實物仿真系統(tǒng)已經(jīng)過十多年的發(fā)展和升級， 其準直投影系統(tǒng)采用離軸三反結構， 各個波段的電阻陣列輻射經(jīng)分束整合器融合后再經(jīng)過投影系統(tǒng)被導引頭接收。 德國電子與通訊技術研究所研制的多光譜目標仿真系統(tǒng)[9]， 使用大屏幕投影方式， 體積巨大。 美國阿諾德工程研發(fā)中心研制的真空冷艙結構可用于紅外點源、 紅外面源和可見光的多波段目標仿真[10]。 在國內(nèi)， 楊樂等[6]設計了離軸三反紅外雙波段景象模擬器光學系統(tǒng)， 分析了孔徑光闌遠離主鏡的離軸三反像差特性， 可工作在中波紅外和長波紅外雙波段， 結構緊湊。 虞紅等[11]設計了基于共口徑方式的多譜段、 多目標源模擬系統(tǒng)， 采用了離軸兩反的結構， 有大出瞳距但系統(tǒng)體積較大。 黨東妮等[12]設計了寬波段DMD動態(tài)紅外景象仿真器投影系統(tǒng)， 在較小視場內(nèi)， 具有無色差、 波段寬、 成像質量高的優(yōu)點。

本文主要介紹了反射式紅外多波段準直投影光學系統(tǒng)的設計方法， 考慮到實際仿真環(huán)境的限制及反射式系統(tǒng)的出瞳距不能和系統(tǒng)的長度有很大重疊， 采用離軸三反結構使系統(tǒng)的出瞳距遠遠大于系統(tǒng)長度; 利用ZEMAX宏設計了系統(tǒng)邊界條件優(yōu)化函數(shù)消除中心遮攔， 并減小了系統(tǒng)的體積， 使結構更加緊湊; 反射鏡高次非球面的使用大大減小了系統(tǒng)的高級像差， 設計得到了無色差， 覆蓋近紅外、 中紅外和遠紅外的寬波段、 全反射、 大出瞳距的準直投影系統(tǒng)。

1設計方法

1.1初始結構參數(shù)的計算

反射式紅外多波段準直投影系統(tǒng)采用反向設計的方法[13]， 反射式系統(tǒng)又分為同軸反射式系統(tǒng)和離軸反射式系統(tǒng)， 同軸反射式系統(tǒng)存在中心遮攔， 軸外像差難以校正， 視場一般很小[14-15]; 離軸反射式系統(tǒng)是在同軸反射式系統(tǒng)的基礎上通過光闌離軸或視場離軸的方式， 消除中心遮攔， 增加可優(yōu)化變量， 以優(yōu)化系統(tǒng)的球差、 彗差、 像散、 場曲、 畸變等像差[16]。

現(xiàn)在較為常用的反射式系統(tǒng)為離軸三反系統(tǒng)， 廣泛應用于空間相機光學系統(tǒng)中， 其視場為線視場， 探測波段為可見光[17]。 現(xiàn)階段， 離軸三反系統(tǒng)更多的使用了自由曲面， 使系統(tǒng)的成像質量更加優(yōu)良， 但對反射鏡加工檢測技術要求較高， 明顯增加成本; 主三鏡一體化設計， 結構更加簡單， 減少了加工檢測的復雜度， 便于裝調(diào); 應用無光焦度的平面鏡來轉折光路， 使系統(tǒng)結構更緊湊。 本文設計的光學系統(tǒng)具有大出瞳距和較大面視場， 對光學系統(tǒng)的體積優(yōu)化設計提出了更高的要求。

首先， 利用高斯光學知識和初級像差理論計算同軸三反系統(tǒng)的初始結構[18]。 同軸三反系統(tǒng)光學系統(tǒng)圖如圖1所示， 光闌遠離主鏡， 位于主鏡的前方。

圖1中， 入射平行光從孔徑光闌依次經(jīng)過主鏡1、 次鏡2、 三鏡3的反射最終到達成像面。 物體位于無窮遠， 即l1=∞， u1=0。 其中： 三個反射鏡的曲率半徑用r1， r2， ?r3表示; ?鏡片之間間隔用d1， d2表示; ?三鏡到像面的距離為d3; ?圓錐系數(shù)用-e12， -e22， -e32表示; 次鏡對主鏡的遮攔比為α1; 三鏡對次鏡的遮攔比為α2; 次鏡的放大率為β1; 三鏡的放大率為β2， 因此可得下式：

航空兵器2019年第26卷第2期陳博， 等： 反射式紅外多波段準直投影光學系統(tǒng)設計α1=l2f ′≈h2h1

α2=l3l′2≈h3h2

β1=l′2l2=u2u′2

β2=l′3l3=u3u′3 （1）

根據(jù)高斯光學的物像關系， 將式（1）代入式（2）， 求出 r1， r2， r3， d1， d2：

n′l′-nl=n′-nr（2）

r1=2β1β2f ′

r2=2α1β2（1+β1）f ′

r3=2α1α21+β2f ′

d1=r12（1-α1）

d2=r12α1β1（1-α2） （3）

式中： f ′為反射式系統(tǒng)的焦距。

在進行同軸反射式系統(tǒng)初始結構的計算時， 選擇不同的α1， α2， β1， β2， f ′的值， 就會計算出不同的初始結構參數(shù)。 當設計的光學系統(tǒng)對長度有特別限定的時候， 一般需要給定d1， d2， d3的值作為已知條件， 其中d3=-l3′， 規(guī)定光線從左向右的入射方向為正， 則有d1<0， ?d2>0， ?d3<0， 得到

1r1-1r2+1r3=SIV

r1r2-2r2d12r1-4d1-2r2-d2=1f ′

2（r1r3-2r3d1-r2r3）+12r1r2=d3f ′ （4）

令匹茲萬和數(shù)SⅣ=0， 將系統(tǒng)的焦距f ′和設定的d1， d2， d3代入式（4）中可求出三個反射鏡的曲率半徑， 再根據(jù)下式計算出α1， α2， β1， β2：

α1=1-2d1r1

α2=1-2d1（r1-2d1-r2）r2（r1-2d1）

β1=-r2r2-r1+2d1

β2=r3β1r1-2β1d1-2d2-r3 （5）

根據(jù)初級像差理論， 建立反射式系統(tǒng)的球差SⅠ、 彗差SⅡ、 像散SⅢ和場曲SⅣ關于-e12， -e22， -e32的關系式， 再根據(jù)系統(tǒng)要求的球差、 彗差、 像散和場曲求得三個反射鏡的圓錐系數(shù)-e12， -e22， -e32， 從而建立反射式系統(tǒng)的初始結構。

1.2離軸方法

離軸反射式系統(tǒng)的設計采用在同軸系統(tǒng)基礎上進行光闌離軸、 視場離軸或兩者結合的方式[19]。

光闌置于主鏡上或之前， 稱為光闌離軸， 只使用主鏡不被擋光的一部分孔徑以消除中心遮攔。 采用光闌離軸的方法， 雖然可以使系統(tǒng)結構變得更加緊湊， 但是在較大視場的情況下， 成像質量下降很大; 將光闌置于次鏡上， 通過視場的傾斜來避免中心遮攔， 光闌不離軸， 稱為視場離軸。 視場離軸的三反系統(tǒng)具有更強的像差校正能力， 視場較大， 成像質量好， 比較適合大視場、 大相對口徑的要求[20]。 本文結合這兩種離軸方式設計反射式紅外多波段準直投影系統(tǒng)。

2設計結果

本文所設計的反射式紅外多波段準直投影系統(tǒng)的技術指標要求如表1所示。

根據(jù)上表要求， 光學系統(tǒng)具有大出瞳距和大視場， 光學系統(tǒng)設計不僅要關注系統(tǒng)的成像質量， 還要注意對系統(tǒng)體積的約束。

2.1同軸反射式系統(tǒng)設計

設定系統(tǒng)各個鏡片的間隔， 使系統(tǒng)的長度得到有效控制， 根據(jù)前文提到的設計方法計算得到同軸系統(tǒng)的初始結構參數(shù)， 如表2所示。

由于所設計光學系統(tǒng)需滿足實際工程需求， 即反射式準直投影系統(tǒng)放置在導引頭的景象生成器之間， 且正常工作時互不干擾[21]， 則需要在次鏡和三鏡之間插入一片平面鏡進行光路轉折， 優(yōu)化后系統(tǒng)結構圖和點列圖分別如圖2～3所示。

可以看出， 同軸反射式系統(tǒng)存在較大中心遮攔， 嚴重影響進入紅外光學系統(tǒng)的能量。 由于視場較大為8°， 中心視場的像差可以得到有效的校正， 然而邊緣視場的像差難以校正， 主要是球差、 彗差和像散。 因此， 需要對同軸反射式系統(tǒng)進行離軸化處理， 增加可優(yōu)化變量， 使像差降至合理范圍， 達到技術指標要求。

2.2同軸系統(tǒng)離軸化設計及分析

對同軸系統(tǒng)進行離軸化設計可以消除中心遮攔現(xiàn)象， 也可較好地校正邊緣視場的像差， 增大反射式系統(tǒng)的有效視場。 本系統(tǒng)的孔徑光闌遠離主鏡放置， 由于有較長出瞳距和較大視場， 使主鏡的通光口徑非常大， 嚴重影響對系統(tǒng)體積的控制， 故采用光闌離軸和視場離軸相結合的方式進行設計。 設定光闌離軸量為70 mm， 系統(tǒng)整體視場離軸角度為9°， 將系統(tǒng)的主鏡、 次鏡、 三鏡的曲率半徑和Conic系數(shù)作為優(yōu)化變量進行初始優(yōu)化， 使系統(tǒng)無中心遮攔。 然后， 繼續(xù)優(yōu)化次鏡、 折轉平面鏡、 三鏡和像面的傾斜角度， 使系統(tǒng)的各個像差進一步減小， 此時， 為防止在優(yōu)化過程中， 系統(tǒng)大幅增加長度來平衡像差， 需保持各個鏡片的間距不變。 然而， 在優(yōu)化各個鏡片的傾斜角度時， 系統(tǒng)往往會趨于同軸化， 需要設定一些控制系統(tǒng)邊界條件的評價函數(shù)， 利用光學設計軟件ZEMAX中的ZPL語言輔助優(yōu)化光學系統(tǒng)， 在光線易發(fā)生遮攔的位置設定經(jīng)反射鏡反射之后入射光和反射光相近光線在垂軸平面上的最小間隔為5 mm， 將孔徑光闌的離軸量進行優(yōu)化， 最終得到符合設計要求的離軸反射式系統(tǒng)， 如圖4所示。 ?優(yōu)化之后各波段的MTF曲線如圖5～8所示。

由設計的光學系統(tǒng)可知， 主鏡、 次鏡和三鏡都使用了高次非球面， 出瞳直徑為60 mm， 焦距為360 mm， 有效視場為8°， 投影準直系統(tǒng)的出瞳距為1 300 mm， 在截止頻率為10 lp/mm處， 波段為1～3 μm的MTF>0.81， 波段為3～5 μm的MTF>0.63， 波段為5～8 μm的MTF>0.42， 波段為8～12 μm的MTF>0.20， 各波段的MTF除了邊緣視場外， 其余視場成像質量都接近衍射極限， 系統(tǒng)體積為240 mm×460 mm×307 mm， 各項設計參數(shù)滿足技術指標要求。

3結論

與用于觀測的空間相機三反射結構相比， 紅外準直投影系統(tǒng)體積較小， 對較大面視場成像， 且高次非球面的使用使系統(tǒng)成像質量更加優(yōu)良。 雖然自由曲面在像差優(yōu)化方面更加有利， 但加工檢測困難， 成本較高。 與現(xiàn)有用于景象模擬的系統(tǒng)相比， 設計的系統(tǒng)長度遠遠小于出瞳距， 使出瞳距得到了更好的利用， 防止發(fā)生碰撞， 在設計波段1～12 μm寬波段內(nèi)全視場成像優(yōu)良。 光學系統(tǒng)設計采用光闌離軸和視場離軸相結合的方式， 并對系統(tǒng)各個鏡片的邊界進行了有效優(yōu)化， 既消除了中心遮攔現(xiàn)象， 也大大減小了系統(tǒng)的體積， 使系統(tǒng)小型化和輕量化， 能夠用于紅外制導半實物仿真領域。 隨著離軸反射式系統(tǒng)裝調(diào)技術及非球面加工和檢測技術的不斷發(fā)展， 這類系統(tǒng)憑借其特有的優(yōu)點， 將會被廣泛應用到其他領域。

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