基于熱光闌的緊湊型大變倍比中波紅外多視場光學(xué)系統(tǒng)

繆煒星，趙長春，劉飛飛，羅永勝

(1.中航(成都)無人機(jī)系統(tǒng)股份有限公司，成都 611000；2.哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，哈爾濱 150000；3.中國航空工業(yè)集團(tuán)公司洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471000)

系統(tǒng)一般用于口徑較小光學(xué)系統(tǒng)，反射式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)大口徑緊湊化設(shè)計(jì)，常用的有卡式、離軸三反、離軸四反等構(gòu)型[3-4]，反射式系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)長焦高分辨設(shè)計(jì)，但難以兼顧大視場。

0 引言

紅外光學(xué)系統(tǒng)可用于晝夜探測，是機(jī)載光電系統(tǒng)重要工作波段。通常光學(xué)系統(tǒng)包含多個(gè)視場，滿足不同使用功能，大視場可用于導(dǎo)航和大范圍觀測，小視場分辨率高，可用于遠(yuǎn)距探測和目標(biāo)識別。光學(xué)系統(tǒng)多視場一般以切換鏡組或連續(xù)變焦的方式實(shí)現(xiàn)，張良等[1]采用衍射面實(shí)現(xiàn)了中波和長波多視場光學(xué)系統(tǒng)；陳呂吉等[2]介紹了多種實(shí)現(xiàn)多視場紅外光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)型，透射式光學(xué)針對透射式和反射式光學(xué)系統(tǒng)的局限性，本文提出了一種基于卡式次鏡切換的多視場光學(xué)系統(tǒng)，通過次鏡和透鏡組切換并共用目鏡組，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)多視場大變倍比設(shè)計(jì)，該光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)融合了反射式和透射式兩種構(gòu)型的特點(diǎn)，同時(shí)，針對紅外制冷探測器F數(shù)為固定值，在卡式小視場的基礎(chǔ)上通過切換部分透鏡和大F數(shù)熱光闌，在光學(xué)口徑不變的情況下將焦距增加1倍，進(jìn)一步提升了光學(xué)系統(tǒng)性能[5]，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)60倍的大變倍比，可滿足不同視場觀測需求，光學(xué)系統(tǒng)總長為210 mm，極大地壓縮了光學(xué)系統(tǒng)空間體積。同時(shí)，針對熱光闌視場開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)室測試和外景成像，驗(yàn)證了大F數(shù)熱光闌使用的可行性，該中波紅外光學(xué)系統(tǒng)可用于機(jī)載光電系統(tǒng)。

1 設(shè)計(jì)過程

中波紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于640 μm×512 μm陣列制冷型探測器，針對多視場使用需求，大視場設(shè)計(jì)大于24°，小視場焦距盡可能增大提升作用距離，光學(xué)系統(tǒng)各視場設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 光學(xué)系統(tǒng)各視場設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of the optical system

紅外采用制冷探測器，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要保證100%冷光闌匹配。采用二次成像模式，3個(gè)冷光闌視場設(shè)計(jì)時(shí)共用一次像點(diǎn)后會聚目鏡組，通過改變一次像點(diǎn)前的物鏡組的焦距實(shí)現(xiàn)視場變倍。大、中視場采用透射式物鏡組構(gòu)型；小視場采用卡式反射鏡作為物鏡組，小視場次鏡為切換結(jié)構(gòu)，保證大、中視場物鏡組切換時(shí)光路不經(jīng)過卡式鏡組；超小視場在卡式小視場的基礎(chǔ)上通過改變目鏡組焦距，切換部分目鏡和熱光闌實(shí)現(xiàn)。初始結(jié)構(gòu)的計(jì)算根據(jù)物鏡組和目鏡的高斯成像關(guān)系計(jì)算得到，圖1為二次成像計(jì)算示意圖。

圖1 二次成像示意圖Fig.1 Illustration diagram of secondary imaging optical system

圖中：m為放大率;Dcs為冷光闌到探測器距離;fo為物鏡組焦距;fR為目鏡組焦距。

物鏡組和目鏡組成像關(guān)系為[6]

(1)

式中,L為系統(tǒng)總長。

初始構(gòu)型代入軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過增加鏡片校正像差，正透鏡為硅材料，負(fù)透鏡為鍺材料。優(yōu)化完成后的光學(xué)構(gòu)型如圖2所示。整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)包含卡式物鏡組、中視場物鏡組、大視場物鏡組、冷光闌目鏡組和熱光闌目鏡組5個(gè)獨(dú)立部分。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)型圖Fig.2 Structure of the optical system

機(jī)載光電系統(tǒng)工作溫度一般在-55～+70 ℃，溫度變化會導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)離焦。采用移動鏡組補(bǔ)償高低溫下光學(xué)像質(zhì)下降，調(diào)焦鏡組選用4個(gè)視場共用部分目鏡組，保證各視場使用同一調(diào)焦機(jī)構(gòu)。

卡式主次鏡為小視場和超小視場共用物鏡組；中視場物鏡組包含3片透鏡，材料分別為硅、鍺、硅；大視場物鏡組包含4片透鏡，材料分別為硅、鍺、硅、鍺；冷光闌目鏡組包含調(diào)焦目鏡組和切換目鏡組1，為大中小3個(gè)視場共用，共用調(diào)焦目鏡組包含3個(gè)透鏡，材料分別為硅、鍺、硅，切換目鏡組1包含2片透鏡，材料分別為硅、鍺；熱光闌目鏡組包含調(diào)焦目鏡組和切換目鏡組2，為大F數(shù)超小視場的目鏡組,切換目鏡組2包含2片透鏡，材料分別為硅、鍺。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后光學(xué)系統(tǒng)總長210 mm，與卡式光學(xué)口徑200 mm相當(dāng)，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)空間體積非常緊湊。光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后參數(shù)如表2所示。

表2 優(yōu)化后各組成部分設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameters after optimization mm

2 設(shè)計(jì)結(jié)果

針對光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果，通過光學(xué)傳遞函數(shù)評價(jià)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量，并且分析-55～+70 ℃溫度時(shí)各視場調(diào)焦后光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)，確保采用同一調(diào)焦鏡組能夠滿足4個(gè)視場溫度變化時(shí)的調(diào)焦需求。不同溫度下的傳遞函數(shù)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)MTF曲線Fig.3 Curves of modulation transfer function of the system

各視場光學(xué)傳函值較衍射極限下降較少，能夠滿足使用要求。

畸變會影響成像的視覺效果，光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)需要控制畸變在合理的范圍內(nèi)，4個(gè)視場畸變均小于3%，滿足使用要求。

3 熱光闌驗(yàn)證

從圖3光學(xué)傳函可知，在采用大F數(shù)熱光闌后光學(xué)傳函較低，會影響成像效果，針對F數(shù)為6的熱光闌系統(tǒng)開展相關(guān)驗(yàn)證工作。設(shè)計(jì)了透射式光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，冷光闌光學(xué)系統(tǒng)F數(shù)為3，光學(xué)焦距75 mm，冷光闌光學(xué)系統(tǒng)如圖4(a)所示。通過在光學(xué)系統(tǒng)中切入2片透鏡變焦實(shí)現(xiàn)熱光闌視場，熱光闌位于探測器光窗前5 mm，光學(xué)焦距150 mm，熱光闌光學(xué)系統(tǒng)如圖4(b)所示，兩重視場光學(xué)口徑均為25 mm。熱光闌視場通過增加探測器的積分時(shí)間提升整體性能。

圖4 冷、熱光闌光學(xué)系統(tǒng)Fig.4 Cold and warm diaphragm optical systems

使用紅外性能測試設(shè)備測試2個(gè)視場的最小可分辨溫差(MRTD)值評價(jià)光學(xué)系統(tǒng)性能。冷光闌視場測試達(dá)到極限分辨率2.5 cycles/mrad,MRTD測試值為0.3 K。熱光闌視場對于空間分辨率為2.5 cycles/mrad的靶板測試,測得MRTD為0.3 K；對于空間分辨率為4 cycles/mrad的靶板測試,測得MRTD為0.5 K。通過實(shí)驗(yàn)室測試發(fā)現(xiàn),采用熱光闌視場可提升分辨率，在不增加口徑的情況下提升光學(xué)性能。

完成光學(xué)系統(tǒng)對外景成像試驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證熱光闌使用可行性，冷、熱光闌外景成像效果如圖5所示。熱光闌視場成像對比較好，可滿足觀測使用。

圖5 冷、熱光闌外景成像效果Fig.5 Imaging of cold and warm diaphragm optical system

通過實(shí)驗(yàn)室測試和外景成像試驗(yàn)驗(yàn)證了中波紅外系統(tǒng)可采用大F數(shù)熱光闌設(shè)計(jì)方式，證明了本光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。

4 結(jié)論

通過切換卡式次鏡的方式實(shí)現(xiàn)了緊湊型大變倍比的紅外多視場光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)綜合了反射式和透射式光路的優(yōu)點(diǎn)，符合機(jī)載光電探測設(shè)備小型化、輕量化的發(fā)展需求。整個(gè)系統(tǒng)長度約為焦距的1/6，并且4個(gè)視場共用調(diào)焦鏡組能滿足機(jī)載產(chǎn)品高低溫工作需求，設(shè)計(jì)中,利用大F數(shù)熱光闌在口徑不變的情況下進(jìn)一步提升了光學(xué)系統(tǒng)分辨率，并針對熱光闌的使用開展實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，充分證明了該光學(xué)系統(tǒng)的可行性，未來可用于機(jī)載光電探測設(shè)備。