機載雙視場中波紅外光學系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

董科研，王 健，孫 強，王洪亮，李全熙，姜會林

(1.長春理工大學 空間光電技術(shù)研究所，吉林 長春，130022;2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春，130033;3.第二炮兵駐北京軍代室，北京100039;4.中國人民解放軍海軍91329部隊裝備部，山東威海264200)

1 引言

為適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要，世界各國正積極研制并裝備機載吊艙系統(tǒng)，以提高軍事偵察能力，而前視紅外系統(tǒng)是機載吊艙系統(tǒng)中的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一，它可以在全天候情況下進行空對地及空對空的搜索，截獲，識別和跟蹤地面、空中目標。隨著紅外探測器技術(shù)的長足發(fā)展及應(yīng)用范圍的不斷擴展，紅外雙視場及連續(xù)變焦光學系統(tǒng)的需求日益增加。相比于連續(xù)變焦光學系統(tǒng)，雙視場紅外光學系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，該系統(tǒng)僅通過透鏡組之間的間隔改變，便可實現(xiàn)雙視場間的切換，且成像質(zhì)量好、視場切換速度快、裝調(diào)容易，因此在現(xiàn)代軍事中發(fā)揮了不可替代的作用，具有廣泛的應(yīng)用前景和其它技術(shù)手段無法比擬的優(yōu)勢［1-4］。

本文在考慮機載平臺對其載荷的各種約束條件基礎(chǔ)上，針對320 pixel×256 pixel的中波制冷型焦平面陣列探測器，設(shè)計了一款適用于機載紅外搜索與跟蹤的雙視場中波紅外光學系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用二次成像結(jié)構(gòu)，利用軸向移動形式，在僅移動一片透鏡的情況下，實現(xiàn)了焦距在800和400 mm的兩檔變換，通過光路二次折轉(zhuǎn)實現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化、輕量化和高穩(wěn)定性，滿足了機載平臺的使用要求。

2 結(jié)構(gòu)原理

雙視場紅外光學系統(tǒng)的視場切換方式主要分為軸向移動式和切入切出式。軸向移動式通過透鏡組的軸向移動來改變系統(tǒng)的焦距;切入切出式則是利用機械切換組件增加或減少光路中的透鏡組來改變焦距。切入切出式的機械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，體積較大，裝調(diào)難度大，對運動件的定位精度要求高，否則會影響大小視場的光軸一致性;軸向移動式體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，光軸一致性指標易于實現(xiàn)［5-10］。圖1為軸向移動式變倍系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖，其通過變倍組的軸向移動來實現(xiàn)寬視場和窄視場的兩檔切換。

圖1 軸向移動式基本結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of axial movement

對于雙視場紅外光學系統(tǒng)，變倍組在焦距切換時滿足物像交換原則，設(shè)α為系統(tǒng)倍率，則變倍組對焦距的變化為α2，短焦距時變倍組的倍率α2s為［11］:

當變倍組處于長焦距和短焦距時，變倍組的移動量為:

設(shè)變倍組與固定組的最小間隔為d，短焦距時變倍組的物距為ls，則固定組焦距f'1為:

由式(4)、(5)可看出，變倍組焦距直接影響變倍組移動距離，同時影響固定組焦距f'1的選取，變倍組的移動距離和其焦距成正比，為了減小長焦距和短焦距的切換時間，并縮短整個光學系統(tǒng)的長度，在系統(tǒng)優(yōu)化過程中，應(yīng)對變倍組焦距及其軸向尺寸進行約束限制，從而實現(xiàn)較短軸向尺寸、不同目標距離條件下清晰成像的設(shè)計結(jié)果。

3 設(shè)計思想

3.1 系統(tǒng)分析

本文設(shè)計的雙視場光學系統(tǒng)工作在中波紅外波段，且焦距在800和400 mm兩檔變換，采用的探測器為像元尺寸為30 μm×30 μm的320 pixel×256 pixel制冷型凝視焦平面陣列探測器。為保證制冷型紅外探測器對100%冷光闌匹配的基本要求，系統(tǒng)選擇二次成像結(jié)構(gòu)，并把探測器冷光闌作為系統(tǒng)的孔徑光闌，以抑制雜散光對光學系統(tǒng)的影響，同時避免因光束切割而造成能量損失。相對于一次成像結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠最大限度地減小光學元件尺寸，有效減輕系統(tǒng)重量和體積，滿足機載平臺對載荷的要求［12-13］，表1為本系統(tǒng)的光學設(shè)計參數(shù)。

表1 光學設(shè)計參數(shù)Tab.1 Optical design parameters

3.2 像差分析和光學設(shè)計

按照技術(shù)要求，結(jié)合軸向移動式雙視場切換原理及系統(tǒng)光焦度的分配原則，依據(jù)高斯光學理論計算出系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)，利用CODE V光學輔助設(shè)計軟件對初始結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，系統(tǒng)最終設(shè)計結(jié)果如圖2所示。為使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，本系統(tǒng)選用正負正光學結(jié)構(gòu)，即固定組為正透鏡組，變倍組為單負透鏡，后固定組為正透鏡組，利用單負透鏡軸向平移來切換視場。在系統(tǒng)光路中，折疊光路采用了2片反射鏡，從而減小了系統(tǒng)體積，負透鏡選擇硫化鋅材料，用于校正系統(tǒng)的彗差和軸外像差，整個系統(tǒng)采用單晶鍺、硅和硫化鋅3種常用的紅外光學材料。

圖2 兩視場中波紅外光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic of dual field-of-view MW infrared optical system

從圖中可以看出，通過移動負透鏡就能實現(xiàn)雙視場的轉(zhuǎn)換。為保證系統(tǒng)在長焦和短焦位置全孔徑內(nèi)都獲得滿意的像質(zhì)，在透鏡2前表面及透鏡5后表面引入了非球面，用以平衡軸外像差、場曲、色差。通過優(yōu)化設(shè)計，雙視場光學系統(tǒng)的總長為530 mm，處于寬視場時第1塊透鏡通光口徑為200 mm，雙視場光學系統(tǒng)的基本變焦位置如表2所示。

表2 雙視場中波紅外光學系統(tǒng)的變焦位置Tab.2 Zoom position of dual field-of-view MW infrared optical system

圖3 兩視場紅外光學系統(tǒng)MTF曲線Fig.3 MTF curves of dual field-of-view MW infrared optical system

圖4 兩視場紅外光學系統(tǒng)的場曲、畸變圖Fig.4 Field curvature and distortion diagram of dual field-of-view MW infrared optical system

圖5 兩視場紅外變焦系統(tǒng)點列圖Fig.5 Spot diagrams of dual field-of-view MW infrared optical system

調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)能夠全面地評價出光學系統(tǒng)的成像性質(zhì)，包括系統(tǒng)的分辨率和對比度，本系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線如圖3所示，從曲線可以看出，在系統(tǒng)F數(shù)為4且恒定不變，像面保持穩(wěn)定的情況下，焦距可在800和400 mm兩檔變焦，在探測器的 Nyquist頻率16 lp/mm處的MTF值 ＞0.5，接近衍射極限;本系統(tǒng)的場曲、畸變圖如圖4所示。從圖中可以看出，雙視場的場曲＜0.04 mm，畸變＜2.5%;點列圖是光學系統(tǒng)對點目標成像時所形成的幾何像斑，圖5給出了窄、寬視場的的彌散斑直徑均方根值(RMS)，雙視場的RMS＜30 μm，滿足探測器的使用要求。

4 結(jié)論

針對像元大小為30 μm×30 μm的中波紅外320 pixel×256 pixel制冷型凝視焦平面陣列探測器，通過技術(shù)指標需求分析，結(jié)合中波紅外系統(tǒng)的光學特性，采用CODE V光學輔助設(shè)計軟件，設(shè)計了滿足機載紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)實際使用要求的雙視場中波紅外系統(tǒng)，實現(xiàn)了800 mm/400 mm兩檔變焦。該系統(tǒng)在寬、窄視場都具有良好的成像質(zhì)量，可在大范圍內(nèi)搜索目標的同時，對具體目標進行識別和分析。此類系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用在軍事、民用方面，特別適用于對目標進行跟蹤和識別。

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