帶擺鏡的制冷型中波紅外像方掃描光學系統設計

林 森 蔡 偉 魏小林 常 虹

(1.北京航天計量測試技術研究所，北京 100076；2.北京航天自動控制研究所，北京 100039)

帶擺鏡的制冷型中波紅外像方掃描光學系統設計

林 森1蔡 偉2魏小林1常 虹1

(1.北京航天計量測試技術研究所，北京 100076；2.北京航天自動控制研究所，北京 100039)

基本形式的像方掃描光學系統依然需要復雜的二維回轉機構帶動成像鏡組做二維掃描，所以二維回轉機構需要承擔較大載荷。分析了基本形式的像方掃描光學系統形式，并在基本形式基礎上加入擺鏡，只通過二維擺鏡的旋轉達到掃描像面的目的，大大減小二維回轉機構載荷，提高掃描速度，簡化了系統結構，減小了系統體積。加入擺鏡后的光學系統除具有基本形式像方掃描光學系統的性質外，還有了新的限制條件，對帶擺鏡的像方掃描光學系統進行了分析，提出了設計條件及設計方法，并設計出具有較大視場的像方掃描光學系統。

像方掃描 中波 擺鏡 光學系統

1 引 言

在探測器一定的情況下，凝視型紅外熱像儀若要實現大視場則會降低系統分辨率，掃描型紅外熱像儀可在不損失分辨率的情況下實現對大視場內目標的搜索及跟蹤，其基本形式包括物方掃描形式及像方掃描形式。傳統物方掃描光學系統口徑大，體積大，而且回轉機構需要承擔較大載荷。而像方掃描形式的光學系統具有較小的口徑，回轉機構載荷較小，掃描速度塊，與物方掃描相比具有明顯的優勢。在對像方掃描光學系統成像特點分析的基礎上，設計帶擺鏡的制冷型中波紅外像方掃描光學系統，確定了擺鏡擺放位置的條件，設計出具有大視場的像方掃描光學系統。

2 設計原理

2.1系統原理

像方掃描光學系統基于二次成像光學系統，由前置鏡組及成像鏡組組成。前置鏡組為望遠鏡組，具有較大視場，將大范圍目標成像在一次像面上，像面有一定曲率半徑。成像鏡組有一定的放大倍率，一次像面上的實像經過成像鏡組成像在探測器上，通過成像鏡組的轉動，掃描一次像面以達到對物方大視場景物的掃描。其結構形式如圖1所示。

2.2光學系統特點分析

2.2.1 像方掃描光學系統瞬時視場較小，通過掃描實現對大視場景物的搜索。

為滿足一定分辨率要求，根據已有的探測器焦平面大小及探測距離等參數可計算得到所需要的瞬時視場大小及瞬時視場對應的光學系統總焦距f0。

根據組合光學系統性質可得

f0=f1×β2×β3×…×βi

(1)

式中：f1——光學系統第一個鏡組的焦距，本系統中為前置鏡組；βi——第i組鏡組的放大倍率。

前置鏡組像方F數要與成像鏡組物方F數匹配。因此，制冷型探測器選定之后，可根據兩鏡組設計的難易程度，合理分配各組的焦距及F數大小。

2.2.2 回轉中心位置與一次像面曲率中心位置重合

為使在成像鏡組回轉過程中目標不丟失，或一直保持成像質量良好，成像鏡組回轉中心位置必須與一次像面曲率中心位置重合，否則轉動過程導致各視場光程變化，無法在各個狀態均呈實像。

像面曲率半徑越大，前置鏡組越容易實現，但成像鏡組物距越遠，系統總長越大，因此在設計中需合理規劃一次像面曲率半徑值。

2.2.3 前后組主光線方向對應并共線

若前置鏡組及成像鏡組能夠匹配，則一次像面前，前置鏡組的像方各視場主光線必須與一次像面后成像鏡組物方各視場主光線相對應并共線。為保證實時成像，前置鏡組及成像鏡組各個視場主光線要與像面法線重合，因此成像鏡組物面也為曲面，其曲率半徑與一次像面相等，曲率中心與一次像面曲率中心、成像鏡組回轉中心重合。

2.2.4 入瞳(出瞳)與回轉中心重合

根據回轉中心位置及主光線方向可確定入瞳(出瞳)位置。各視場主光線垂直于像面，即指向像面曲率中心，而根據光學系統性質，各視場主光線N次成像光學系統與光軸有N個交點，每個焦點即為光闌位置，前置鏡組及成像鏡組均為一次成像鏡組的情況下，回轉中心即為孔徑光闌位置。

2.3光學系統基本形式

根據回轉中心的位置不同，像方掃描光學系統有兩種基本形式。

2.3.1 回轉中心在前置鏡組像方：前置鏡組出瞳位置與回轉中心重合，像面曲率為負，前置鏡組各視場主光線必定與像面法線重合。成像鏡組各視場主光線在設計時需設定邊界條件，與一次像面法線重合。圖1所示為像面為負曲率半徑的像方掃描光學系統示意圖。

2.3.2 回轉中心在后組物方：后組入瞳位置與回轉中心重合，像面曲率為正，前置鏡組各視場主光線需設定邊界條件使其與一次像面法線重合。圖2所示為像面為正曲率半徑的像方掃描光學系統示意圖。

相比與物方掃描，像方掃描減輕了系統體積及重量，但二維回轉機構依然承擔了較大載荷，因此限制了掃描速度。

2.4擺鏡對光學系統的影響分析

為了進一步降低二維回轉機構的載荷，增加掃描速度，在像方掃描光學系統中加入擺鏡，目的是只通過擺鏡的二維運動實現對前置鏡組大視場的掃描。擺鏡旋轉速度快，不需要大型回轉機構，無大載荷，因此跟傳統像方掃描光學系統相比重量更輕，體積更小。但擺鏡的加入使光學系統設計的邊界條件更加嚴格。

由于系統中的運動組件只有擺鏡，因此從一次像面到擺鏡之間不能有鏡片，否則轉動時擺鏡與透鏡一起轉動，增大回轉的慣量。加入擺鏡后，系統同樣有兩種結構形式。

(1)若回轉中心在前置鏡組像方，則前置鏡組出瞳與一次像面之間無鏡片，即孔徑光闌與出瞳重合，與擺鏡回轉中心重合，而此時，由于孔徑光闌距離前置鏡組第一片鏡較遠，導致前置鏡組口徑較大，沒有起到縮小體積的作用。其結構示意圖如圖3所示。

(2)若回轉中心在成像鏡組物方，則成像鏡組光學系統入瞳在鏡組之外，在一次像面的回轉中心處，對于制冷型光學系統，主光線與光軸分別在一次像面曲率中心和冷光闌處有兩交點，因此成像鏡組必為二次成像結構。

3 設計實例

根據上述像方掃描形式的光學系統原理，在基本形式的像方掃描光學系統中加入擺鏡，并將回轉中心放置在一次像面之后，設計帶擺鏡的光學系統參數如下：

(1) 光學系統瞬時圓視場：2ω=±6.4°；

(2) 掃描視場：θ=±15°；

(3) 瞬時視場對應的焦距：f=54.8mm。

設計時考慮到系統對尺寸、重量的要求，將回轉中心放置在成像鏡組物方，經過多次計算，均衡設計難度，選擇一次像面曲率半徑為75mm。前組像方F數2.5。后組倍率為0.8。

4 設計結果

經過設計優化，得到最終光學系統結構如圖4所示，各視場成像質量如圖5所示。

由圖5，折轉后系統總長度小于300mm，成像質量在全視場范圍內MTF@16lp≥0.5，根據結構設計結果，重量較物方掃描方式減小了50%，二維回轉機構載荷由原來的3kg減小到0.5kg，因此大大增加了掃描速度。表1為像方掃描形式的光學系統與物方掃描光學系統參數對比。

序號項目物方掃描像方掃描1體積Φ300×500Φ200×3502總質量15kg7．5kg3掃描視場±15°±15°4瞬時視場±6．4°±6．4°

6 結束語

通過對像方掃描成像特性的分析，給出像方掃描光學系統的兩種基本形式，并在此基礎上加入擺鏡，討論了加入擺鏡后光學系統的設計難度及設計特點，最后，設計出帶擺鏡的像方掃描形式的中波紅外光學系統，成像質量良好。其與物方掃描形式相比具有尺寸小、重量輕、結構簡單等特點，在滿足使用要求的前提下，大大節省了系統空間。但本系統仍存在部分難點需解決，如多系統之間的聯合裝調，以及對振動環境的適應性等，還需進一步解決。

[1] 孫露露，劉春華，張鵬，潘枝峰，陳建發．像方掃描機制的紅外成像制導光學系統設計[J]．電光與控制,2014,21(2):65～68.

[2] 楊爭，周偉，徐惠忠．紅外成像系統在軍事領域的應用前景[J]．紅外與激光工程,2008,38(S2):691～694．

[3] 黃培康，袁起，朱振福，等． 光學精確制導技術的發展現狀與展望[J]． 紅外與激光工程,2007,37(S2):1～6．

[4] 趙超，楊號．紅外制導的發展趨勢及其關鍵技術[J]．電光與控制,2008,15(5):48～53.

DesignofImageSpaceScanningSystemwithTiltMirrorforCooledMediumWaveInfraredOpticalSystem

LIN Sen1CAI Wei2WEI Xiao-lin1CHANG Hong1

(1. Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology，Beijing 100076，China； 2. Beijing Aerospace Automatic Control Institute，Beijing 100039，China)

In basic form of image space scanning optical system, the complex rotating mechanism is necessary for driving the lens to do two-dimensional scanning, thus the bearing load on the rotating mechanism is large. The basic form of image space scanning system is analyzed，and a new form of scanning is proposed ,in which a tilt mirror is added. The new system has the advantages of much smaller load on the rotating mechanism, higher scanning speed, more simple structure and smaller size. With the tilt mirror added, the image space scanning optical system has new restriction as well as original characters. The new form of image space scanning system is discussed, the design condition and method are proposed，and the design of an image space scanning system with wide FOV is introduced.

Image space scanning Medium wave Tilt mirror Optical system

2015-10-12，

2016-08-18

中國運載火箭技術研究院創新基金項目。

林森(1986-)，男，工程師，主要研究方向：光學工程。

1000-7202(2017) 04-0016-04

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.04.04

P225.2

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