一種激光與紅外復合光學系統設計

項建勝,潘國慶,2,孟衛華,2

(1.中國空空導彈研究院,河南 洛陽 471009；2.航空制導武器航空科技重點實驗室,河南 洛陽 471009)

1 引 言

復合光學系統可以在有限的空間內實現兩種及以上波段的融合聚焦功能,相比于傳統單一模式的光學系統具有明顯的優勢,復合光學系統可以獲取更多的目標及背景信息。在偵查、探測識別領域隨著現有技術的突破以及目標識別、探測能力要求的提高,復合光學系統有著廣泛的應用前景[1]。

復合光學系統的融合方式目前主要分為分口徑融合、共口徑融合兩種。分口徑融合的方式比較簡單,不同波段的光學系統是相互獨立的,其設計方法并無特別之處,當然缺點也比較明顯,其融合程度低,占用結構空間大,觀察基準不一致等。而共口徑融合方式具有融合程度高、空間利用率高的優點[2],其設計難度大,材料可供選擇的范圍有限,因此在設計中需要針對不同探測波段的特點,利用不同波段的共性特征,選擇合適的光路結構、透波(反射)材料、高效的分光器件,在一定的空間結構內實現不同波段的高度融合,在選用光學材料時要特別注意不同波段的透過性能,在零件的加工、鍍膜以及后續裝配中均需要特別考慮設計[3]。

本文介紹的復合光學系統工作波段為長波紅外(8～12 μm)與1.064 μm激光,采用共口徑融合的方式,在后續光路中利用分光器件實現分離。

2 光學系統設計要求及選型

復合光學系統主要設計要求如表1所示。其中長波系統采用非制冷多晶硅探測器,其面陣為320×256,像元大小20 μm；半主動激光系統采用四象限探測器,像面大小為Φ14 mm。根據表1中的光學系統設計輸入參數,可以計算出紅外與半主動激光系統的焦距分別為93 mm、160 mm。

從設計要求可以看出,該復合光學系統要求共口徑融合,而兩種模式的工作波段跨度比較大,由于可供選擇的兩種波段均透過的光學材料非常少,很難采用不同透光材料的搭配來達到校正像差滿足成像質量要求；而且外形尺寸要求小于160 mm,根據上面計算出的焦距長度以及考慮到分光器件也要占用較大的空間,而透射式結構很難做到空間緊湊,因此認為透射式光路結構不適合本設計要求。

相比于純透射式方案折反式光路結構具有比較大的優勢,首先,其采用光路折疊的形式可以有效地縮短系統總長；其次,反射元件無色差的特性非常適合多波段復合；再次,折射元件與反射元件的光熱特性相反,可以較為容易地實現無熱化設計；最后,本設計要求中的視場角較小,可以選用折反式方案實現。因此認為本方案適合采用折反式光路結構。

表1 光學系統設計要求

根據上述分析,畫出復合光學系統的光路簡圖,如圖1所示。入射光線首先通過透光保護性頭罩,該頭罩為球冠形狀,材料選用多光譜硫化鋅,并在其表面鍍制1.064 μm與長波紅外雙波段增透膜,透過率可達90%以上。經過主、次反射鏡匯聚后形成一次像點,其中主鏡為拋物面反射鏡,材料選用鋁合金,次鏡為雙曲面反射鏡,材料選用熔融石英,其表面均鍍制鋁反射膜,反射率可達96%。由于反射元件無色差,這樣半主動激光與紅外系統經過主次反射鏡后,沒有引入色差,因此兩個系統的一次像面位置一致。一次像點經過準直鏡準直后進入分光器件,其中準直透鏡與分光平板采用ZnSe材料,并在分光平板的前表面鍍膜達到反射激光透過紅外的目的。分光后半主動激光與紅外各自經過匯聚系統成像在所用的探測器焦平面上。

圖1 光路示意圖

3 光學系統設計

3.1 半主動激光光學系統設計原理

根據半主動激光探測制導的原理可知,一般半主動激光光學系統將目標反射回來的激光信號匯聚在四象限探測器上形成能量均勻的像斑,通過四象限激光探測器的四個象限的輸出信號大小來判斷像斑在探測器上的位置,從而來判斷目標方位[4]。因此半主動激光光學系統為一非成像光學系統,它不同于成像光學系統,在優化設計時不需要平衡控制像差使像斑達到最優,而是需要將像斑控制在需要的大小(其像斑大小根據半主動激光探測所需線性區大小來確定,本文不再贅述)且能量分布均勻。一般在優化設計中,需要對軸外像差進行適當控制,保留一定量的球差與離焦像差。

根據上述分析的光路結構,半主動激光光學系統采用折反二次成像方案,與紅外系統共用一次成像的反射系統與準直透鏡組,其中準直透鏡組采用ZnSe材料,該材料從可見光到長波紅外均有較高的透過率,適合作為復合透鏡材料使用。經過分光器件90°反射后,經過匯聚透鏡組形成能量均勻的像斑,匯聚透鏡組材料采用常見的玻璃材料K9、ZF6。

3.2 長波紅外光學系統設計原理

紅外系統為一成像光學系統,采用非制冷長波探測器,同樣采用折反二次成像方案。由于紅外材料自身的折射率溫度系數相比于傳統玻璃要高出一個量級,導致紅外光學系統成像質量特別容易受到外界溫度變化的影響,因此在進行紅外光學系統設計時需要針對系統工作的高低溫環境進行成像質量考核設計,滿足無熱化設計要求[5]。

正如前文所述,采用折反二次成像式光路結構在無熱化設計時以反射元件與透射元件光熱特性相反的特點為出發點,合理選擇分系統光焦度分配、光學材料、鏡筒材料來最終實現無熱化設計。

在具體設計中,記主反射鏡曲率半徑為r1,主反射金基底材料熱膨脹系數為α1,次反射鏡曲率半徑為r2,次反射鏡采用石英材料,其熱膨脹系數很小,其引起的光焦度變化可以忽略不計。鏡筒材料熱膨脹系數為α2,主、次反射鏡間距為L1,鏡筒長度L,折射分系統焦距為f。當溫度變化時,一次成像點由于反射系統的熱差效應出現移動,根據近軸光學解算出一次像點的變化量為:

(1)

而對于后繼折射系統一次像點為其物點,一次像點的變化量即是折射系統的物距變化,記折射系統的物距為m1,像距為m2。由高斯公式可知:

當溫度變化時,物距的變化即是上面所述的Δm,折射系統的焦距變化為Δf,得出溫度變化后像距為:

若滿足無熱化要求則像距變化量與鏡筒長度變化量相等,即Δm2=Lα2Δt;

由此可以計算得出:

(2)

根據式(1)和式(2)就可以得出滿足無熱化要求的反射系統的參數與折射系統的參數關系。在設計時首先確定反射系統的主、次反射鏡參數,然后根據上述關系得出折射系統的參數,建立初始模型進行優化迭代設計,直至滿足無熱化要求[6]。

3.3 復合光學系統設計

根據前兩小節的分析可知,兩種系統的差異較大,兩個系統的優化目標函數也不一樣,因此很難建立多重模型統一優化設計。但考慮到激光非成像系統的像差矯正要求較低,對光學元件參數的允許范圍較為寬松,而紅外系統要求成像質量高、像差矯正難度大,在實際設計中遵循紅外光學系統優先的原則。

設計出的光學系統如圖2所示。正如上文所述,光線經過多光譜硫化鋅保護罩后,入射到主、次反射鏡上,經其反射后形成一次像面；之后經過兩片ZnSe透鏡準直后進入分光器件,這兩片ZnSe透鏡采用球面面型,可以為后續激光光學系統提供一定量的球差,用于形成能量均勻的激光像斑,雖然其采用非球面面型可以使紅外系統達到較高的成像質量,但會造成激光光學系統能量分布不均勻,因此復合透鏡選擇球面面型是比較好的折衷方案。在分光器件前表面,激光反射后進入激光匯聚鏡組,匯聚鏡組有三片正光焦度的玻璃鏡片組成,最終形成能量均勻分布的像斑。而紅外光線通過分光器件后進入紅外成像鏡組,紅外成像鏡組由四片透鏡組成,材料選用單晶鍺與硫系玻璃材料,通過在其表面加工制作非球面面型,達到了紅外成像質量要求。

圖2 光學系統圖

4 復合光學系統像質評價

`由于半主動激光光學系統與紅外光學系統屬于非成像與成像光學系統,其像質評價方式不同。半主動激光光學系統的設計質量主要通過像斑內能量分布是否均勻來考核,而紅外光學系統主要是通過光學系統傳遞函數來考核。

4.1 半主動激光光學系統像質評價

半主動激光光學系統對像質的要求為在線性區內像斑直徑一致且能量分布均勻。通過光學仿真設計軟件得出,在不同視場下的像斑模擬情況,如圖3所示。可以看出在視場內像斑大小一致,為了更好地表示像斑能量分布情況,繪制包絡圓能量圖,如圖4所示。從圖中可以看出包絡圓內的能量大小與包絡圓直徑呈近似的拋物線關系,說明能量分布是均勻的。

圖3 像點圖

圖4 能量包絡圓圖

4.2 紅外光學系統像質評價

紅外光學系統主要的像質評價依據為光學系統傳遞函數,圖5中列出了不同溫度下不同視場的光學系統傳遞函數(MTF)。

圖5 不同溫度下的光學系統傳遞函數

從圖中可以看出不同溫度下的光學系統傳遞函數基本保持一致,實現了無熱化設計。光學系統的傳遞函數在紅外探測器的奈奎斯特采樣頻率25 lp/mm處均高于0.2。從圖中同樣也可以看出軸外視場的弧矢方向傳遞函數下降較多,主要是由于紅外光路中存在45°分光平板,引入了部分像散導致傳遞函數出現了一定的下降,在實際使用中可以采用減小分光平板的厚度或在分光平板中引入一定楔角的方法,可大幅降低分光元件引入的像差。使光學系統傳遞函數達到較高的水平,從而保證紅外光學系統的成像質量。可以說紅外光學系統設計的成像質量滿足要求。

5 總 結

采用共口徑高度融合的方式將半主動激光與長波紅外光學系統復合在一起,使兩種探測模式取長補短,最大化地發揮兩種模式的優點,可以達到非常好的探測識別效果。在綜合考慮光學系統指標要求、可實現性、成本等方面的因素,采用了一種折反二次成像式光路方案,利用前段經典卡塞格林式反射系統無色散的特點,可以以較低的成本高效地實現兩種模式的共口徑融合；在后端采用分光器件平板前表面鍍制特殊膜層的方法,將激光與紅外光線實現高效分離。通過采用常用的光學材料以及成熟的光路結構,選擇合適的設計方法,可以較好地實現本文所述的半主動激光與紅外共口徑復合光學系統。

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