基于折/衍混合的機載紅外光學系統設計

李 杰,羅 簫,吳晗平

(1.武漢工程大學光電信息與能源工程學院,湖北 武漢 430205；2.武漢工程大學光電子系統技術研究所,湖北 武漢 430205)

1 引 言

機載紅外光學系統是機載紅外系統(包括:機載紅外跟蹤系統、機載紅外告警系統等)的重要組成部分,其光學性能的優劣,將直接影響機載紅外系統的任務執行能力,甚至軍事任務的成敗。目前該系統設計面臨的難題主要是既要保證口徑和焦距足夠大,又要使系統輕量化。在實際應用中大多采用反射式系統來解決這一問題[1-2]。但單純的反射式系統在滿足這些要求的同時,難以獲得較大視場,且存在較大的剩余像差。為此,提出一種基于折/衍混合的機載大口徑、長焦距紅外光學系統,利用非球面和折/衍混合結構,以實現大口徑、長焦距、非熱敏化,輕量化等技術要求。并對其溫度、振動、氣壓等環境適應性進行設計和分析。

2 系統設計

2.1 系統主要技術指標

主要技術指標如下:

系統焦距:f=(1200±5)mm；

口徑:D=(260±5)mm；

視場角:ω≥2°；

遮攔比:α<20 %；

彌散斑直徑:≤20 μm；

系統總長:≤400 mm；

MTF:≥0.4,@空間頻率10 lp/mm；

工作波長:3～5 μm；

工作溫度:-50～+70 ℃。

2.2 設計思路

機載紅外光學系統大多采用兩片反射式的卡塞格林(卡式)結構型式,該結構相比于折射式與折/反射式結構具有無色差、體積小、質量輕、無二級光譜系統可在很寬的光譜范圍內成像等優點,通過使用非球面還可滿足大孔徑、長焦距的技術要求[3-4]。對于卡式結構,其經典設計由一個拋物面主反射鏡和一個雙曲面次反射鏡組成。對于這種結構,慧差是限制性像差,與具有相同F數的單拋物面相同。為進一步改進像質,可將主反射鏡設計成雙曲面,構成無慧差的卡式結構,其像差只受像散和場曲限制。同時由于存在次反射鏡,系統會產生中心遮攔,在設計過程中要嚴格控制次鏡的遮攔比。依據工程經驗,在ω≥2°條件下,當遮攔比小于20 %時,系統符合實際應用要求。由于存在中心遮攔,引入系統有效F數的概念,用Fe表示,Fe由式(1)決定。

(1)

在遮攔比遮攔比小于20 %的條件下,Fe<5時,可保證系統收集足夠的紅外輻射。卡式結構型式如圖1所示。

圖1 Reflective structure

(2)

(3)

主鏡、副鏡曲率半徑R1、R2可分別用式(4)和式(5)確定。

(4)

(5)

兩鏡面型系數e1、e2分可別用式(6)和式(7)確定。

(6)

(7)

依據給出的技術指標可計算出卡式系統相應的結構參數,確定卡式系統初始結構。

但是卡式結構的視場角較小,低遮攔比、長焦距系統一般在1°左右,為提高紅外系統的捕捉能力,必須增大視場角,但提高視場角會導致像質降低、次鏡的遮攔比增大。為使該系統視場角不小于2°,且具有良好像質,需在該結構型式中加入一組紅外透鏡,校正像散和場曲,穩定系統遮攔比。同時由于透鏡組的加入,系統會產生新的色差,降低成像質量,且在-50～+70 ℃工作條件下,該透鏡組消熱差能力較差,使系統離焦。為解決這兩個問題,需要在透鏡組中引入消色差、熱差性能優良的二元光學衍射元件。

對于衍射元件的設計,要在ZEMAX中將透鏡組的其中一面替換為Binary 2(旋轉對稱)二元面。其相位分布函數由式(8)確定[8]。

φ(r)=A1r2+A2r4+A3r6+…

(8)

式中,A1為二次相位系數,決定衍射面的旁軸光焦度；A2、A3為非球面相位系數,用于校正系統單色像差。

對于波長為λ,衍射級次為m(通常設置m=1)的衍射光學元件,其光焦度Φdif由相位分布函數中的A1決定,關系由式(9)確定：

Φdif=-2m(λA1/2π)

(9)

最大環帶數nmax由式(10)確定：

(10)

式中,r0為衍射面歸一化半徑。

臺階深度由式(11)確定：

(11)

式中,L為臺階數；n1,n2分別為二元光學兩側空間的折射率。

衍射光學元件的衍射效率隨臺階數增多而增大,依據經驗把臺階數設置為8,一級衍射效率可達0.95,再通過優化后的相位系數,可計算每一臺階深度。

2.3 設計過程

(1)初始結構計算

依據給出的技術指標f′=1200 mm,暫定遮攔比α=20 %,次鏡放大率β=3,視場2.5°,將以上數據代入式(2)～(7),得到卡式系統初始結構參數,如表1所示。

表1 初始結構參數

參數輸入ZEMAX后,優化后得到系統初始結構如圖2所示,MTF如圖3所示,點列圖如圖4所示。由圖3、圖4知,系統彌散斑大于20 μm,MTF<0.4(@空間頻率10 lp/mm)。不符合系統技術指標要求。

圖2 系統初始結構

圖3 系統初始MTF圖

圖4 系統初始點列圖

(2)優化結果

添加紅外透鏡,設置Binary 2二元面,其衍射級次為1,臺階數為8。減小視場、降低遮攔比,經ZEMAX優化后,得到添加折/衍輔助透鏡組后的系統結構,如圖5所示；MTF和點列圖分別如圖6、圖7所示,可知系統在0°、1.47°和2.1°這三個視場,彌散斑相應分別為16.318 μm、17.765 μm和11.051 μm,彌散斑均小于20 μm,MTF>0.4(@空間頻率10 lp/mm),主次鏡口徑分別為130 mm,23.5 mm,遮攔比為18 %,小于20 %,該設計結果符合技術指標要求。實物模型如圖8所示。

圖5 使用折/衍混合后的系統結構圖

圖6 使用折/衍混合結構后的MTF圖

圖7 使用折/衍混合后的點列圖

圖8 設計結果實物模型

優化后圈入的衍射能量如圖9所示,在該遮攔條件下,像質接近衍射極限,成像質量較好,符合設計要求。

圖9 衍射圈入能量

(3)非熱敏化設計

該系統要求在-50～+70 ℃的溫度范圍內正常工作,因此必須對其進行非熱敏化設計,以保證系統具有較強的溫度適應能力。用ZEMAX在該溫度范圍采樣分析,分別取-50 ℃、10 ℃、+70 ℃,全局優化后,得到該系統在不同溫度下的MTF,如圖10所示。由圖可知,三種情況下的MTF變化非常小,說明該設計在不同溫度下成像質量較好,符合系統非熱敏化技術要求。

圖10 不同溫度下的MTF

(4)主次鏡結構設計

為進一步提高系統對溫度、振動等環境的適應性,需對主次鏡的結構進行合理設計。

①主鏡的結構設計

系統中主反射鏡的直徑尺寸確定為260 mm,主反射鏡采用周邊支撐固定。周邊支撐固定以主反射鏡的底面及一個側面為定位基準面,將反射鏡放置在周邊相對密封的鏡座內,保證反射鏡的底面及側面與鏡座接觸良好。同時,為了避免支撐結構的變形對主面面型產生不良影響,考慮在適當位置設置柔性結構。可在反射鏡與支撐結構連接處設置筋板,減小應力、應變對反射鏡的影響。通過柔性環節產生的形變,達到卸載和吸收應變的目的。為使主鏡固定結構既滿足柔性又具有一定剛度。系統采用了三層固定結構,如圖11所示。

圖11 主鏡固定結構

在該結構中,主反射通過主鏡座4和支撐座2與主鏡本體1連接,使用回轉結構,以消除溫度導致機械材料熱脹冷縮對主反射鏡位置的影響,使主反射鏡抗溫度變化能力加強。該結構中支撐座與主鏡座部件具備一定柔性,且在兩個構件上刻畫出消除應力的溝槽,如圖12所示。使得該系統在工作過程中,較好的消除了由于自重產生的形變,也減少了振動的影響,另外,當外界存在溫度梯度或裝配應力時,主鏡產生的變形,通過主鏡座與支撐座后絕大部分應力被兩件吸收,可有效減少主鏡變形。

圖12 Flexible design of components

②次鏡結構設計

該系統主反射鏡口徑為250 mm,相對來說口徑較小,且主次鏡之間距離小于220 mm,距離較短,為減少加工難度及重量,次鏡支撐結構采用A型桁梁結構較為合適。次鏡支撐結構如圖13所示,固定結構如圖14所示。

圖13 次鏡支撐結構

圖14 次鏡固定結構

4 材料選擇

(1)透鏡材料選擇

對于紅外透鏡,適用在3～5 μm波長范圍內的材料種類較少,主要包括:ZnSe、ZnS、單晶Ge、單晶Si等[9-10]。四種材料性能對比,如表2所示。單晶Si是一種半導體晶體紅外材料,盡管其硬度較高,相比其他材料較難加工,但考慮到單晶硅屬于軟質光學晶體,可使用數控金剛石精密加工,可提高加工精度,降低加工成本。同時,由表2可知,單晶硅的折射率、阿貝數兩項性能指標遠超過其他材料,且其導熱系數較大可減低溫度變化對系統的影響、同時機械強度較高,綜合性能高于ZnSe 、ZnS、單晶Ge。系統選用單晶Si作為透鏡材料。

表2 四種材料的性能對比

(2)反射鏡基底材料選擇

反射鏡的基底材料可選擇的種類較多,主要包括微晶玻璃、碳化硅和熔石英等[11]。碳化硅與其他材料性能對比,如表3所示。考慮到機載紅外光學系統口徑大、自重大以及工作溫度跨度大等特點,反射鏡基底材料要具有較大的比彈性模量、導熱系數,同時要求其具有較高的機械強度。由表3可知,碳化硅雖然密度稍大,但是其彈性模量、導熱率以及熱變形系數性能參數遠好于其他材料。選擇碳化硅作為反射鏡基底材料。

表3 反射鏡材料性能表

(3)機械結構材料選擇

適合機械結構的材料較多,綜合考慮結構機械性能,對空間環境的適應性,以及加工工藝性,重量等因素[12]。選擇鑄造鈦合金ZTC4較為理想,該材料不僅密度小、線性膨脹系數小、機械強度高、耐化學腐蝕性能好,而且熱導率較低,可降低溫度變化產生的應力。

5 公差分析

為便于加工與裝配,還需對設計結果進行公差分析。依據裝配和加工的可允許誤差范圍,確定公差數據,利用ZEMAX軟件進行分析。表4是輸入的公差數據,表中Operand列為公差分析操作數,Min和Max分別代表公差允許變化的最小值和最大值。

輸出的公差分析結果如圖15所示,可知在90 %的概率下,系統彌散斑半徑小于14.36 μm。符合系統技術指標要求。

圖15 公差分析結果

6 環境適應性分析

針對環境因素機載紅外光學系統可靠性的重要影響,設計過程重點考慮了系統對于溫度和振動環境因素的適應性。通過采用折/衍混合輔助透鏡,ZEAMX不同工作溫度條件全局優化,加裝柔性機械結構,選擇熱性能優良的鏡體材料和機械材料等措施,提高了系統對溫度條件的適應性,實現系統的非熱敏化。通過使用回轉結構和刻畫應力溝槽,降低了振動對系統的影響,提高了系統的可靠性。

機載紅外光學系統除了考慮以上兩種因素以外,還需增強其對氣壓、霉菌、太陽輻射等環境的適應性。環境因素對系統的影響以及提高適應性的方法,如表5所示。

7 設計結果及分析

系統設計結果與相應的技術指標要求比較如表6所示。由表6可知,該系統的主要參數滿足技術指標要求。此外,該系統在給定公差條件下彌散斑直徑大概率小于20 μm,在-50～+70 ℃溫度范圍內成像良好,同時該系統對于溫度、振動等環境具有良好的適應性,符合機載紅外光學系統設計技術指標。

表4 輸入的公差數據

表5 環境因素對機載紅外光學系統的影響及提高環境適應性的方法

表6 設計結果與相應技術指標對照

8 結 論

折/衍混合結構的非球面卡塞格林系統不僅滿足了機載紅外光學系統大口徑、長焦距的要求,同時克服了寬溫度范圍的環境對系統影響較大的難題。合理的公差設計和結構設計使該系統的加工和裝調具有可實現性,為該產品的成功研制奠定了理論基礎。本文提出的機載折/衍混合大口徑長焦距紅外光學系統的設計方案,將為機載紅外光學系統的進一步研究和發展奠定工程實現基礎。