中波紅外周視光學(xué)系統(tǒng)

孫 浩,于 興,高 益,鄧 巖,梁進(jìn)智

(北京華北萊茵光電技術(shù)有限公司,北京 100015)

1 引 言

戰(zhàn)法靈活的狙擊戰(zhàn),被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代戰(zhàn)爭。這種戰(zhàn)術(shù)能夠在戰(zhàn)場上給敵方造成巨大的傷亡和恐慌[1]。為了應(yīng)對日趨嚴(yán)重的狙擊戰(zhàn)威脅,各國均開展了反狙擊手探測系統(tǒng)的研究,其中紅外探測具有高分辨率、響應(yīng)時間短、探測距離遠(yuǎn)、定位精度高和高隱蔽性等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于反狙擊手探測系統(tǒng)的設(shè)計中。紅外反狙擊手探測系統(tǒng)通過探測槍口閃光或彈丸飛行時與大氣摩擦產(chǎn)生的紅外信號來確定敵方狙擊手位置[2],系統(tǒng)要求具備360°周視能力和一定的俯仰角度同時還需要有較高的實(shí)時性。

紅外周視系統(tǒng)按照實(shí)現(xiàn)方式分為多視圖型和單視圖型兩類[3]。其中多視圖型周視系統(tǒng)一般使用TDI探測器分時掃描或者多面陣探測器孔徑拼接,這兩種實(shí)現(xiàn)方式實(shí)時性低、成本高,無法滿足探測需求。單視圖型周視系統(tǒng)采用凝視型面陣探測器,通過魚眼透鏡實(shí)現(xiàn)周視成像,具有成本低、實(shí)時性高的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的魚眼透射式光學(xué)系統(tǒng)為了引入視場,光線在第一透鏡處會有一個較大的偏折產(chǎn)生嚴(yán)重色散,需要加入多組透鏡對系統(tǒng)像差進(jìn)行平衡,采用折反混合式系統(tǒng)通過二次曲面反射鏡引入視場能夠降低色散,從而使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更為簡單,此外經(jīng)過設(shè)計的反射式結(jié)構(gòu)在增加光程的同時能夠減小系統(tǒng)長度,使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為緊湊利于多平臺的應(yīng)用。本文基于3.7～4.8 μm、陣列規(guī)模640×512制冷型紅外探測器設(shè)計了視場為360×(-15°～+50°)的折反混合式光學(xué)系統(tǒng),適用于紅外反狙擊手探測及類似應(yīng)用場景下的態(tài)勢感知。

2 設(shè)計思想

2.1 物像關(guān)系選擇

在小視場光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中,物像關(guān)系遵循等體視投影,此時物像關(guān)系滿足:

(1)

周視系統(tǒng)屬于超廣角系統(tǒng),設(shè)計時可以遵循等距投影物像關(guān)系或者正交投影物像關(guān)系[4-5]。

等距投影滿足:

H′=f·θ

(2)

正交投影滿足:

H′=f·sinθ

(3)

對上述兩式進(jìn)行微分:

dH′=f·dθ

(4)

dH′=f·cosθ·dθ

(5)

空間角分辨率為:

(6)

(7)

由上式可看出,在像高、最大視場角一定條件下,空間角分辨率ω與焦距f成正比關(guān)系。

紅外周視光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計是以獲得目標(biāo)在空間中的相對位置關(guān)系為目的的,目標(biāo)在作用距離下可被視作點(diǎn)源或擴(kuò)展源[6],為了更為精確的確定目標(biāo)在空間中的相對位關(guān)系,其空間角分辨率是系統(tǒng)性能的重要指標(biāo),比較等距投影和正交投影兩種物像映射關(guān)系,顯然同等條件下等距投影具有較高的空間角分辨率。

2.2 光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計

在光學(xué)總體結(jié)構(gòu)上選用反攝遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)形式,如圖1所示。第一組光焦度負(fù),第二組光焦度為正。反攝遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)像方主面后移,更適合于光線以大視場、細(xì)光束的形式進(jìn)入孔徑,通過軸向空間的增加為處理軸外像差提供了可操作性。

圖1 反攝遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)Fig.1 The reverse telephoto

反攝遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)滿足:

(8)

(9)

其中,FA為前組焦距;FB為后組焦距;D為前后組之間距離;F為系統(tǒng)焦距。

設(shè)計時反射面和折射面結(jié)合運(yùn)用,通過反射鏡的二次曲面面型增大入射視場角,同時反射鏡沒有引入色差,可以使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡單。初始結(jié)構(gòu)搭建如圖2所示,可以將系統(tǒng)分解成反射組和折射組兩部分,反射組為倍鏡形式的反伽利略結(jié)構(gòu),主要用來承擔(dān)視場角,折射組設(shè)計為反攝遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)的短焦距物鏡,系統(tǒng)總焦距為前組和后組的乘積。

圖2 初始結(jié)構(gòu)Fig.2 Initial structure

紅外制冷探測器冷光闌在杜瓦內(nèi),為了滿足100 %的冷光闌效率,系統(tǒng)需要將制冷探測器冷光闌作為系統(tǒng)孔徑光闌。雖然在設(shè)計上增加了難度,但孔徑光闌位也是系統(tǒng)出瞳位,相當(dāng)于整個系統(tǒng)的視場光闌后置,這樣的設(shè)置有效降低了大視場可能導(dǎo)致的系統(tǒng)雜光,同時對結(jié)構(gòu)件內(nèi)表面進(jìn)行消光處理可以進(jìn)一步降低由熱輻射帶來的影響。

3 設(shè)計實(shí)例

3.1 設(shè)計參數(shù)

按照上述設(shè)計思想設(shè)計了一套中波周視紅外光學(xué)系統(tǒng),探測器選用中波制冷型焦平面陣列,具體的設(shè)計指標(biāo)如表1所示。

表1 設(shè)計指標(biāo)Tab.1 Requirement

3.2 設(shè)計結(jié)果

考慮到小尺寸反射鏡更利于加工,設(shè)計中主反射鏡的面型選用了橢球面,相比拋物面和雙曲面,采用橢球面的主鏡在同等視場條件下尺寸更小。將入瞳的位置控制在主鏡附近可以縮小主鏡開孔減少開孔對視場的遮攔,從而增大仰視的視場范圍。設(shè)計使用光學(xué)軟件Zemax對系統(tǒng)像差進(jìn)行了優(yōu)化,設(shè)計結(jié)果如圖3所示:反射組主次鏡分別為橢球面和球面,折射組由五片透鏡組成由鍺材料和硅材料搭配矯正色差,并使用非球面面型矯正球差。

圖3 系統(tǒng)圖Fig.3 System diagram

系統(tǒng)在常溫下MTF如圖4所示,MTF在30 lp/mm時軸上,軸外大于0.6,能夠滿足探測器的使用要求。

圖4 20 ℃ MTFFig.4 20 ℃ polychromatic diffraction MTF

系統(tǒng)的畸變?nèi)鐖D5所示,f-θ畸變由不同視場主光線在像面上的高度H實(shí)際與f·θ像高Hf-θ的差比上Hf-θ得到。下圖為系統(tǒng)設(shè)計完成后的f-θ畸變圖,在全視場范圍內(nèi)f-θ畸變<1 %,系統(tǒng)設(shè)計滿足等距投影的物象關(guān)系。

圖5 f-θ畸變圖Fig.5 f-θ distortion

系統(tǒng)的相對照度如圖6所示,視場在0～35°被主鏡開孔攔截相對照度為0,40°以上視場角在像面上照度均勻性良好,邊緣相對照度降低是因?yàn)槔涔怅@位置確定后,系統(tǒng)主光線出射角度為定值,像面照度滿足cos4θ的能量下降。

圖6 相對照度圖Fig.6 Relative illumination

設(shè)計同時考慮了熱差對焦面的影響,折射組的材料經(jīng)過選型并按照消熱差原則對光焦度進(jìn)行分配,圖7、圖8分別為-40 ℃和+60 ℃,在兩個環(huán)境溫度下,系統(tǒng)傳函相比常溫略有下降,但能夠滿足探測器使用要求。

圖7 -40 ℃ MTFFig.7 -40 ℃ polychromatic diffraction MTF

圖8 +60 ℃ MTFFig.8 +60 ℃ polychromatic diffraction MTF

4 結(jié) 論

討論了一種在等距投影物像關(guān)系下,采用折反混合形式設(shè)計的中波紅外周視光學(xué)系統(tǒng),反射組通過橢球面主鏡增大了入射視場角度并消除了色差,雙反射鏡進(jìn)一步壓縮了系統(tǒng)的軸向長度,整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、透過率高,能夠?qū)崟r獲取360°全方位和俯仰方向上一定角度的周視圖像,適用于紅外反狙擊手探測及類似場景下的態(tài)勢感知。