制冷型中/長波紅外雙波段一體化全反射式光學系統設計

劉芳芳，趙 健，叢 強，李妥妥，湯天瑾，吳 俊

制冷型中/長波紅外雙波段一體化全反射式光學系統設計

劉芳芳1,2，趙 健1,2，叢 強3，李妥妥1,2，湯天瑾1,2，吳 俊1,2

（1. 北京空間機電研究所，北京 100076；2. 先進光學遙感技術北京市重點實驗室，北京 100076；3. 航天東方紅衛星有限公司，北京 100094）

為避免透射式系統存在的色差問題，采用離軸反射式光學系統，在三鏡后加分色片，分別成像到中波探測器及長波探測器的焦面上，實現對中波紅外和長波紅外兩個譜段信息的同時成像。該一體化系統由3個離軸反射鏡和一個分色片構成，為校正系統像差，三鏡采用多項式曲面。采用二次成像結構形式，具有100%冷光闌效率。系統F數為2.67，視場角11.4°×1.8°，工作波段為中波3.55～3.93mm，長波10.3～12.5mm。中波紅外系統MTF平均值大于0.5@25lp/mm，長波紅外系統MTF平均值大于0.4@12.5lp/mm，采用光學被動式消熱差法對光學系統進行溫度補償，溫度適應范圍為－40℃～＋60℃。

制冷型光學系統；紅外雙波段；離軸全反射式系統；被動式消熱差

0 引言

紅外雙波段成像系統能夠同時在長波和中波兩個波段獲取目標信息，可以對復雜的背景進行抑制，從而明顯降低虛警率，提高各類作戰任務的成功率，成為當前各國軍事科學技術研究的應用重點[1-3]。例如美國研制的多光譜熱成像儀共有15個譜段，其中包含2個中波紅外譜段和3個長波紅外譜段。德國研制的BIRD衛星為雙通道推掃成像儀[4]，工作譜段為3.4～4.2mm和8.5～9.3mm。非制冷型探測器利用紅外熱輻射效應檢測，探測器在接收到紅外輻射后會轉換為熱，溫度會隨之升高，溫度的變化會以電信號的形式被放大和顯示出來。但同時也會形成噪聲信號，從而影響系統的探測靈敏度，大大降低產品的可靠性[5]。制冷型探測器基于敏感材料的光電效應，需要加制冷裝置，噪聲等效溫差極低，光靈敏度很高，因此大多軍用、航天、航船等紅外設備都采用制冷型紅外成像系統。

傳統的紅外成像光學系統大都采用透射式系統或折反射形式，但可用于中波和長波紅外譜段的透鏡材料較少，可同時應用于兩個波長的材料則更為有限，且透鏡材料價格昂貴。透射式系統在優化設計中不可避免地會引入色差，且不易實現系統的被動式消熱設計。透鏡材料的均勻性對系統成像性能影響大，對透鏡材料的選擇提出一定的要求。

基于以上分析，本文采用離軸反射式系統通過分色片分光實現對中波紅外與長波紅外的同時成像，采用二次成像的方式實現冷光闌匹配。

1 光學系統設計思路

1.1 光學系統設計指標

針對目標特性以及應用需求，光學系統需要在500km軌道高度實現25m地面分辨率。采用像元尺寸為20mm的制冷型中波紅外和長波紅外雙波段響應探測器，其中短波有4000像元，長波有2000像元。該光學系統的主要設計指標如表1所示。

表1 光學系統設計指標

1.2 光學系統選型

制冷型紅外光學系統必須考慮探測器本身所帶的冷光闌和杜瓦瓶的位置和尺寸[6]。為滿足冷光闌效率大于98%的要求，需要保證光學系統出瞳與探測器冷光闌相匹配，為保證系統有足夠的出瞳距離，采用二次成像的結構形式。同時，由設計指標可知，系統的視場角大且F數小，離軸三反光學系統易于在弧矢方向實現較大的線視場，使光學系統在焦面處完成推掃成像。且離軸反射式系統具有低輻射、無色差、環境適應性強[7]等優點，所以本設計選擇了具有中間像的離軸三反光學系統結構形式。

2 光學系統設計

2.1 結構約束條件建立

根據上述分析，選擇CODEV軟件庫中的示例鏡頭作為初始結構，如圖1所示。

圖1 初始結構圖

離軸反射式系統在優化設計過程中，易出現光線被反射鏡、分色片及像面等元件遮擋，且易出現系統出瞳、反射鏡、分色片及像面之間的干涉，因此在優化設計過程中通過自定義函數構建該系統的光線邊界約束條件，有效地控制各光學元件的離軸量和傾斜角度。

A1、A2為入射光位置，B1、B2為主鏡，C1、C2為次鏡，D1、D2為三鏡，E1、E2為分色片前表面，F1、F2為出瞳位置。自定義函數Point to Line對系統尺寸進行約束，光線與表面的交點在光線上方為正，光線與表面的交點在光線下方為負，相應的光路結構與物理結構約束條件如下式所示：

Point C1 to Line A2 B2≤－30mm (1)

Point A2 to Line B1 C1≥30mm (2)

Point B2 to Line C2 D1≥30mm (3)

Point D1 to Line B2 C2≤－30mm (4)

Point E1 to Line C1 D2≤－30mm (5)

Point F1 to Line C1 D2≤－30mm (6)

Point C2 to Line D1 E1≥30mm (7)

式(1)和(2)限制了入射光線與次鏡之間的位置關系，并留有一定的機械結構尺寸；式(3)和(4)限制了主鏡與次鏡的位置關系，并給雜散光抑制結構留有一定的結構余量；式(5)可以避免從次鏡出射的下邊緣光線被分色片遮擋；式(6)可以避免從次鏡出射的下邊緣光線被探測器的出瞳位置遮擋；式(7)限制了次鏡與像面的位置關系，并給結構設計留有一定的余量。以上公式保證系統結構合理且緊湊。

2.2 光學系統初步優化設計

采用上述初始結構及結構限制方法，確保系統各元件間不相互干涉。通過控制系統的理論像高與實際像高之差，保證系統的畸變滿足技術要求，對系統進行初步優化設計。初步優化設計結果如圖2所示，其中主鏡和三鏡采用高次非球面，次鏡采用二次曲面。由于視場角過大，只依靠三鏡難以實現系統的冷光闌匹配，所以在優化過程中嘗試將中間像放到主鏡與次鏡中間，通過次鏡與三鏡共同作用實現系統100%冷光闌效率。

圖2 初步優化設計結構圖

初步優化后系統的MTF曲線如圖3所示。

中波譜段系統MTF全視場內平均值大于0.5@25lp/mm，長波譜段系統MTF全視場內平均值大于0.36 @12.5lp/mm，未滿足技術要求，需要對系統進一步優化。

2.3 XY多項式自由曲面分析

目前，遙感衛星的成像幅寬越來越寬，決定了光學系統的視場角也越來越大，傳統的二次曲面或高次非球面的設計自由度已經不能滿足大視場的需求，具有更多自由度的自由曲面應運而生。自由曲面因具有非對稱的結構形式，可提供更多的優化自由度，提高光學系統的軸外像差平衡能力，有效校正離軸彗差與像散，從而大幅度提高大視場離軸光學系統的成像質量[8-13]。

自由曲面的數理模型有很多種，例如zernike多項式、多項式、高斯多項式等。本設計中的自由曲面表達式選擇多項式的數學模型，如式(8)所示與超精密光學元件加工車床的內建自由曲面面型保持一致，可快速形成加工鏈路，并實現設計與加工的無損傳遞[10]。

式中：為半徑；為圓錐常數；a為xy項的系數，和為非負整數，且＋≥1；為xy的總項數。

為了保證自由曲面具有加工與檢測的可能性，在優化設計過程中，多項式自由曲面的多項式階次通常不超過8階。且xy中關于的奇次項系數設置為0，只采用的偶次冪項，可以保證表面關于面的對稱性，構建對稱像質。

圖3 初步優化后系統MTF曲線

本設計所選用的光學系統包含主鏡、次鏡、三鏡和分色片4個光學元件。其中分色片起分光作用，實現光路的折轉與透射，其表面為平面。次鏡為凸面，其高精度檢測會成為后續生產過程中的難題，故放棄次鏡采用自由曲面的方案。由于系統F數小，視場角大且在后光路中需將中波與長波進行分光，將三鏡設置為自由曲面可更好地校正中間像處的像差，經過分析優化比較最終選擇三鏡為自由曲面對系統進行優化設計[14]。

自由曲面的面型參數也是從少到多，逐步增加。由于自由曲面加入后系統像差不再是絕對對稱，在優化過程中需要觀察全視場的波像差圖，逐步增加控制點，保證全視場范圍內無突變點。

2.4 光學系統設計結果

制冷型中長波紅外雙波段一體化反射式光學系統優化設計后主鏡采用高次非球面，次鏡采用二次曲面，三鏡為多項式曲面，最高項為的8階項，光學系統結果如圖4所示。

經優化后系統成像質量良好，滿足技術指標的要求。針對紅外推掃成像的性能指標要求，對系統進行像質評價。在全視場范圍內中波紅外MTF在25lp/mm處均值大于0.54，長波紅外MTF在12.5lp/mm處均值大于0.43，如圖5所示。

圖4 制冷型中長波紅外雙波段一體化反射式光學系統結構圖

圖5 制冷型中長波紅外雙波段一體化反射式光學系統MTF曲線

中波紅外與長波紅外系統的畸變如圖6所示，最大畸變均不超過2%，具有很好的成像保真度。

圖6 制冷型中長波紅外雙波段一體化反射式光學系統畸變網格

全視場范圍內的波前像差圖如圖7所示，從圖中可以看出全視場范圍內無突變點。

3 光學系統消熱設計

采用被動消熱的設計方法實現系統－40℃～＋60℃的消熱設計。反射鏡材料選擇鋁合金，支撐材料也選擇鋁合金，反射鏡材料與支撐結構材料相同，可消除溫度變化對系統的影響，系統在兩個極端溫度的MTF曲線如圖8所示。

圖7 制冷型中長波紅外雙波段一體化反射式光學系統全視場范圍內RMS圖

圖8 制冷型中長波紅外雙波段一體化反射式光學系統溫度分析

4 結論

本文基于多項式自由曲面設計了一個大視場，中波紅外與長波紅外共光路，制冷型離軸三反光學系統。其視場角為11.4°×1.8°，F數為2.67，全視場范圍內中波紅外在25lp/mm的空間截止頻率處MTF均值大于0.54，長波紅外在12.5lp/mm的空間截止頻率處MTF均值大于0.43，系統畸變小于2%，系統整體成像性能優良，溫度適應范圍廣。在星載紅外推掃成像領域有很好的應用前景。

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Design of Cooled Medium/Long Wave Infrared Dual-band Integrated Reflective Optical System

LIU Fangfang1,2，ZHAO Jian1,2，CONG Qiang3，LI Tuotuo1,2，TANG Tianjin1,2，WU Jun1,2

(1.,100076,; 2.,100076,; 3.,100094,)

A three-mirror anastigmatic(TMA) optical system was adopted to prevent chromatic aberration of the refractive system by adding a dichroic beam splitter behind the tertiary mirror to simultaneously implement the image to the MWIR and LWIR detectors. The integrated system included three off-axis mirrors and a dichroic beams plitter. The surface of the tertiary mirror was anpolynomial freeform surface that could correct system aberrations. The structure of the system was re-imaged with 100% cold shield efficiency. The F-number was 2.67, the full field of view(FOV) was 11.4°′1.8°, the working band is 3.55-3.93mm for the MWIR channel and 10.3-12.5mm for theLWIR channel. The modulation transfer function (MTF) average values of MWIR were greater than 0.5 at 25lp/mm, and the MTF average values of the LWIR were greater than 0.4 at 12.5lp/mm. The temperature compensation of the optical system was optical passive athermalization. The temperature range was-40℃ to+60℃.

cooled optical system, infrared dual-band, off-axis total reflection system, passive athermalization

TN216

A

1001-8891(2021)12-1166-06

2021-05-18；

2021-07-07.

劉芳芳（1991-）女，山東東營人，工程師，碩士，主要從事遙感衛星光學系統設計。

國家自然科學基金（91738302）。