3.7～4.8μm紅外二次成像折反射式光學系統設計

李 卓，葉宗民，孫保杰，劉文鵬

3.7～4.8μm紅外二次成像折反射式光學系統設計

李 卓，葉宗民，孫保杰，劉文鵬

（中國人民解放軍91404部隊，河北 秦皇島 066000）

為滿足小、遠目標和空間目標的光學特性測量需求，提出以RC結構為設計基礎，通過曲線方程和高斯公式確立反射式光學系統初始結構參數。為達到優化設計目的，結構中引入了二次成像中繼鏡組，解決了100%冷光闌效率問題。通過ZEMAX建立評價函數，仿真測試表明：設計完成的紅外二次成像折反射式光學系統口徑200mm，焦距380mm，結構緊湊簡單，成像質量滿足實際測量需求。

中波紅外；光學系統設計；折反射式光學系統；二次成像

0 引言

目前，空間目標的光學特性測量、偵查預警及目標識別等方面的研究逐漸受到各國軍方的關注與重視。對于空間光學系統，物距通常較大，實際應用中對分辨率均有一定要求，而探測器的像元尺寸又有限，那么空間光學系統的焦距往往比較大，通常在幾百毫米以上，長的可以達到數米甚至數十米。通常如采用透射式設計，為達到一定的相對孔徑，物鏡的口徑就要設計的非常大[1]。在現有條件下，大口徑物鏡的制作加工實現難度是非常大的。反射式系統可有效解決大口徑物鏡難題，而且系統幾乎無色差，適用于寬光譜系統。為此，短結構的反射式望遠物鏡在空間光學系統中的應用越來越廣泛，無論是在國內還是國外均將此領域的研究作為一個熱點方向[2]。

為進一步提升目標光學特性測量技術手段和能力，發展和完善測量裝備體系，本文針對飛機、導彈等小、遠空間物體目標，設計了一套工作波段3.7～4.8mm，口徑200mm，焦距380mm的折反射式光學系統。此系統安裝于車載共平臺。車載平臺機動靈活，可承載多個光學特性測量設備，同時獲取目標的可見光、中波、長波波段的成像及輻射特性數據。所以，綜合考慮技術指標、空間布局等制約因素，采用RC結構完成一套二次成像折反射式光學系統設計，系統中引入中繼組，中繼鏡由Ge、Si材料透鏡組成，成像質量通過軟件仿真模擬接近衍射極限，可實現與探測器的較好匹配，滿足安裝調配和實際測量使用需求。

1 探測器組件

中波紅外熱像探測器設計結構主要由鏡頭組件、濾光片組件、探測器以及保護外殼組成，結構展示如圖1所示。為實現鏡組與探測器完美匹配，根據探測器技術指標確定光學系統的設計參數。考慮用于目標光學輻射特性測量，探測器選用高靈敏度、高測量精度、高幀頻的制冷型MCT焦平面探測器。

圖1 中波探測器組件外觀圖

2 兩鏡式反射光學系統

反射式光學系統應用衍射原理將入射光線匯集，通常采用兩鏡式和多鏡式。兩鏡式較多鏡式系統結構簡單，成像質量亦可滿足使用需求，其工作原理[3]如圖2所示，其最大優點是主鏡的口徑可以做得較大，遠超過透鏡的極限尺寸，鍍反射膜后，使用波段很寬，沒有色差，同時采用非球面后，有較大的消像差能力。但是兩鏡系統也存在一些缺點，例如不容易得到較大的成像質量優良的視場，次鏡會引起中心遮攔，有時遮攔比還較大，非球面與球面相比制造難度加大。目前，隨著非球面加工技術越來越成熟，在空間目標特性測量的光學系統中，兩鏡系統是一個很好的選擇，按照結構形式可分為卡塞格林式和RC結構[4]。

圖2 帶中繼兩鏡系統的光學示意圖

3 二次成像反射光學系統設計

3.1 RC結構設計原理及初始結構確定

RC結構因主鏡和次鏡均采用二次曲面鏡[5]，相較于卡塞格林式可進一步提升光學系統像差的校正能力。在RC結構引入中繼組以實現調整出瞳位置，使光學系統的成像在探測器焦面上。

根據選定的反射式光學系統的結構形式，對照光學系統設計指標要求和反射式光學系統的設計原理，開展光學系統設計，設計指標如表1所示。

RC結構的兩鏡面均為二次曲面，其表達式為：

2＝2－(1－2)2(1)

式中：2為面形參數，可以作為消像差的自變量。1、2為鏡面頂點的曲率半徑，對于空間系統，其物體位于無限遠，同時一般光闌與主鏡重合，因此有：

1＝￥；1＝0 (2)

表1 光學系統指標

反射式系統的焦距為RC，次鏡放大率即系統焦距與主鏡焦距比值為RC，中心遮擋比為，后截距為，則和RC關系式如下：

＝[RC＋×RC]/RC(RC－1) (3)

根據高斯公式，可依次推導出主鏡1、次鏡2及兩鏡之間距離之間關系式：

1＝2×RC/RC(4)

＝RC(1－)/RC(6)

考慮系統球差Ⅰ、慧差Ⅱ均為0的情況時，主鏡偏心率1和次鏡偏心率2表達式為：

為保證像質，次鏡的RC取2.3。主鏡的焦距乘以RC即為系統的焦距，或主鏡的F數乘以RC的絕對值即為系統的F數，根據設計參數求解系統F數，確定RC系統的焦距為650mm，進而算出主鏡的焦距為280mm。為保證中繼鏡的尺寸不至于過于偏大，后截距取值一般不能太小，在這里取65mm。此時，可通過以上公式計算出主次鏡間隔及主、次鏡二次曲面系數，輸入ZEMAX光學設計軟件并進行優化設計，RC結構反射式光學系統設計結果如圖3所示。

3.2 紅外二次成像折反射式光學系統設計

為提高探測靈敏度和響應度，制冷型MCT焦平面探測器必須處于低溫工作環境，通常置于低溫的杜瓦瓶絕熱容器中。探測器接收紅外輻射，需通過杜瓦瓶的冷光闌。為了提升光學系統的適配性，確保探測器工作性能，在光學系統設計時需要考慮光學系統與探測器的光闌匹配問題。

圖3 RC結構反射式物鏡光學系統

為實現冷光闌匹配，則系統出瞳位置應設計在冷光闌處。因RC結構光學系統的入瞳在主鏡前端，經過物鏡反射成像位出瞳s處，為避免出現前端口徑尺寸過大問題，往往采用二次成像方式予以解決。則以RC結構出瞳作為二次成像中繼組的入瞳，通過中級鏡組成像在冷光闌s￠處繼而實現冷光闌匹配。通過高斯公式，對引入二次成像的系統結構參數設計[6]。

其中中繼組的垂軸放大倍率為2，二次成像反射式光學系統的總焦距為：

＝RC×2(9)

式中：RC為反射式結構的焦距，因2＝￠/，根據高斯公式：

將系統設計參數代入上述推導公式，可計算出中繼鏡組的物距。

在RC結構基礎上，引入二次成像中繼組合透鏡既可確保實現100%冷光闌，又可放大RC結構的焦距，實現結構優化設計。

文中光學系統的中繼鏡組采用Ge、Si、Si、Ge四個透鏡組合的形式，在ZEMAX中將中繼組合透鏡加載至設計的RC結構中，通過ZEMAX對光學系統再次優化設計。其中，為降低畸變對像質影響，提升成像質量，對兩個Ge透鏡的二次曲面系數進行了優化，最終的光學系統設計結果如圖4所示。

該光學系統因應用于紅外成像，其像質評價主要參考調制傳遞函數MTF和點列圖的指標參數，如圖5所示，從結果分析，設計完成的紅外二次成像折反射式光學系統調制傳遞函數接近衍射極限，成像質量良好，點列圖顯示的彌散斑均方根值均小于紅外探測器像元尺寸，系統參數滿足技術指標，整個結構均勻緊湊，符合總體要求。

圖4 紅外二次成像折反射式光學系統

圖5 光學系統優化后點列圖和傳遞函數圖

4 結論

文中深入分析了兩鏡式折反射光學系統結構組成及性能特點，結合RC結構形式和工作原理，詳細介紹了初始結構的計算方法和設計步驟，在此基礎上，引入中繼組透鏡，既保證了100%冷光闌效率，又實現結構優化設計，最終的系統設計結構和成像質量均到達研制要求。實際應用中，該系統增加了目標紅外輻射特性測量距離，擴展了目標的紅外特性信息數據，提升綜合評估目標紅外隱身特性的可信性。此外，該光學系統也可應用于光電搜索跟蹤設備，用于提升紅外目標偵查的距離和威脅目標告警的距離，增加作戰反應時間和決策時間，使御敵戰術戰法應用更加靈活多變。

[1] 陳博. 反射式紅外多波段準直投影系統研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學, 2018.CHEN Bo. Research on Reflective Infrared Multi-Band Projection System[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2018.

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[4] 柴利飛. 一種折反式遠紅外光學系統設計[D]. 長春: 長春理工大學, 2011. CHAI Lifei. Optical Design of a Long-wavelength Infrared Catadioptric System[D]. Changchun: Changchun University of Science and Technology, 2011.

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Design of a 3.7～4.8μm Catadioptric Secondary Imaging MWIR Optical Sytem

LI Zhuo，YE Zongmin，SUN Baojie，LIU Wenpeng

(PLA Unit 91404, Qinhuangdao 066000, China)

The system is based on an RC structure to measure the optical characteristics of small targets and space targets. The initial structure of the reflective optical system was established by calculating the curve equation and the Gaussian formula.The re-imaging relay lens group was introduced into the structure of the system to realize the optimal design, which solves the problem of 100% cold diaphragm efficiency. The imaging quality was evaluated using Zemax, and a system with a focal length of 380 mm and a diameter of 200mm is not only compact and simple, it also meets the actual measurement requirements.

MWIR, optical system design, reflective optical system, re-imaging

TN216

A

1001-8891(2021)12-1193-05

2021-04-20；

2021-06-24.

李卓（1988-），男，碩士，主要從事現代光學技術及工程應用的研究工作。E-mail：905455325@qq.com。