实用双波段共孔径光学系统设计

罗春华，王丽慧，王 鑫

（长春理工大学，吉林长春130022）

·红外技术及应用·

实用双波段共孔径光学系统设计

罗春华，王丽慧，王 鑫

（长春理工大学，吉林长春130022）

针对用于目标定位、威胁告警以及搜索跟踪等方面的双波段共孔径光学系统进行了研究，设计了一款将长波红外与激光相结合的双波段系统；该系统采用折射光学系统形式，在光路中采用分光片进行分光。该系统红外波段传递函数值在25lp／mm时所有视场均大于0.2，在激光波段0.7视场以内弥散圆直径小于0.6 mm，且该系统结构紧凑，既能满足目标搜索在捕获阶段的探测视场比较大的要求，又满足目标识别跟踪阶段的高分辨率要求，具有一定的实用价值。

光学设计；双波段；ZEMAX；红外；激光；分光

1 引 言

近几年无论是在民用领域还是在军事应用领域，都对目标探测的精度和抗干扰性提出了越来越高的要求。为了对目标进行精确的探测，往往采用可见光系统、红外系统、激光系统以及紫外系统等多系统拼接的方法来实现，但这种方式往往存在系统体积大、质量大、不便于装调、机动性能差等缺点［1］。为解决以上的缺点，本文设计了一款采用折射分光形式的双波段共孔径的光学系统［2］。该系统通过利用红外热成像不需要光源、能昼夜工作以及可透过烟幕屏障而看清目标等优点对目标进行成像观察，利用激光单色性好，抗干扰能力强等特点对目标进行定位跟踪，能够出色的完成对目标的精确定位、跟踪以及成像观察。

2 工作原理

根据黑体辐射曲线可知，与中波红外相比，地面上的物体在长波红外波段辐射出的能量更多，而且，对于一个确定的目标背景温差，长波红外的辐射度差比在中波红外大约高10倍，所以对长波红外8～12μm波段进行成像设计是本次设计的基础，在此基础上对激光系统进行设计，激光系统采用的是输出波长是1.064μm激光器，该波长正好处于大气传输窗口，且在烟、尘土、雾等情况下传输性能好［3］。本次设计的系统的工作原理如图1所示，光线入射到透镜组一，然后到达分光片，分光片将光束分为两部分，其中一部分在分光片处发生反射，经后续透镜聚焦后到达激光探测器，另一部分透过分光片到达红外探测器。本系统具体参数要求如表1所示。

图1 系统原理图

表1 系统参数

3 系统设计

3.1 结构形式选择

传统的红外光学系统有3类，即折射式、反射式和折反式。折射式镜头视场大，无遮挡损失，像差易通过光学设计校正，且易装调；反射式镜头无色差，多波段系统可共用口径，但其轴外像差较大，使用时多与折射系统相结合成折反式。通过对三种系统结构形式的分析比较后，本次设计决定采用折射式的系统结构形式，相比于反射式和折反式具有视场大、无中心遮拦、易装调等优点［4］。同时为保证较高的透过率和比较简单的结构，系统采用四片透镜加一片分光板的形式。

3.2 材料的选择

由于本设计适用于红外和激光两个波段，所以对于材料的选择尤为重要。对于激光部分可用的材料比较多，因为大部分的可见光材料都透过1.064μm波段，但是对于红外部分可用的材料相对的比较少，根据查阅材料库列出表2中材料满足同时透过两个波段。在本设计中选择了用ZnSe和ZnS_BROAD两种常见的红外光学材料制做的透镜作为双波段的共用部分。

表2 双波段可选材料

3.3 加入分光板

在平行平板表面镀膜形成的分光片，倾斜45°后插入到系统中，引入的象差可以由以下几个公式进行计算：

其中，U和u表示光线相对于光轴的倾斜角；Up和up表示平板的倾斜角；t表示平板厚度；n为基底材料的折射率；ν为基底材料的阿贝数。从理论分析可以看出分光片材料和厚度的选择直接影响系统的成像质量。

本文对使用两种不同分光片的系统进行了ZEMAX模拟设计，如图2和3所示。

图2 以ZnSe为分光片材料的系统

图3 以ZnS为分光片材料的系统

同时分光板的加入使系统光线产生一个大小为D的横向位移量如图4所示，其大小可以由下式计算得出：

通过公式计算得出系统在加入以ZnSe为材料的分光片后系统的光轴向下偏移了约0.97mm，在加入以ZnS为材料的分光片后系统的光轴向下偏移了约0.93 mm。理论分析与模拟模拟实践同时表明降低分光片材料的折射率可以有效的减少分光片产生的象差，降低其对系统成像质量的影响，所以本次设计采用的是折射率较低的ZnS作为系统分光片材料［5］。

图4 倾斜平板造成的光线横向位移

3.4 激光部分系统设计

激光部分系统属于被动成像系统，激光器照射目标后，系统对目标反射回来的信号进行检测，并分析信号以确定目标的位置，所以该系统不需要对目标进行精确成像，对系统的分辨率要求不高，主要是要求能量要比较集中。所以在设计过程中仅采用点列图的象质评价方法，对系统成像质量进行衡量，按照设计要求，系统中心视场点列图的直径小于0.6mm即可［6］。本设计该部分在原有共孔径基础上加入一片正光焦度的透镜来缩小系统焦距，并提高成像质量，其结构形式如图5所示。

图5 激光部分系统结构图

3.5 系统设计最后结果

该系统对长波红外与激光双波段进行了共孔径设计，该系统激光部分的视场角为12°，焦距为40mm，相对孔径比较大达到1／0.8这样对于系统能量有更强的收集能力；系统中心视场的点列图直径小于0.6mm，可以对目标进行大视场的定位跟踪。该系统另一部分长波红外的视场角为5°，F数为2，传递函数曲线在25lp／mm处所有视场均大于0.2，且接近衍射极限，可以完成对目标的成像检测。其结构图及两部分的传递函数及点列图如图6～图8所示。

图6 系统结构图

图7 红外系统的传递函数曲线和点列图

图8 激光系统的点列图和相对照度图

4 总 结

本论文首先对红外及激光共孔径系统进行了研究，然后用ZEMAX软件对所选择的结构进行了一系列的分析及优化，最后设计出一套比较理想的实用双波段光学系统。其像质在长波红外8～12μm波段MTF曲线在25 lp／mm处所有视场均大于0.2，基本接近衍射极限；在激光1.064μm波段0.7视场以内弥散斑直径小于0.6mm，并且该系统总长度小于80mm，所有指标满足题目的要求，且结构紧凑，装校方便可行，该系统可以完成对目标的搜索、定位及跟踪。

［1］ GUO Bang-hui，SUN Qiang，WANG Zhi，et al.Design of 300－1100nm multiband optical imaging system and its stray light analysis［J］.Chinese Journal of Optics and Applied Optics，2010，3（5）：474－479.（in Chinese）郭邦辉，孙强，王志，等.300－1100nm多波段成像光学系统设计及杂光分析［J］.中国光学与应用光学，2010，3（5）：474－479.

［2］ LIU Lin，HE Yi-liang，ZHANG Xing-de，et al. Design of a dual-band IR optic system based on harmonic diffraction［J］.Laser＆Infrared 2012，42（1）：85－88.（in Chinese）刘琳，贺谊亮，张兴德，等.基于谐衍射特性的红外双波段光学系统设计［J］.激光与红外，2012，42（1）：85－88.

［3］ ZHAO Xiu-li.The infrared optical system design［M］.Beijing：Mechanical industry press，1986.（in Chinese）赵秀丽.红外光学系统设计［M］.北京：机械工业出版社，1986.

［4］ LI Lin.Modern optical design method［M］. Beijing：Beijing Institute of technology Press，2009.（in Chinese）李林.现代光学设计方法［M］.北京：北京理工大学出版社，2009.

［5］ Warren J Smith，ZHOU Jun-hua，et al.Modern Optical Engineering［M］.4th ed.Beijing：Chemical Industry Press，2011.（in Chinese）沃伦J史密斯，周君华，等.现代光学工程［M］.4版.北京：化学工业出版社，2011.

［6］ DIXiao-guang，YAO Yu，ZHOU Feng-qi.The Common aperture IR／Ladar dual-mode imaging seeker system［J］.Infrared and Laser Engineering，2005，34（5）：577－581.（in Chinese）谛小光，姚郁，周凤岐.共孔径红外／激光双模成像导引头系统研究［J］.红外与激光工程，2005，34（5）：577－581.

Design of practical dual-band common aperture optical system

LUO Chun-hua，WANG Li-hui，WANG Xin
（Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China）

Aiming at dual-band common aperture optical system for locating，warning and tracking，a dual-band optical system combining long wave infrared and laser was designed.The system adopts the refractive optical system，and the beam is splitby a beamsplitter.The MTF of the system in infrared band ismore than 0.2 at25lp／mm，the spot diameter is less than 0.6mm within 0.7 FOV of the laser band，and the system is compact.It can meet the requirement of larger field in capturing targetand the requirementof high resolution in tracking target，so the system has some practical value.

optical design；dual-band；ZEMAX；infrared；laser；beam split

TN219

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.02.0

1001-5078（2014）02-0196-04

罗春华（1963－），女，高级工程师，主要从事光学设计工作。E-mail：Lch＠cust.edu.cn

2013-06-26；

2013-07-19