用于折反式红外光学系统的辅助装调镜设计

胡 博，杨子建，陈 姣，高 婧，腾国奇，张 博，于 跃

(西安应用光学研究所，陕西 西安 710065)



用于折反式红外光学系统的辅助装调镜设计

胡 博，杨子建，陈 姣，高 婧，腾国奇，张 博，于 跃

(西安应用光学研究所，陕西 西安 710065)

针对大口径折反射红外光学系统设计过程中正主、次镜的像差为单独校正，无法实现高精度调试的问题，提出设计一套可见光波段辅助装调镜的方法，辅助镜用于补偿主次镜之间的像差，完成高精度装调。辅助透镜研制过程中，严格控制加工精度，减少对系统精度的影响。采用ZYGO干涉仪对系统进行了调试，波像差实际值为0.3λ，设计值0.14λ。最后，更换中继透镜组，光学系统成像质量达到红外搜索跟踪系统的要求。

红外光学系统；辅助透镜；光学设计；装调

引言

红外搜索跟踪系统是一种采用被动方式工作的成像探测设备，具有隐蔽性好，不怕电子干扰，精度高，而且具有一定的穿透烟、雾、霾、雪以及识别伪装的能力，可以实现远距离-全天候观察，尤其适用于夜间及不良气象条件下的目标探测[1-3]。为提高光学系统的探测距离，大口径长焦距红外光学系统得到广泛应用。受限于红外光学材料的影响，大口径光学系统往往采用折反射光学结构。折反式红外系统采取反射物镜加折射中继透镜组形式，反射式物镜在装调时精确要求高，公差严格。在设计阶段往往考虑整个系统的像差校正，反射物镜没有单独校正像差，特别是针对红外系统，当不具备红外测试设备时, 无法对整个系统开展相应的高精度调试[4]。

基于以上问题，本文提出设计辅助装调组的思路，根据待调系统的要求，设计配套使用的辅助镜，该辅助镜设计为可见光波段，利用干涉仪实现红外主、次镜的高精度装调，最终保证整个光学系统的性能。

1 光学系统及调试方案

1.1 光学搜索系统的设计

采用折反射光学系统，具体指标见表1所示，具体的光路仿真如图1所示。设计中采用卡塞格林反射式物镜加中继透镜组的光学结构，保证光阑100%匹配，抑制系统杂散光。主次镜均为二次曲面，中继透镜组均为球面透镜，有利于光学系统装调。在-40°～50°温度范围内，利用中继透镜组中的单透镜轴向移动，实现调焦功能。

表1 光学数据

图1 红外光学系统图Fig.1 Infrared optical system

1.2 辅助装调思路

红外搜索光学系统由主、次镜及中继透镜组成，针对此类型的系统装调，一般分为2个部分：1) 主、次反射镜装调；2) 中继镜组装调。完成相应部分的装调后，将整个系统连接起来，进行整体的调试。

中继镜组装调时，采用中心偏测量仪、深度尺、电子测厚仪等设备，保证透镜之间的间隔、光轴共轴性满足设计指标[5-6]。

主次镜装调时，由于设计过程中主、次镜像差未单独校正，像差过大导致无法使用干涉仪进行调试。干涉仪工作波段为可见光范围，也无法将中继透镜连接起来组合调试。针对这种情况，文章提出设计一组可见光辅助装调镜，利用可见光镜组补偿主、次镜像差，使组合系统的成像质量良好，达到使用ZYGO干涉仪进行调试的状态。完成主、次镜调试后，用中继透镜替换辅助镜，最终完成整个系统的装调。

由于长波红外是可见光波长的(10～15)倍，波像差评价时基于可见光工作波段，当转换到长波红外工作波段时，其数据精度将提升(10～15)倍，理论分析完全满足系统指标要求。

2 辅助镜组设计

2.1 调试原理

利用干涉仪进行主、次镜装调如图2所示。首先将主、次镜同辅助透镜联合成组合系统，然后将待测系统、干涉仪、平面反射镜组成图2调试光路，调节次镜轴向位置、倾斜，以辅助镜组作为中间传递环节，以波像差数据作为评价依据开展主、次镜高精度调试[7]。

图2 系统测试图Fig.2 Alignment diagram of system

2.2 辅助镜组设计

根据上述调试方法，要求组合系统的光路应该涵盖主镜全口径，并且光机结构不能同测试仪器发生干涉。除此外，辅助镜组在设计时需要考虑以下6点：

1) 辅助镜组的光学元件数量尽可能少；

2) 设计时考虑轴上视场；

3) 光路覆盖组合系统全口径；

4) 同干涉仪工作波段保持一致(单波长)；

5) 严格控制辅助镜的光学性能；

6) 严格控制辅助镜的安装位置精度。

基于上述要求，本文完成了可见光辅助镜组的设计，具体的设计指标见表2所示，组合系统光路见图3所示。辅助镜组由3片透镜组成，材料采用普通的ZF6。设计图纸对光学零件参数提出高要求，也对透镜之间的间隔公差提出严格要求，保证辅助镜的精度。

表2 辅助系统光学参数

图3 光路系统图Fig.3 Optical path of system

3 调试数据

基于实际加工的辅助透镜，光机装调模型如图4所示。辅助镜组的机械接口同中继透镜组的机械接口相同，以便调试结束后更换中继透镜组。

图4 光机模型Fig.4 Opto-mechanical model

在实际的调试中，由于主镜与镜框存在安装应力，测试主镜面型PV值达到1λ，对调试数据的PV值有较大影响[8]，组合系统波像差的设计和调试值见表3所示。完成调试后，更换了中继透镜组，对外界目标进行成像测试，图像清晰，满足使用要求。

表3 波像差数据

4 结论

针对红外光学系统，文章提出设计可见光辅助装调镜的思路，利用可见光镜组补偿主、次镜像差，使组合系统的成像质量良好，使用ZYGO干涉仪对组合系统调试，然后更换中继透镜组，解决了反射物镜没有单独校正像差，调试时无法精确定位的问题。该思路作为参考，可拓展到多光谱共光路光学系统中，对共用部分或者光路分光后的独立光路，可采用辅助镜的设计思路协助光机装调，完成相关的调试工作。

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Assistant alignment lens design for catadioptric infrared optical system

Hu Bo, Yang Zijian, Chen Jiao, Gao Jing, Teng Guoqi, Zhang Bo, Yu Yue

(Xi’an Institute of Applied Optics,Xi’an 710065,China)

During the designing process for large diameter catadioptric infrared, the aberrations of primary and secondary mirrors are calibrated separately, which makes the precise alignment difficult. For this problem,an assistant alignment lens used for infrared optical system was designed, which could compensate the aberrations to accomplish system alignment with high-precision. The manufacture precision of assistant alignment lens was exactly controlled to reduce error caused by itself in manufacturing process.The designed wave aberration data of system is 0.14λ and the practical data is 0.3λ after operated using ZYGO interferometer. At last, the secondary imaging lens was used in stead of assistant alignment lens.The result shows that the image quality of the optical system can satisfy the demand of infrared search and tracking system.

infrared optical system；assistant lens；optical design； alignment

1002-2082(2015)06-0864-04

2015-08-13；

2015-10-09

胡博(1980-),男,陕西长安人，硕士，高级工程师，主要从事光学系统设计工作。

E-mail:hubo205@163.com

TN216

A

10.5768/JAO201536.0601008