透射式双波段红外搜索跟踪系统光学物镜

焦明印，陈秀萍，李军琪，张 林，郑常青



透射式双波段红外搜索跟踪系统光学物镜

焦明印，陈秀萍，李军琪，张 林，郑常青

（西安应用光学研究所，陕西 西安 710065）

给出了一种适用于红外搜索跟踪系统的透射式双波段（中波/长波）光学物镜，两个波段的相对口径均为1/1.3，工作波段分别为3.7～4.8mm和7.5～10.5mm，视场为±1.75°。为提高光学透过率，物镜采用会聚光路分光，每个波段仅有4片透镜，其中各有2片采用了衍射光学表面，实测两个波段的光学透过率（含分光镜）均大于70%。

红外物镜；衍射光学元件；红外搜索跟踪系统

0 引言

为提高红外搜索跟踪系统的探测概率、减少虚警率，采用大相对口径双波段（即中波/长波）工作模式是实现这一目的的有效途径之一。用于搜索或警戒红外系统的光学口径都在150mm以上，其中美加AN/SAR-8的光学系统口径为254mm（/¢＝1:1），法国SPIRAL的光学窗口尺寸为200mm，以色列SPIRTAS的光学系统口径为150mm（/¢＝1:1）；此外为提高系统透过率，应尽量减少光学元件数量，文献[1]给出了一种3mm～12mm宽波段工作的透射式光学系统，该系统用2组三片式（共6个成像物镜、3种材料）物镜构成了一个Peztral型透射式光学系统，相对口径1/2（即F数为2），采用的探测器为双波段一体式量子阱器件。上述系统在3.7～4.8mm和7.5～10.5mm波段均为6个成像物镜，因此透过率较低，此外该系统的相对口径较小，不能很好地满足对微弱红外信号的探测要求。本文给出了一种适用于红外搜索跟踪系统的透射式双波段（中波/长波）透射式光学物镜，两个波段的相对口径均为1/1.3，工作波段分别为3.7～4.8mm和7.5～10.5mm，视场为±1.75°，采用了衍射光学元件使每个波段的透镜减少为4片。

1 方案及构成

双波段搜索物镜可由两种方式实现，即折反射式系统和透射式系统。折反射式系统具有色差小、工作波段宽及结构紧凑等优点，可实现3.7～4.8mm和7.5～10.5mm共用或部分共用。例如常用的施密特（Schmidt）反射式光学系统，采用球面反射镜成像，在其球心位置处设置孔径光栏和非球面校正板，以校正球面反射镜的球差、彗差及像散。（同轴）反射式系统的缺点是存在中心遮拦，因而降低了其能量利用率；折射式系统不存在中心遮拦，能量利用率高。缺点是宽波段使用时色差较大，特别是对于大口径红外光学系统，可选用的透射材料很少，色差和色球差很难校正。综合考虑加工和装调工艺性及体积重量等因素，本文采用透射式系统。因国内目前得不到实用化的中/长红外波段一体式探测器件，本文所述的物镜采用共用部分物镜再分光的方案。立方棱镜分光是较好的选择，可在会聚光路中实现中、长波段的分光，但由入瞳口径近200mm，棱镜的厚度需60mm以上（后截距不可过小），达到该厚度的双波段材料如化学汽相沉积硒化锌（CVD ZnSe）材料（吸收仅0.05%/cm）目前缺少供货渠道，可用的材料只有单晶锗，由于单晶锗的吸收较大，仅分光棱镜的吸收就将达17%以上，因此本文未采用立方棱镜分光方案。也可在双波段共用望远系统后分光，这样分光镜的尺寸较小且位于平行光路中，但该方案的缺点是镜片数量多、透过率低。为解决上述问题，本文采用图1所示的光学形式（图中的非均匀校正参考源的作用是为校正探测器相应度的非均匀性提供基准，完成校正后移出光路）。包括6个物镜和1个分光平面镜，分光镜选用单晶锗材料制作，其前表面上镀有反射中波红外透射长波红外的分光膜层，分光镜与光轴的夹角为45°，6个物镜均为单透镜，其中第一物镜、第二物镜分别选用单晶锗、汽相沉积硒化锌材料制作，且两者为双波段共用，第一、第二物镜的前表面均为高次非球面；共用物镜和分光镜以及第三、第四物镜构成本长波红外成像光学物镜（4个透镜及一个分光镜），因分光镜的加入带来了光轴的平移，第三、第四物镜均离轴放置，材料选用CVD ZnSe，第三物镜的前表面为子午与弧矢方向曲率半径不同的复曲面（即轮胎面），用以补偿会聚光路中的分光镜引入的非对称象差，第四物镜可以轴向移动，以补偿环境温度造成的像面离焦；共用物镜和分光镜以及第五、第六物镜构成中波红外成像物镜（4个透镜及一个反射镜），第五、第六物镜分别选用单晶锗、CVD ZnSe材料制作，两者的前表面均为高次非球面，第六物镜可沿轴向移动，以补偿环境温度造成的像面离焦。这里为校正色差和二级光谱色差，采用了折射/衍射混合光学元件，这样不仅可以大幅减少光学零件的数量，降低材料成本，而且也保证了系统具有较高的透过率。系统中物镜三～物镜六中每个物镜均有一个衍射面，针对大相对孔径带来的较大色球差，分别采用两组高次非球面予以消除。此外，采用制冷型红外探测器的光学系统大都为物镜加中继镜组的形式[2-4]，这里为提高透过率没有加入中继镜组，而是孔径光栏设置在探测器冷光栏的物镜形式[1]，在轴外视场保留了一定量的渐晕，由于本光学系统的视场不大，引入的渐晕不会对使用造成大的影响。

2 设计结果

为消除色差及二级光谱色差，进一步提高像质，第三至第六物镜均为折射/衍射混合元件[5-6]，也就是说上述4个物镜后表面均为基底为非球面的衍射面（材料为单晶锗或CVD ZnSe，采用非球面基底的目的是更好提高像质，且对于金刚石车削加工工艺来说易于实现）。当坐标原点位于上述衍射面基体的顶点时，其衍射面的面型可用以下方程表示：

图1 双波段红外物镜构成简图

式中：HOR是衍射级次，一般情况下为1或－1，这里HOR＝1；n1和n2分别是衍射结构基体和其所在介质的折射率；h2＝x2＋y2；c为顶点曲率；k为二次曲面系数；A、B、C、D分别为高次非球面方程的二阶、四阶、六阶和八阶项的系数；z为沿光轴方向曲面上的点距顶点的距离；H1、H2、H3和H4分别为二、四、六和八次衍射位相系数，l为波长；对于中波波段，l＝4350nm，对于长波波段，l＝9350nm；符号INT为取整函数，其值为1，2，3，…，衍射元件的位相等参数详见文献[7]。两个波段物镜的垂轴像差曲线见图2，调制传递函数曲线见图3，典型频率下的传递函数及几何弥散圆直径见表1。从垂轴像差曲线可看出，在边缘视场存在一定量的渐晕。

图3 垂轴像差曲线

表1 中波波段和长波波段MTF和几何弥散圆直径（均方根）

3 试验及测试

上述系统已经过加工、调试及测试，如图4。其中非球面及衍射面均采用单点金刚石车削方法加工、轮廓仪面型检测。需要说明的是衍射面由于是非连续环带式的，其精度只能由车床精度保证。这里所用车床的加工尺寸精度为0.5mm，经分析能够满足系统的公差要求。透过率及传递函数均采用英国Ealing传函仪测试。实测透过率中波段为75%，长波波段为71%（含分光镜），与理论值差别不大。中波传递函数测量：实际系统中波波段光路为90°折转形式，测量时采用工装进行同轴测量。实测空间频率为30c/mm时，调制传递函数为0.26，满足使用要求（要求该频率MTF≥0.2），但与表1中设计理论值差别较大。误差产生的原因主要是测试工装、测量装置的调整和光学零件加工精度等因素。其中测试工装借用了长波波段光路的壳体，而长波波段光路为偏心光路，工装设计时使被测系统偏心安装，以补偿长波光路的偏心，带入了一定的误差。测量装置的调整是实现高精度测量的关键，由于被测系统尺寸的限制，给调整测量装置以寻找最佳像面带来了很大的困难。此外，由于光学零件尺寸大，且衍射面面型为非连续环带式非球面，在金刚石车削加工时不能实现在线修正，也会对系统的性能带来一定的影响，特别在波长相对较短时，影响程度较大，这方面的工艺还在进一步分析、试验。长波传递函数测量：实测空间频率为30c/mm时，调制传递函数为0.254。测试时为了与测试设备匹配加入了厚度为11mm的锗平板，经计算此时理论传函为0.3（空间频率30c/mm），测量结果的相对误差为15.3%。该物镜经某红外搜索跟踪系统（点目标探测）应用验证，效果良好。

图4 双波段红外物镜照片

4 结论

采用衍射光学元件和非球面设计加工了口径200、相对口径1/1.3的双波段透射式光学物镜，实测两波段的光学透过率均在70%以上，调制传递函数均大于0.2（空间频率30c/mm），达到了使用要求。

鸣谢：本文部分插图由腾国奇制作，特此致谢。

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Dual Spectral Band Refractive Objective Lensfor Infrared Search and Track System

JIAO Mingyin，CHEN Xiuping，LI Junqi，ZHANG Lin，ZHENG Changqing

(,710065,)

A dual spectral band （MWIR/LWIR）refractive objective lens used for Infrared Search and Track(IRST) system is given in this paper. The spectral bands are 3.7～4.8mm and 7.5～10.5mm respectively and the relative aperture is 1/1.3 for both spectral bands, and the field of view for the lens is ±1.75°. In order to improve the optical transparency, a splitter in convergent beam is used, and there are only 4 lenses with 2 refractive/diffractive surfaces in each spectral band. The optical transparency is tested over 70% (include beam splitter) in each band.

infrared lens，diffractive optical elements，infrared search and track (IRST) system

TN215

A

1001-8891(2016)04-0296-04

2015-10-15；

2016-01-04.

焦明印（1963-），男，研究员，主要从事光学系统及部件的研究。