一种激光与红外复合光学系统设计

项建胜,潘国庆,2,孟卫华,2

(1.中国空空导弹研究院,河南 洛阳 471009；2.航空制导武器航空科技重点实验室,河南 洛阳 471009)

1 引 言

复合光学系统可以在有限的空间内实现两种及以上波段的融合聚焦功能,相比于传统单一模式的光学系统具有明显的优势,复合光学系统可以获取更多的目标及背景信息。在侦查、探测识别领域随着现有技术的突破以及目标识别、探测能力要求的提高,复合光学系统有着广泛的应用前景[1]。

复合光学系统的融合方式目前主要分为分口径融合、共口径融合两种。分口径融合的方式比较简单,不同波段的光学系统是相互独立的,其设计方法并无特别之处,当然缺点也比较明显,其融合程度低,占用结构空间大,观察基准不一致等。而共口径融合方式具有融合程度高、空间利用率高的优点[2],其设计难度大,材料可供选择的范围有限,因此在设计中需要针对不同探测波段的特点,利用不同波段的共性特征,选择合适的光路结构、透波(反射)材料、高效的分光器件,在一定的空间结构内实现不同波段的高度融合,在选用光学材料时要特别注意不同波段的透过性能,在零件的加工、镀膜以及后续装配中均需要特别考虑设计[3]。

本文介绍的复合光学系统工作波段为长波红外(8～12 μm)与1.064 μm激光,采用共口径融合的方式,在后续光路中利用分光器件实现分离。

2 光学系统设计要求及选型

复合光学系统主要设计要求如表1所示。其中长波系统采用非制冷多晶硅探测器,其面阵为320×256,像元大小20 μm；半主动激光系统采用四象限探测器,像面大小为Φ14 mm。根据表1中的光学系统设计输入参数,可以计算出红外与半主动激光系统的焦距分别为93 mm、160 mm。

从设计要求可以看出,该复合光学系统要求共口径融合,而两种模式的工作波段跨度比较大,由于可供选择的两种波段均透过的光学材料非常少,很难采用不同透光材料的搭配来达到校正像差满足成像质量要求；而且外形尺寸要求小于160 mm,根据上面计算出的焦距长度以及考虑到分光器件也要占用较大的空间,而透射式结构很难做到空间紧凑,因此认为透射式光路结构不适合本设计要求。

相比于纯透射式方案折反式光路结构具有比较大的优势,首先,其采用光路折叠的形式可以有效地缩短系统总长；其次,反射元件无色差的特性非常适合多波段复合；再次,折射元件与反射元件的光热特性相反,可以较为容易地实现无热化设计；最后,本设计要求中的视场角较小,可以选用折反式方案实现。因此认为本方案适合采用折反式光路结构。

表1 光学系统设计要求

根据上述分析,画出复合光学系统的光路简图,如图1所示。入射光线首先通过透光保护性头罩,该头罩为球冠形状,材料选用多光谱硫化锌,并在其表面镀制1.064 μm与长波红外双波段增透膜,透过率可达90%以上。经过主、次反射镜汇聚后形成一次像点,其中主镜为抛物面反射镜,材料选用铝合金,次镜为双曲面反射镜,材料选用熔融石英,其表面均镀制铝反射膜,反射率可达96%。由于反射元件无色差,这样半主动激光与红外系统经过主次反射镜后,没有引入色差,因此两个系统的一次像面位置一致。一次像点经过准直镜准直后进入分光器件,其中准直透镜与分光平板采用ZnSe材料,并在分光平板的前表面镀膜达到反射激光透过红外的目的。分光后半主动激光与红外各自经过汇聚系统成像在所用的探测器焦平面上。

图1 光路示意图

3 光学系统设计

3.1 半主动激光光学系统设计原理

根据半主动激光探测制导的原理可知,一般半主动激光光学系统将目标反射回来的激光信号汇聚在四象限探测器上形成能量均匀的像斑,通过四象限激光探测器的四个象限的输出信号大小来判断像斑在探测器上的位置,从而来判断目标方位[4]。因此半主动激光光学系统为一非成像光学系统,它不同于成像光学系统,在优化设计时不需要平衡控制像差使像斑达到最优,而是需要将像斑控制在需要的大小(其像斑大小根据半主动激光探测所需线性区大小来确定,本文不再赘述)且能量分布均匀。一般在优化设计中,需要对轴外像差进行适当控制,保留一定量的球差与离焦像差。

根据上述分析的光路结构,半主动激光光学系统采用折反二次成像方案,与红外系统共用一次成像的反射系统与准直透镜组,其中准直透镜组采用ZnSe材料,该材料从可见光到长波红外均有较高的透过率,适合作为复合透镜材料使用。经过分光器件90°反射后,经过汇聚透镜组形成能量均匀的像斑,汇聚透镜组材料采用常见的玻璃材料K9、ZF6。

3.2 长波红外光学系统设计原理

红外系统为一成像光学系统,采用非制冷长波探测器,同样采用折反二次成像方案。由于红外材料自身的折射率温度系数相比于传统玻璃要高出一个量级,导致红外光学系统成像质量特别容易受到外界温度变化的影响,因此在进行红外光学系统设计时需要针对系统工作的高低温环境进行成像质量考核设计,满足无热化设计要求[5]。

正如前文所述,采用折反二次成像式光路结构在无热化设计时以反射元件与透射元件光热特性相反的特点为出发点,合理选择分系统光焦度分配、光学材料、镜筒材料来最终实现无热化设计。

在具体设计中,记主反射镜曲率半径为r1,主反射金基底材料热膨胀系数为α1,次反射镜曲率半径为r2,次反射镜采用石英材料,其热膨胀系数很小,其引起的光焦度变化可以忽略不计。镜筒材料热膨胀系数为α2,主、次反射镜间距为L1,镜筒长度L,折射分系统焦距为f。当温度变化时,一次成像点由于反射系统的热差效应出现移动,根据近轴光学解算出一次像点的变化量为:

(1)

而对于后继折射系统一次像点为其物点,一次像点的变化量即是折射系统的物距变化,记折射系统的物距为m1,像距为m2。由高斯公式可知:

当温度变化时,物距的变化即是上面所述的Δm,折射系统的焦距变化为Δf,得出温度变化后像距为:

若满足无热化要求则像距变化量与镜筒长度变化量相等,即Δm2=Lα2Δt;

由此可以计算得出:

(2)

根据式(1)和式(2)就可以得出满足无热化要求的反射系统的参数与折射系统的参数关系。在设计时首先确定反射系统的主、次反射镜参数,然后根据上述关系得出折射系统的参数,建立初始模型进行优化迭代设计,直至满足无热化要求[6]。

3.3 复合光学系统设计

根据前两小节的分析可知,两种系统的差异较大,两个系统的优化目标函数也不一样,因此很难建立多重模型统一优化设计。但考虑到激光非成像系统的像差矫正要求较低,对光学元件参数的允许范围较为宽松,而红外系统要求成像质量高、像差矫正难度大,在实际设计中遵循红外光学系统优先的原则。

设计出的光学系统如图2所示。正如上文所述,光线经过多光谱硫化锌保护罩后,入射到主、次反射镜上,经其反射后形成一次像面；之后经过两片ZnSe透镜准直后进入分光器件,这两片ZnSe透镜采用球面面型,可以为后续激光光学系统提供一定量的球差,用于形成能量均匀的激光像斑,虽然其采用非球面面型可以使红外系统达到较高的成像质量,但会造成激光光学系统能量分布不均匀,因此复合透镜选择球面面型是比较好的折衷方案。在分光器件前表面,激光反射后进入激光汇聚镜组,汇聚镜组有三片正光焦度的玻璃镜片组成,最终形成能量均匀分布的像斑。而红外光线通过分光器件后进入红外成像镜组,红外成像镜组由四片透镜组成,材料选用单晶锗与硫系玻璃材料,通过在其表面加工制作非球面面型,达到了红外成像质量要求。

图2 光学系统图

4 复合光学系统像质评价

`由于半主动激光光学系统与红外光学系统属于非成像与成像光学系统,其像质评价方式不同。半主动激光光学系统的设计质量主要通过像斑内能量分布是否均匀来考核,而红外光学系统主要是通过光学系统传递函数来考核。

4.1 半主动激光光学系统像质评价

半主动激光光学系统对像质的要求为在线性区内像斑直径一致且能量分布均匀。通过光学仿真设计软件得出,在不同视场下的像斑模拟情况,如图3所示。可以看出在视场内像斑大小一致,为了更好地表示像斑能量分布情况,绘制包络圆能量图,如图4所示。从图中可以看出包络圆内的能量大小与包络圆直径呈近似的抛物线关系,说明能量分布是均匀的。

图3 像点图

图4 能量包络圆图

4.2 红外光学系统像质评价

红外光学系统主要的像质评价依据为光学系统传递函数,图5中列出了不同温度下不同视场的光学系统传递函数(MTF)。

图5 不同温度下的光学系统传递函数

从图中可以看出不同温度下的光学系统传递函数基本保持一致,实现了无热化设计。光学系统的传递函数在红外探测器的奈奎斯特采样频率25 lp/mm处均高于0.2。从图中同样也可以看出轴外视场的弧矢方向传递函数下降较多,主要是由于红外光路中存在45°分光平板,引入了部分像散导致传递函数出现了一定的下降,在实际使用中可以采用减小分光平板的厚度或在分光平板中引入一定楔角的方法,可大幅降低分光元件引入的像差。使光学系统传递函数达到较高的水平,从而保证红外光学系统的成像质量。可以说红外光学系统设计的成像质量满足要求。

5 总 结

采用共口径高度融合的方式将半主动激光与长波红外光学系统复合在一起,使两种探测模式取长补短,最大化地发挥两种模式的优点,可以达到非常好的探测识别效果。在综合考虑光学系统指标要求、可实现性、成本等方面的因素,采用了一种折反二次成像式光路方案,利用前段经典卡塞格林式反射系统无色散的特点,可以以较低的成本高效地实现两种模式的共口径融合；在后端采用分光器件平板前表面镀制特殊膜层的方法,将激光与红外光线实现高效分离。通过采用常用的光学材料以及成熟的光路结构,选择合适的设计方法,可以较好地实现本文所述的半主动激光与红外共口径复合光学系统。

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项建胜,潘国庆,张运强.一种折反二次成像式长波无热化光学系统设计[J].红外技术,2012,34(11):644-647.