3.7～4.8µm红外二次成像折反射式光学系统设计

李 卓，叶宗民，孙保杰，刘文鹏

3.7～4.8µm红外二次成像折反射式光学系统设计

李 卓，叶宗民，孙保杰，刘文鹏

（中国人民解放军91404部队，河北 秦皇岛 066000）

为满足小、远目标和空间目标的光学特性测量需求，提出以RC结构为设计基础，通过曲线方程和高斯公式确立反射式光学系统初始结构参数。为达到优化设计目的，结构中引入了二次成像中继镜组，解决了100%冷光阑效率问题。通过ZEMAX建立评价函数，仿真测试表明：设计完成的红外二次成像折反射式光学系统口径200mm，焦距380mm，结构紧凑简单，成像质量满足实际测量需求。

中波红外；光学系统设计；折反射式光学系统；二次成像

0 引言

目前，空间目标的光学特性测量、侦查预警及目标识别等方面的研究逐渐受到各国军方的关注与重视。对于空间光学系统，物距通常较大，实际应用中对分辨率均有一定要求，而探测器的像元尺寸又有限，那么空间光学系统的焦距往往比较大，通常在几百毫米以上，长的可以达到数米甚至数十米。通常如采用透射式设计，为达到一定的相对孔径，物镜的口径就要设计的非常大[1]。在现有条件下，大口径物镜的制作加工实现难度是非常大的。反射式系统可有效解决大口径物镜难题，而且系统几乎无色差，适用于宽光谱系统。为此，短结构的反射式望远物镜在空间光学系统中的应用越来越广泛，无论是在国内还是国外均将此领域的研究作为一个热点方向[2]。

为进一步提升目标光学特性测量技术手段和能力，发展和完善测量装备体系，本文针对飞机、导弹等小、远空间物体目标，设计了一套工作波段3.7～4.8mm，口径200mm，焦距380mm的折反射式光学系统。此系统安装于车载共平台。车载平台机动灵活，可承载多个光学特性测量设备，同时获取目标的可见光、中波、长波波段的成像及辐射特性数据。所以，综合考虑技术指标、空间布局等制约因素，采用RC结构完成一套二次成像折反射式光学系统设计，系统中引入中继组，中继镜由Ge、Si材料透镜组成，成像质量通过软件仿真模拟接近衍射极限，可实现与探测器的较好匹配，满足安装调配和实际测量使用需求。

1 探测器组件

中波红外热像探测器设计结构主要由镜头组件、滤光片组件、探测器以及保护外壳组成，结构展示如图1所示。为实现镜组与探测器完美匹配，根据探测器技术指标确定光学系统的设计参数。考虑用于目标光学辐射特性测量，探测器选用高灵敏度、高测量精度、高帧频的制冷型MCT焦平面探测器。

图1 中波探测器组件外观图

2 两镜式反射光学系统

反射式光学系统应用衍射原理将入射光线汇集，通常采用两镜式和多镜式。两镜式较多镜式系统结构简单，成像质量亦可满足使用需求，其工作原理[3]如图2所示，其最大优点是主镜的口径可以做得较大，远超过透镜的极限尺寸，镀反射膜后，使用波段很宽，没有色差，同时采用非球面后，有较大的消像差能力。但是两镜系统也存在一些缺点，例如不容易得到较大的成像质量优良的视场，次镜会引起中心遮拦，有时遮拦比还较大，非球面与球面相比制造难度加大。目前，随着非球面加工技术越来越成熟，在空间目标特性测量的光学系统中，两镜系统是一个很好的选择，按照结构形式可分为卡塞格林式和RC结构[4]。

图2 带中继两镜系统的光学示意图

3 二次成像反射光学系统设计

3.1 RC结构设计原理及初始结构确定

RC结构因主镜和次镜均采用二次曲面镜[5]，相较于卡塞格林式可进一步提升光学系统像差的校正能力。在RC结构引入中继组以实现调整出瞳位置，使光学系统的成像在探测器焦面上。

根据选定的反射式光学系统的结构形式，对照光学系统设计指标要求和反射式光学系统的设计原理，开展光学系统设计，设计指标如表1所示。

RC结构的两镜面均为二次曲面，其表达式为：

2＝2－(1－2)2(1)

式中：2为面形参数，可以作为消像差的自变量。1、2为镜面顶点的曲率半径，对于空间系统，其物体位于无限远，同时一般光阑与主镜重合，因此有：

1＝¥；1＝0 (2)

表1 光学系统指标

反射式系统的焦距为RC，次镜放大率即系统焦距与主镜焦距比值为RC，中心遮挡比为，后截距为，则和RC关系式如下：

＝[RC＋×RC]/RC(RC－1) (3)

根据高斯公式，可依次推导出主镜1、次镜2及两镜之间距离之间关系式：

1＝2×RC/RC(4)

＝RC(1－)/RC(6)

考虑系统球差Ⅰ、慧差Ⅱ均为0的情况时，主镜偏心率1和次镜偏心率2表达式为：

为保证像质，次镜的RC取2.3。主镜的焦距乘以RC即为系统的焦距，或主镜的F数乘以RC的绝对值即为系统的F数，根据设计参数求解系统F数，确定RC系统的焦距为650mm，进而算出主镜的焦距为280mm。为保证中继镜的尺寸不至于过于偏大，后截距取值一般不能太小，在这里取65mm。此时，可通过以上公式计算出主次镜间隔及主、次镜二次曲面系数，输入ZEMAX光学设计软件并进行优化设计，RC结构反射式光学系统设计结果如图3所示。

3.2 红外二次成像折反射式光学系统设计

为提高探测灵敏度和响应度，制冷型MCT焦平面探测器必须处于低温工作环境，通常置于低温的杜瓦瓶绝热容器中。探测器接收红外辐射，需通过杜瓦瓶的冷光阑。为了提升光学系统的适配性，确保探测器工作性能，在光学系统设计时需要考虑光学系统与探测器的光阑匹配问题。

图3 RC结构反射式物镜光学系统

为实现冷光阑匹配，则系统出瞳位置应设计在冷光阑处。因RC结构光学系统的入瞳在主镜前端，经过物镜反射成像位出瞳s处，为避免出现前端口径尺寸过大问题，往往采用二次成像方式予以解决。则以RC结构出瞳作为二次成像中继组的入瞳，通过中级镜组成像在冷光阑s¢处继而实现冷光阑匹配。通过高斯公式，对引入二次成像的系统结构参数设计[6]。

其中中继组的垂轴放大倍率为2，二次成像反射式光学系统的总焦距为：

＝RC×2(9)

式中：RC为反射式结构的焦距，因2＝¢/，根据高斯公式：

将系统设计参数代入上述推导公式，可计算出中继镜组的物距。

在RC结构基础上，引入二次成像中继组合透镜既可确保实现100%冷光阑，又可放大RC结构的焦距，实现结构优化设计。

文中光学系统的中继镜组采用Ge、Si、Si、Ge四个透镜组合的形式，在ZEMAX中将中继组合透镜加载至设计的RC结构中，通过ZEMAX对光学系统再次优化设计。其中，为降低畸变对像质影响，提升成像质量，对两个Ge透镜的二次曲面系数进行了优化，最终的光学系统设计结果如图4所示。

该光学系统因应用于红外成像，其像质评价主要参考调制传递函数MTF和点列图的指标参数，如图5所示，从结果分析，设计完成的红外二次成像折反射式光学系统调制传递函数接近衍射极限，成像质量良好，点列图显示的弥散斑均方根值均小于红外探测器像元尺寸，系统参数满足技术指标，整个结构均匀紧凑，符合总体要求。

图4 红外二次成像折反射式光学系统

图5 光学系统优化后点列图和传递函数图

4 结论

文中深入分析了两镜式折反射光学系统结构组成及性能特点，结合RC结构形式和工作原理，详细介绍了初始结构的计算方法和设计步骤，在此基础上，引入中继组透镜，既保证了100%冷光阑效率，又实现结构优化设计，最终的系统设计结构和成像质量均到达研制要求。实际应用中，该系统增加了目标红外辐射特性测量距离，扩展了目标的红外特性信息数据，提升综合评估目标红外隐身特性的可信性。此外，该光学系统也可应用于光电搜索跟踪设备，用于提升红外目标侦查的距离和威胁目标告警的距离，增加作战反应时间和决策时间，使御敌战术战法应用更加灵活多变。

[1] 陈博. 反射式红外多波段准直投影系统研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2018.CHEN Bo. Research on Reflective Infrared Multi-Band Projection System[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2018.

[2] 马子轩, 李旭阳, 任志广, 等. 大视场超紧凑探测光学系统设计[J].光学精密工程, 2020(12):2581-2587.

MA Zixuan, LI Xuyang, REN Zhiguang, er al.Design of ultra-compact optical detection system with large field of view[J].Optics and Precision Engineering, 2020(12): 2581-2587.

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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，硕士，主要从事现代光学技术及工程应用的研究工作。E-mail：905455325@qq.com。