可见与红外双波段折反光学系统设计

陈 姣，栾亚东，胡 博，王 凌，腾国奇，张 博，林小娟

(西安应用光学研究所，陕西 西安 710065)

引言

光电导引头以其灵敏度高、抗干扰能力强、区分多目标能力高等特点,应用在空对海、空对地导弹等方面, 受到各国的广泛关注。国内在光电导引头方面技术相对发展较慢，大多以简单的CCD、非制冷热像仪或直接使用其他导弹导引头为主。目前，一般导引头配备的可见光与红外传感器分属2个光学系统，体积大，难以满足机载设备发展需求。而在多模成像导引头方面，还在技术攻关，对光电系统的研究涉及不深，因此急需开展相关研究。基于此，本文进行了红外与电视传感器的共光路设计，适应机载小型化、轻量化的环境要求，实现了宽光谱范围内均有良好的成像质量。

在军事应用中，由于目标的伪装，单一波段的信息减弱，辐射波段移动等，使成像系统不能探测到目标存在或探测的准确度下降。因而西方军事强国为提高自身生存能力和发现敌对目标概率，很早就提出了双波段成像系统的研究[1-2]。

目标在不同光谱频段表现的光学特征有较大差异，可以利用多波段来实现全天候、高分辨率目标侦察。常用双波段成像系统由两种方式构成：1) 由2个分别响应不同波段的探测器共光路或部分共光路系统构成；2) 用一个能够响应2个波段的双波段探测器共光路系统构成。本文所设计的双波段系统采用第一种构成方式，采用2个通道，且来自不同的电磁波段区，所含的目标背景信息量增加一倍，提高了成像系统探测、识别目标的能力。因此双波段成像技术研究对军事领域和民用技术发展均有重要意义。

1 光学系统设计

该光学系统中，电视与红外系统选用共次反镜设计，电视系统采用759像素×596像素的1/3″ CCD，像元尺寸为6 μm×6 μm，红外系统采用640×480非制冷焦平面探测器，像元尺寸为23.5 μm×23.5 μm。

1.1 主要的技术指标

光学设计指标如表1所示。

表1 光学设计指标Table 1 Optical design parameters

1.2 光学方案

该方案采用双模单通道工作模式，由红外和电视工作模式构成，为适应小型化需要，两路光学系统采用折反形式，共用前端卡塞格林反射系统中的次反射镜，利用平面反射镜的打进打出功能实现两路光学系统的快速切换，剩余像差分别由红外中继镜组及电视中继镜组进行校正，其方案原理如图1所示。

图1 光学方案Fig.1 Optical sketch

1.3 卡塞格林反射系统计算及中心遮拦

光学系统选用折反式方案，其中反射系统采用卡塞格林反射系统，主反射镜采用抛物面，次反射镜采用双曲面，同时消球差和彗差，如图2所示。

在卡塞格林系统中，遮拦程度是卡塞格林系统中一个重要的参数。在红外光路中，折反系统总长要求较小，且随着视场和相对孔径的增大，像质越难校正。要兼顾中心遮拦比以及像质两方面要求，需选取合适的主次镜间隔及面型参数，减小次镜的有效口径，降低遮拦比，满足设计要求。

图2 卡塞格林反射系统Fig.2 Cassegrain reflecting system

1.4 中继透镜设计

根据红外探测器特点和系统要求，红外物镜选用单晶锗和化学汽相沉积硒化锌(CVD ZnSe)构成中继透镜形式，正透镜材料为单晶锗，负透镜材料为硒化锌，CVD硒化锌的引入减少了红外系统光学材料的吸收。红外中继透镜组承担光焦度较大，像差校正困难，在红外中继透镜中引入非球面用于校正球差、彗差和其他像差，保证像质满足要求。

电视中继系统选用理化性能较好、易于加工的常用环保型光学玻璃材料，且优选高折射率的光学玻璃，利于结构紧凑，实现小型化的目的。选用材料有HQK3L、HLAF3B等，利用材料的合理匹配消除系统色差及剩余像差，保证成像质量。

在红外和电视系统中，中继透镜的设计均采用薄透镜的像差理论，按照薄透镜消色差条件和组合光焦度与各组份光焦度的关系有[3]

(2)

式中：Φ为光焦度；v为材料阿贝数；h为轴上光线的相对入射高度。

1.5 次反射镜分光设计

系统采用红外/可见共次反射镜设计，次反射镜利用分光膜层设计实现反射红外波段透射可见波段。为了提高光学系统的光能传输效率，利用TFCalc光学膜层设计软件设计减反射膜层及反射膜层曲线，在次镜表面镀制600 nm～900 nm的减反射膜及8 μm～12 μm的反射膜，其平均透过率达到85%，反射率达到90%，其强度、环境适应性均可符合《光学零件镀膜》(JB/T 8226.1-1999)中减反膜及反射膜镀制的相关要求，保证了整个光学系统的能量传递。

2 设计结果

利用光学设计软件CODE-V进行多次像差优化设计，得到符合技术指标的红外及可见光学系统，如图3所示。

图3 光学系统结构Fig.3 Structure of optical system

系统采用电视、红外两路光学系统共光路设计，共用前端卡塞格林反射系统中的次反射镜。次反射镜采用了透射可见光波段，反射红外波段的光谱分光膜层设计技术。由于前端采用反射系统，杂散光对系统成像质量影响较大，因此在一次像面处设置视场光栏，遮挡杂散光的进入，提高系统的信噪比。

3 像质评价

依据像差设计理论进行分析，并通过光学结构的优化，得到红外及电视光学系统。本文主要使用调制传递函数MTF 和点列图对红外及电视光学系统进行评价，最终设计、优化得到系统各个视场的MTF 和点列图如图4～图7所示。由图4～图7可知，各个视场的像差得到了严格的校正，各视场的MTF均接近衍射极限，达到成像清晰分辨高的要求。

图4 红外系统MTF曲线Fig.4 MTF curves for IR system

图5 红外系统点列图Fig.5 Spot diagram for IR system

图6 电视系统MTF曲线Fig.6 MTF curves for TV system

图7 电视系统点列图Fig.7 Spot diagram for TV system

4 红外系统杂散光仿真分析与设计

光学系统中的杂散光是光学系统中到达探测器的非目标光线，主要与光线通过光学元件的表面的光学特性有关，其能量传输方程可表示为

dΦc= BRDF(Φi，θi，Φc，θc)·dΦs(Φi，θi)·

GCFSC·π

式中：dΦc是探测器接收到的能量；dΦs(Φi，θi)是杂散光源辐射出的能源微量；BRDF(Φi，θi，Φc，θc)是双向反射分布函数；GCFSC是探测器与杂散光源间的几何构成因子。

在杂散光的分析与设计中，应使探测器与杂散光源间的几何构成因子GCFSC尽可能地接近于零。因此，在光学系统设计中需要考虑消杂光措施，采用光电一体化技术设计，在适当位置加装遮光罩及消杂光光栏，机械内壁采用黑色无光氧化等措施，对杂散光进行散射、反射和吸收，大幅度降低杂散光能量。

利用LightTools软件对红外系统进行仿真分析，图8为视场范围内红外系统不同口径所对应的光线追迹图。

通过仿真分析可以看出，视场外杂光能够进入接收靶面。考虑到目前的消杂光设计技术，采用在主镜处加装锥形遮光罩，其尺寸大小及位置如图9所示，该措施有效地对杂散光进行散射、反射和吸收，降低杂散光对成像的影响。

图8 红外系统视场内光线追迹图Fig.8 Ray trace for IR system

图9 红外系统锥形遮光罩尺寸及位置Fig.9 Size and position of conic hood for IR system

此外，红外折反系统还有来自内部辐射的杂散光，主要是指镜筒内部的自身辐射。该方面的分析需结合机械结构进一步地深入探索分析，必要时应对整个系统进行制冷，并对镜筒内壁及遮光罩进行相应的涂层处理，抑制光学系统杂散辐射。

5 结论

本文设计了红外/可见双波段折反光学系统，采用双模单通道的工作模式，突破了传统红外折反光学系统视场小的局限性，视场可达到5.8°。该设计符合导引头小型化、轻量化的环境要求，提高了成像系统探测、识别目标的能力。

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