一种高性能双视场长波红外光学系统

何红星，赵劲松，唐 晗，徐参军，陶 亮，康丽珠



一种高性能双视场长波红外光学系统

何红星，赵劲松，唐 晗，徐参军，陶 亮，康丽珠

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

设计了一款高性能的紧凑型双视场长波红外光学系统，该光学系统由前固定组、变倍调焦组、后固定组、中继组组成。采用机械补偿变焦方式、光瞳匹配技术、二次成像和二次折叠，有效地对光学系统纵向和横向尺寸进行了约束，外形包络在220mm×95mm（局部135mm）×50mm（局部110mm）范围内，系统紧凑，体积小。通过光学和结构材料的优选搭配及光学系统参数优化配置，在－40℃～70℃范围内，控制了光学系统热差，光学系统光轴稳定，小视场光轴稳定性＜0.04mrad，大/小视场转换光轴平行性＜0.1mrad；应用该光学系统的热像仪性能高，MRTD（3cyc/mrad）＝0.07K，NETD＝30mK。设计结果表明光学系统像质良好，满足热像仪使用要求。

双视场光学系统；长波红外；机械补偿；光瞳匹配

0 引言

红外光学系统是红外成像仪的重要组成部分，用于汇聚红外辐射能量并把红外辐射能量聚焦到焦面上，通过探测器的光电转换和后续图像处理实现对景物目标的成像；红外光学系统还具有变倍调焦和热补偿功能。单视场红外光学系统难以满足不同作用距离的需求，双视场红外光学系统具有大小两个不同视场，大视场可用于大范围搜索目标，小视场可用于对目标进行识别与跟踪，因而在现代红外光学系统中得到了广泛应用[1-4]。

应用于观瞄系统的中等级别热像仪越来越迫切地要求光学系统结构简单、透过率高、容易装调、性能高，同时要求热像仪在满足功能和性能的前提下，整机尺寸要尽可能小、重量轻。目前，国产或进口的热像仪包括6片透镜、1个扫描镜、2个反射镜，整个光学系统立体空间折叠180°，结构复杂、体积大（外形包络：245mm×202mm×117mm）、光学透过率低、不易装调。

基于上述现状，有必要寻求一种新型的光学系统，以克服当前光学系统复杂、光学系统尺寸大、透过率低、不易装调等问题，并提高性能。本文提出了一种高性能双视场长波红外光学系统设计方案，并给出了详细的设计结果。

1 光学系统方案

1.1 光学系统主要技术指标

根据热像仪整机的要求，光学系统的主要技术指标如下：①工作波段：长波红外波段7.5mm～9.8mm；②视场：小视场1.7°×1.28°，大视场17°×12.8°；③F数：F#3；④探测器：制冷长波红外384×288 FPA探测器，像元间距25mm；⑤畸变：小于2%，点列图均方根弥散斑直径与像元间距相当，传递函数接近衍射极限；⑥外形：外形包络在220mm×95mm（局部135mm）×50mm（局部110mm）范围内。

1.2 光学系统方案及实现方式

光学系统技术方案如下：光学系统采用机械补偿[5]变焦方式，采用光瞳匹配技术，采用二次成像，采用二次折叠方式，光学系统由前固定组（大物镜）、变倍调焦补偿组、后固定组、反射镜一、视场光阑、反射镜二、中继组组成。前固定组、变倍调焦补偿组、后固定组、中继组分别由一片透镜组成，光学系统只有4片透镜和2片反射镜，镜片数量少，光学透过率高，达到90%；所述的双视场为小视场1.7°×1.28°和大视场17°×12.8°。光学系统方案如图1所示，变倍原理如图2所示，采用单组元沿轴向运动实现变倍补偿，即通过改变变倍调焦补偿组与前固定组和后固定组之间的间隔来实现变倍、调焦及补偿，变倍调焦补偿组通过驱动机构沿轴向运动位于A位置为小视场位置，在A位置前后移动实现小视场调焦和温度补偿，变倍调焦补偿组通过驱动机构沿轴向运动位于B位置为大视场位置，在B位置前后移动实现大视场调焦和温度补偿。图2中，变倍调焦补偿组的位置（运动曲线）由位置传感器实时寄存在伺服电路寄存器中，伺服电路根据温度传感器的温度值即时调整变倍调焦组到达对应位置。在变倍过程中，合成焦距如图3所示。

1 光学系统方案图

图2 光学系统变倍调焦补偿示意图

图3 变焦距物镜合成焦距示意图

如图3所示，依据近轴光学原理，变焦距物镜3个透镜的合成焦距为：

变焦距物镜的合成焦距为前固定组焦距与其后各透镜组垂轴放大率的乘积。在变焦距物镜中，变倍比是最长焦距与最短焦距之比，也是初始位置各透镜组垂轴放大率乘积与新位置各透镜组垂轴放大率乘积之比，即：

式(2)也是A位置和B位置变倍组、后固定组垂轴放大率乘积之比，*2为B位置透镜二垂轴放大率，*3为B位置透镜三垂轴放大率。依据技术指标要求和式(1)、(2)及物像交换原则[5]可求解大小视场下变倍组的轴向位置。

变倍调焦补偿组只有1片透镜和1组伺服运动机构驱动，该伺服运动机构控制变倍调焦补偿组沿光轴方向运动实现光学系统的变倍、调焦、热补偿功能。

前固定组材料为锗，变倍调焦补偿组材料为硒化锌，后固定组材料为锗，中继组材料为锗；反射镜一、反射镜二基底材料为钛合金，反射镜工作面生长一层0.4mm厚度的玻璃材料并经过传统抛光镀膜等加工工艺制成。透镜和反射镜的加工工艺均为成熟工艺。

光学系统还设置有视场光阑（field stop）、冷光阑（cold stop）以及焦平面（FP）。视场光阑是一金属的方孔，位于一次像面处，与探测器焦平面经中继组在一次像面处所成的像大小一致，用于消杂光；冷光阑是红外探测器的杜瓦窗口，是一金属的圆孔；焦平面是探测器的焦平面，也是光学系统的焦平面。

采用光瞳匹配技术，即光学系统入瞳与前固定组的位置和口径一致，光学系统出瞳与冷光阑的位置和口径一致。光学系统F数为3，采用二次成像方式，一次像面位于反射镜一和反射镜二之间，二次像面位于探测器的焦平面处，采用二次折叠方式，将两块45°放置的反射镜设置在后固定组和中继组之间，综合应用上述技术控制光学系统外形尺寸，平衡光学系统初级像差和高级像差，得到像质良好的结果。

2 光学系统优化设计结果及评价

2.1 光学系统优化设计结果

依据前述方案进行光学系统设计，采用初级像差理论[6]求解光学系统初始结构参数[7]（球率半径、材料和空气间隔）。以设计的初始结构参数为起点，进行像差平衡和校正，利用光学评价函数和各种优化设计技术对光学系统进行优化设计[8]，使光学系统各项技术参数满足技术指标要求。光学系统设计结果如图4所示，光学系统前固定组为一正透镜，变倍调焦补偿组为一负透镜，后固定组为一正透镜，中继组为一正透镜，反射镜一和反射镜二均为平面反射镜。在前固定组（大物镜）处设置孔径光阑，也是光学系统的入瞳，控制光学系统出瞳与探测器冷屏匹配，实现100%的冷屏效率。变倍调焦组在A位置时为小视场1.7°×1.28°，变倍调焦组在B位置时为大视场17°×12.8°，变倍比10×。光学系统变倍调焦简单，行程短，行程小于30mm，可靠性高；通过对光学系统二次折叠，减小了体积，光学系统外形包络在220mm×95mm（局部135mm）×50mm（局部110mm）范围内。通过光学和结构材料的优选搭配及光学系统参数优化配置，在－40℃～70℃范围内，光学系统光轴稳定，应用该光学系统的热像仪整机经过高低温环境试验和振动冲击试验后静态状态下小视场光轴稳定性0.03mrad，大/小视场转换光轴平行性0.07mrad；应用该光学系统的热像仪性能高，MRTD（3cyc/mrad）＝0.07K，NETD＝30mK，对2.3m×2.3m坦克探测距离7.61km，识别距离5.32km。

图4 双视场长波红外光学系统

2.2 光学系统像质评价

采用点列图、传递函数MTF和光程差对光学系统像质进行评价。双视场长波红外光学系统分为小视场光学系统和大视场光学系统，常温20℃条件下小视场光学系统的点列图及传递函数如图5(a)所示，均方根弥散斑半径最大值为12.9mm，几何弥散斑半径最大值为50.49mm，满足成像要求，在探测器截止频率20lp/mm处系统传递函数值为0.28，接近衍射限，满足成像要求，全视场畸变小于2%，满足使用要求；常温20℃条件下大视场光学系统的点列图及传递函数如图5(b)所示，均方根弥散斑半径最大值为10.63mm，几何弥散斑半径最大值为28.98mm，满足成像要求，在探测器截止频率20lp/mm处系统传递函数值为0.3，接近衍射限，满足成像要求。图5(c)图为小视场光学系统的场曲和畸变，图5(d)图为大视场光学系统的场曲和畸变，畸变小于2%，满足要求；图5(e)图为小视场光学系统光程差，图5(f)图为小视场光学系统光程差，最大光程差小于0.5个中心波长，满足要求。

低温（－40℃）下光学系统MTF如图6所示，高温（＋70℃）下光学系统MTF如图7所示。

图5～图7中，图(a)为小视场光学系统MTF，图(b)为大视场光学系统MTF，在探测器截止频率20lp/mm处，光学系统MTF＞0.23，满足要求。

图6 －40℃双视场光学系统MTF

图7 70℃时双视场光学系统MTF

3 结论

设计了一个紧凑型双视场长波红外光学系统。采用机械补偿变焦方式，采用光瞳匹配技术，采用二次成像，采用二次折叠，有效地对光学系统纵向和横向尺寸进行了约束，外形包络在220mm×95mm（局部135mm）×50mm（局部110mm）范围内，系统紧凑，体积小；克服了当前光学系统复杂、光学系统尺寸大、透过率低、不易装调等问题；变倍调焦补偿组只有一片透镜，只有一组伺服运动机构驱动，变倍调焦简单，行程短，行程小于30mm，可靠性高；在－40℃～70℃范围内，光学系统光轴稳定，应用该光学系统的热像仪整机经过高低温环境试验和振动冲击试验后静态状态下小视场光轴稳定性0.03mrad，大/小视场转换光轴平行性0.07mrad；光学系统设计结果表明像质优良；应用该光学系统的热像仪性能高，MRTD（3cyc/mrad）＝0.07K，NETD＝30mK，对2.3m×2.3m坦克探测距离7.61km，识别距离5.32km。

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High Performance Dual Fields of View LWIR Optical System

HE Hongxing，ZHAO Jingsong，TANG Han，XU Canjun，TAO Liang，KANG Lizhu

（,650223,）

A compact dual fields of view infrared optical system with high performance is designed, which consists of a front fixed group, a zoom focus group, a rear fixed group and a relay group. The vertical and horizontal dimensions of the optical system are designed to be minimum by adopting mechanically compensated zoom, the entrance pupil matching the exit pupil, reimage, and twice folding optical axis. The three-dimensional figure is 220mm×95mm×50mm. The thermal aberration is controlled between －40 to 70℃by choosing optical material and structural material, and optimizing the optical system parameters. The line of sight of the optical system is stabilized. The error of the line of sight of the narrow field of view is less than 0.04mrad after environment test, the error of the line of sight between the narrow field of view and the wide field of view is less than 0.1mrad. The performance of the imager of the LWIR optical system is improved, the MRTD value is 0.07K at 3cyc/mrad, the NETD valueis 30mK. The optical systems' imaging quality is perfect, it can be satisfied to the imager

dual FOVs optical system，LWIR，mechanicallycompensated zoom，the entrance pupil matching the exit pupil

TN216

A

1001-8891(2017)05-0394-05

2016-10-11；

2017-04-28。

何红星（1977-），男，贵州盘县人，研究员级高工，博士，主要从事红外光学及热像仪总体技术研究。E-mail：hxhe2000@163.com。