一种紧凑型三波段共孔径光学系统

李文强 赵 翔 赵克军

（中国航空工业洛阳电光设备研究所，河南 洛阳471009）

1 概述

在机载光电探测领域常使用多波段混合探测实现全天候监视侦查，利用目标在不同波段下成像的特征信息不同，提高发现概率。可见光波段波长短分辨率高，但是只能在光照充足的情况下使用，红外波段利用温差进行探测，能够昼夜进行观测，但是波长比可见光长，分辨率相对可见光小一些。通过多波段混合探测能够对背景进行抑制，提高目标的探测发现概率，降低虚警率[1-5]。

本文采用共卡式的光学系统，将可见光、短波红外、中波红外融合在一起，通过共用口径大幅度压缩多波段光学系统的体积。分光位于卡式像点附近，采用分光平面镜和棱镜的组合减小了分光部分所需空间，整个光学系统空间紧凑，实现了三波段共孔径设计。

2 共口径光学构型分析

2.1 共口径构型选择

共口径有共透射式，反射式等构型，共透镜构型对三波段色差大，需要镜片数量较多，且难以实现大口径设计。共反射式可通过光路折转实现光路尺寸压缩，共反射式有同轴和离轴两种形式，离轴系统加工装调难度大，所需空间体积较大，本光学系统采用共卡式构型，加工装调难度相对较小。

卡式主次镜优化设计时候需要计算出一个初始结构，初始结构输入到仿真软件优化计算。主次镜曲率半径满足如下公式：

其中，F 是组合焦距，B 是后截距，D 是两个反射镜间隔，计算出初始结构以后可在设计软件中优化主次镜具体参数，不同类型非球面反射镜可在球面镜基础上增加非球面系数实现，非球面的方程如下。

当k=0，高次项系数为0 时，面型为球面，当k=-1，高次项为0 时面型为抛物面，当k＜-1，高次项为0 时面型为双曲面，当-1＜k＜0，高次项为0 时面型为椭球面，当k=0，高次非球面系数不为0 时面型为高次非球面。通过主次镜不同非球面类型搭配可提高校正像差能力。

主次镜设计为中心视场完善成像系统，可以单独装调主次镜，降低装调难度，常用的面型组合有：主镜抛物面，次镜双曲面或高次非球面；主镜双曲面，次镜双曲面或高次非球面；主镜高次非球面，次镜球面。

2.2 不同波段分光形式

不同波段成像探测器不同，需要在共口径之后光路进行分光，通过两次分光实现三波段分光进入不同探测器，分光位置确定为卡式主次镜会聚点附近，使得分光镜的尺寸较小，通常分光膜透射长波，反射短波，第一次分光实现中波红外透射，可见光和短波红外反射，第二次分光实现短波红外透射，可见光反射。

由于红外制冷探测器的冷反射现象，光路中平面会引入冷反射，红外分光镜为倾斜平面分光镜，切斜镜片会引入非对称像差，影响透射红外像质，分光镜倾斜角度为25°保证中波红外成像质量。可见光和短波红外采用分光棱镜进行分光。

3 光学系统设计

3.1 光学系统指标要求

光学设计中波红外采用640×512 制冷型探测器，像元尺寸15μm。短波红外采用640×512 探测器，像元尺寸15μm。可见光采用1920×1080 探测器，像元尺寸5.5um。

光学参数如下：

（1）工作波段：0.4μm～0.7μm、0.9μm～1.7μm、3.7μm～4.8μm；

（2）光学口径：200mm；

（3）光学系统工作F 数：可见光6、短波红外6、中波红外4；

（4）光学系统焦距：可见光1200mm、短波红外1200mm、中波红外800mm；

（5）全视场：可见光0.5°×0.28°、短波红外0.46°×0.37°、中波红外0.69°×0.55°；

（6）畸变：≤5%。

3.2 光学系统构型

主镜采用抛物面面型，次镜为双曲面面型组合，能够保证中心视场完善成像，该组合方便加工检测。主次镜后通过一个平面镜和棱镜对三个波段光进行分光，使得各光路无共用透镜，便于个波段校正色差和像差，同时可有效提高透过率。中波红外通过分光镜透射，避免了棱镜分光的冷反射，可见光和短波红外经过分光镜反射，通过分光棱镜实现分光，避免平面分光镜引入非对称像差。

3.3 光学系统性能分析

光学系统的MTF 如图所示，可见光在90lp/mm 光学传函在0.4 以上，短波红外在33lp/mm 光学传函在0.45 以上，中波红外在33lp/mm 光学传函在0.2 以上，设计指标能够满足光电探测使用要求。

（可见光）

（短波红外）

光学系统的MTF

光学系统的畸变，各波段畸变均小于4%。

4 结论

通过共卡式实现了中波红外、短波红外、可见光共孔径设计，在会聚光路中一次像点附近分光实现整个光学系统紧凑化设计，三波段共用镜片较少能够提高各波段透过率。该设计能用在机载光电探测设备上，多波段探测提高发现识别概率，通过共孔径可增大光学口径，提高作用距离，压缩系统体积。