可见/中波双波段共口径光学系统设计

韩培仙，任 戈，刘 永，郭骏立，周建伟，崔占刚

（1. 中国科学院光束控制重点实验室 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209；2. 电子科技大学 光电科学与工程学院，四川 成都 610054；3. 中国科学院大学，北京 100049）

引言

光电经纬仪光学结构与望远镜系统类似，具有相对口径不大、视场较小、成像物体位于无限远等特点。由于光电经纬仪测量过程的特殊性，其光学系统具有许多新的特点。考虑到光电经纬仪工作距离一般有数十甚至上百千米，为了提升像方分辨率和成像质量，其光学系统一般都具有较大的孔径，较长的焦距，较高的透过率和较低的畸变。同时，由于跟踪架的限制，光学系统的总质量、总长及其外观尺寸都有严格的要求。此外，为了适应不同的测量环境，系统具有较高的温度适应性，具有调光功能，装调和检查方便等，这些都为光电经纬仪光学系统的设计增加了难度[1-2]。

为了获得更为丰富的探测数据，目前世界上先进的光电探测设备大多采用多波段集成的模式，早期的多波段观测常用的方式是多波段分口径成像形式。多波段分口径系统架构相对较大、制造成本偏高，难以保证不同孔径探测在时间、空间上的一致性。随着设计水平的提高和加工工艺的发展，多波段共孔径成为光电系统发展的方向。常用的多波段共口径结构由共用前置光路、分光元件及分立的后置光路3 部分组成。其中前置光路有多种实现方式，包括卡塞格林式、离轴三反式或折射透镜组等。分光元件包括棱镜、平行平板等。后置光路一般由多个单独的镜头外加能够响应不同波段的探测器组成[3]。

随着大靶区、高空探测、高速目标、多波段目标特性测量等新需求的出现，光学测量设备需要具有更远的作用距离、更大的动态范围和更高的测量精度[4]。文献[5]中设计了一款可见/红外双波段大视场共口径齐焦光学系统，采用折射光路，虽然满足大视场的要求，但是受限于光学材料，系统口径难以做到160 mm 口径以上。文献[6]中设计了一套可见/中波双波段共口径光学系统，在结构形式上具有一定借鉴意义，但是系统口径及视场较小，无法实现调焦、调光功能。文献[7]中设计一套用于车载光电跟踪测量系统的可见/长波/中波共口径光学系统，成像质量良好，但是文中并没有介绍光学系统的设计过程，缺少对光学系统初始结构设计方法的介绍。本文在工程实践的基础上总结了一套分段设计、组合优化的光学设计方法，再现了可见/中波双波段共口径光学系统的设计过程，设计的可见/中波双波段共口径光学系统最大视场达到1.25°，畸变小于0.1%，可以在环境温度−30 ℃～50 ℃下工作，中波红外探测系统实现了100%冷光阑匹配，可以实现大、小视场的切换，而且具有调焦、调光功能。文中重点介绍制冷型中波红外探测系统的冷反射分析方法，并且通过外场试验成像验证了分析结论的正确性。

1 系统参数及指标

为了实现对25 km 以内飞行目标（14 m×25 m×5 m）实现跟踪并对其轮廓和姿态实现测量，考虑到红外成像分辨率较低，对目标成像不精确，但是红外成像探测覆盖距离远，成像质量受光照环境和天气条件影响不大的特点，将双波段共口径最大视场在中波红外探测系统中实现。可见光成像研究的是目标在自然环境中的散射和辐射特性，可以提供目标丰富的细节信息的特点，将长短焦变倍功能在可见探测系统中实现，更有助于实现高效的目标探测与识别。通过相关分析和计算可以确定双波段共口径光学系统的主要技术指标：

1） 工作波段，中波红外为3.7 μm ～4.8 μm，可见波段为0.5 μm ～0.8 μm；

2） 焦距，中波探测定焦为900 mm，可见探测两档定焦为1 500 mm、3 000 mm；

3） 视场，中波为1.25°，可见探测短焦、长焦分别为0.48°、0.24°；

4） 入瞳直径450 mm；

5） 畸变小于0.1%；

6） 中波红外100%冷光阑匹配；

7） 环境温度为−30 ℃～50 ℃。

2 设计方法及过程

2.1 主光学系统初始结构

采用次镜分光的方案，光学系统的总体结构布局如图1 所示。主镜位于整个系统的最后端，可以拆卸，方便维护；可见光探测子系统与中波红外子系统对称分布在主镜筒两端，不需要引入额外配重，结构美观；主镜筒长短尺寸容易控制，可实现系统的小型化、紧凑化。系统由4 片45°反射镜组成折叠光路，中波红外与可见光探测子系统对称分布于主光学系统两侧，3 段折叠光轴之间的间距H 由系统主镜口径、探测器的外观尺寸，以及四通光机结构件尺寸决定，设置为380 mm。系统一次像面的位置需要位于主镜筒外部，一次像面附近的光学元件距离一次像面的位置在10 mm 以上，防止元件上的灰尘或瑕疵影响系统的成像质量。

综合考虑系统的视场以及光学传递函数，将主系统次镜遮拦比α 设置为0.25。主镜的F 数越小，主系统的筒长越短，主镜的加工越困难[8]，综合考虑将主镜的F1设计为1.5。根据卡塞格林系统初始结构求解公式[8]可以得到主系统的初始结构参数，如表1 所示。其中R1为主镜顶点半径，R2为次镜顶点半径，K1、K2分别为主镜、次镜非球面系数，d 为主次镜间距。

图 1 光学系统结构布局Fig. 1 Layout of optical system

表 1 主系统的初始结构参数Table 1 Initial structural parameters of primary optical system

2.2 可见光探测子系统光学设计

可见光探测光学系统由卡塞格林形式的主光学系统（主光学系统作为调焦镜组的准直镜组），以及垂轴切换变倍镜头组成，光路布局结构如图2所示。主光学系统与准直镜组构成缩束系统，缩束比k 为15。根据比例关系可以计算得到准直镜组焦距f ′2=200 mm，短焦成像镜头焦距f ′3=1 500 mm/15=100 mm，长焦成像镜头焦距f ′4=3 000 mm/15=200 mm。

图 2 可见光学系统光路布局Fig. 2 Layout of visible optical system optical path

在缩束系统优化时，注意保持主次镜参数不变，并且用焦距分别为100 mm 和200 mm 的镜头模型代替实际的成像镜组，如图3 所示。在CODE V 光学设计软件中，通过限制缩束系统出射光线局部光学方向余弦，来限制光线平行于光轴出射；通过限制表面局部坐标，控制缩束系统的出射光瞳位置，以便与成像镜组对接。

图 3 可见波段缩束系统光路图Fig. 3 Layout of visible beam shrinking system optical path

采用分段设计组合优化的设计方法，长短焦成像系统分别获得良好的成像效果之后，可以采用多重结构的形式放在同一个系统中做整体优化，变倍镜头优化时应注意确保长短焦像面位置重合。考虑到探测器的外形尺寸，在优化设计时要确保系统后截距大于30 mm，便于机械结构设计。

2.3 中波红外子系统光学设计

中波红外探测系统结构与可见光探测系统类似，由主光学系统，准直镜组，以及可实现调焦的成像镜组组成，光路布局结构如图4 所示。中波红外系统孔径光阑及其像的位置如图4 红点线所示，在理论上可以实现冷光阑匹配。中波红外探测系统视场较大，3 次成像的结构形式减小了成像镜组的通光口径，降低了透镜加工成本。

图 4 中波红外系统光路布局Fig. 4 Layout of MWIR optical system optical path

采用分段设计组合优化的设计方法，合理分配光焦度，主光学系统与准直镜组缩束比为9，主光学系统焦距f ′5=1 530 mm，准直镜组焦距f ′6=170 mm，成像镜组焦距f ′7=900 mm/9=100 mm。成像物镜组初始结构选择文献[9] 中设计的中波红外两档变倍光学系统，做相应的缩放和优化。

3 设计结果与分析

3.1 设计结果

双波段共口径光学系统最终设计结构如图5所示。中波红外与可见光探测系统共用主光学系统，在次镜位置反射可见光波段，透射中波红外，可见光探测与中波红外探测对称分布于主系统两侧，整个系统结构紧凑，布局合理。次镜材料选用可以透射中波红外的ZnSe，ZnSe 材料杂质较少，吸收系数小，可以降低对中波探测能量的损耗[10]。次镜的分光表面镀全介质膜，全介质膜膜层牢固适用于恶劣的工作环境。450 mm 口径的主镜需要同时反射可见光波段与中波红外波段，反射带更宽，口径更大，全介质膜无法实现，可以在金属反射膜层外添加多层介质增强保护膜，增加使用波段反射率，同时增强膜层的强度和耐腐蚀性[11]。

图 5 双波段共口径光学系统结构图Fig. 5 Layout of dual-band common-aperture optical system

本文设计的双波段共口径光学系统的调制传递函数（modulation transfer function，MTF）曲线如图6 所示。从图6 可以看出，在55 lp/mm 处，可见光探测短焦成像系统MTF 大于0.65，长焦成像系统MTF 大于0.55；中波红外探测系统在20 lp/mm处，短焦成像系统MTF 大于0.7，均满足成像质量要求。如图7 所示，可见光探测短焦系统最大畸变为0.10%，可见光探测长焦系统最大畸变为0.07%，中波红外系统最大畸变为0.10%，均满足高精度测量设备对光学系统畸变的要求。弥散圆包含80%能量，焦距1 500 mm 弥散圆直径为0.012 mm，焦距3 000 mm 弥散圆直径为0.015 mm，都小于0.02 mm，中波红外探测系统STREHL 大于0.957，满足大于0.8 的要求。

最终设计的可见/中波双波段共口径光学系统同时实现了大视场、小畸变、长短焦变倍，并且具有调焦、调光功能。在工作距离2 km～∞范围内，工作温度−30 ℃～+50 ℃范围内，通过调焦镜组轴向移动可见/中波双波段共口径光学系统均可以获得良好的成像质量，而且温度变化量与调焦镜移动量成线性关系，有利于调焦镜的驱动。

图 6 双波段共口径光学系统MTF 曲线Fig. 6 MTF curves of dual-band common-aperture optical system

图 7 双波段共口径光学系统畸变曲线Fig. 7 Distortion curves of dual-band common-aperture optical system

可见光光学成像镜头装调完成后中心视场星点圆实，无明显球差、彗差、像散及色差，目视分辨率短焦大于400 lp/mm，长焦大于200 lp/mm，满足技术指标要求。可见/中波双波段共口径光学系统视场边缘成像清晰，符合使用要求。

3.2 冷反射分析

冷反射是评价红外系统性能的重要指标之一。冷反射是制冷红外系统中探测器“看到”自身反射的“冷像”，它是从系统中某个透镜表面反射回来进入光敏面的辐射[12-14]。较强的冷反射信号将淹没目标信号，严重影响系统的探测、识别和跟踪性能。因此，在光学设计阶段需要充分考虑使用制冷型探测器红外光学系统的冷反射现象，评价其影响。

图 8 中波红外探测系统光机模型Fig. 8 Optical and mechanical mode of MWIR detection system

利用光学设计软件Code V 的冷反射分析功能，可以看到本文设计的制冷型中波红外探测系统中表面14 和表面19 的冷反射现象更严重，需要做进一步分析。为了更直观地分析表面14 和表面19 的冷反射光线在像面的会聚情况，选择在TracePro 杂散光分析软件中对中波红外探测系统做真实建模，如图8 所示。给模型赋予实际的材料属性，并将像面设置为表面光源，对系统做逆向光线追迹。表面光源发光属性设置为朗伯体，可以模拟所有进入成像系统的视场光线。表面14、表面19 反射的冷反射光线在像面上的平均辐照度如图9 所示。表面19 的像面辐照度分布相对于表面14 的像面辐照度更均匀，与光学设计软件逆向分析结果相符。从探测器光斑横截面曲线图上可以读取包含80%能量的弥散光斑直径，表面14 对应光斑直径为4.5 mm，表面19 对应光斑直径为11.4 mm，中波红外探测系统所有元件的冷反射光线在探测器表面叠加光斑直径为11.6 mm，均大于探测器半径的一半3.1 mm。当系统产生的冷反射弥散斑半径大于探测器半径的一半时，可以认为该系统产生的冷反射弥散斑均匀地分布在探测器上[15]，即该光学系统的冷反射现象可以忽略。图10 为外场实验中拍摄的中波红外探测图片，图片成像清晰，在视场中心不存在叠加黑斑的情况，说明该光学系统的冷反射现象可以忽略，从实践中验证了上述仿真结果的正确性。

图 9 像面平均辐照度图Fig. 9 Image surface average irradiance diagram

4 结论

图 10 中波红外探测系统外场拍摄图片Fig. 10 Field test picture of MWIR detection system

本文根据实际工程实践经验，总结了一套分段设计、组合优化的光学设计方法，采用此方法设计了一套口径450 mm 可见/中波双波段共口径光电经纬仪光学系统。系统最大视场达到1.25°，畸变小于0.1%，可以在环境温度−30 ℃～50 ℃下工作，实现了中波红外探测系统的100%冷光阑匹配，可以实现大、小视场的切换，而且具有调焦、调光功能。文中根据分段设计组合优化的光学设计方法，详细介绍了双波段共口径光学系统初始结构设计步骤，再现了双波段共口径光学系统从无到有的设计过程，重点介绍了结合CODE V 光学设计软件和TracePro 杂散光分析软件的制冷型中波红外探测系统冷反射分析方法，并且通过外场试验验证了分析结果的正确性。该光学系统经过外场试验证明成像性能良好，实现了可见/中波双波段对目标同时、同步进行捕获、跟踪、测量的目的。