基于热光阑的紧凑型大变倍比中波红外多视场光学系统

缪炜星，赵长春，刘飞飞，罗永胜

(1.中航(成都)无人机系统股份有限公司，成都 611000；2.哈尔滨飞机工业集团有限责任公司，哈尔滨 150000；3.中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所，河南 洛阳 471000)

系统一般用于口径较小光学系统，反射式系统实现大口径紧凑化设计，常用的有卡式、离轴三反、离轴四反等构型[3-4]，反射式系统可实现光学系统长焦高分辨设计，但难以兼顾大视场。

0 引言

红外光学系统可用于昼夜探测，是机载光电系统重要工作波段。通常光学系统包含多个视场，满足不同使用功能，大视场可用于导航和大范围观测，小视场分辨率高，可用于远距探测和目标识别。光学系统多视场一般以切换镜组或连续变焦的方式实现，张良等[1]采用衍射面实现了中波和长波多视场光学系统；陈吕吉等[2]介绍了多种实现多视场红外光学系统的构型，透射式光学针对透射式和反射式光学系统的局限性，本文提出了一种基于卡式次镜切换的多视场光学系统，通过次镜和透镜组切换并共用目镜组，实现了光学系统多视场大变倍比设计，该光学系统设计融合了反射式和透射式两种构型的特点，同时，针对红外制冷探测器F数为固定值，在卡式小视场的基础上通过切换部分透镜和大F数热光阑，在光学口径不变的情况下将焦距增加1倍，进一步提升了光学系统性能[5]，实现了光学系统60倍的大变倍比，可满足不同视场观测需求，光学系统总长为210 mm，极大地压缩了光学系统空间体积。同时，针对热光阑视场开展相关实验室测试和外景成像，验证了大F数热光阑使用的可行性，该中波红外光学系统可用于机载光电系统。

1 设计过程

中波红外光学系统设计基于640 μm×512 μm阵列制冷型探测器，针对多视场使用需求，大视场设计大于24°，小视场焦距尽可能增大提升作用距离，光学系统各视场设计参数见表1。

表1 光学系统各视场设计参数Table 1 Design parameters of the optical system

红外采用制冷探测器，光学系统设计时需要保证100%冷光阑匹配。采用二次成像模式，3个冷光阑视场设计时共用一次像点后会聚目镜组，通过改变一次像点前的物镜组的焦距实现视场变倍。大、中视场采用透射式物镜组构型；小视场采用卡式反射镜作为物镜组，小视场次镜为切换结构，保证大、中视场物镜组切换时光路不经过卡式镜组；超小视场在卡式小视场的基础上通过改变目镜组焦距，切换部分目镜和热光阑实现。初始结构的计算根据物镜组和目镜的高斯成像关系计算得到，图1为二次成像计算示意图。

图1 二次成像示意图Fig.1 Illustration diagram of secondary imaging optical system

图中：m为放大率;Dcs为冷光阑到探测器距离;fo为物镜组焦距;fR为目镜组焦距。

物镜组和目镜组成像关系为[6]

(1)

式中,L为系统总长。

初始构型代入软件进行优化设计，通过增加镜片校正像差，正透镜为硅材料，负透镜为锗材料。优化完成后的光学构型如图2所示。整个光学系统包含卡式物镜组、中视场物镜组、大视场物镜组、冷光阑目镜组和热光阑目镜组5个独立部分。

图2 光学系统构型图Fig.2 Structure of the optical system

机载光电系统工作温度一般在-55～+70 ℃，温度变化会导致光学系统离焦。采用移动镜组补偿高低温下光学像质下降，调焦镜组选用4个视场共用部分目镜组，保证各视场使用同一调焦机构。

卡式主次镜为小视场和超小视场共用物镜组；中视场物镜组包含3片透镜，材料分别为硅、锗、硅；大视场物镜组包含4片透镜，材料分别为硅、锗、硅、锗；冷光阑目镜组包含调焦目镜组和切换目镜组1，为大中小3个视场共用，共用调焦目镜组包含3个透镜，材料分别为硅、锗、硅，切换目镜组1包含2片透镜，材料分别为硅、锗；热光阑目镜组包含调焦目镜组和切换目镜组2，为大F数超小视场的目镜组,切换目镜组2包含2片透镜，材料分别为硅、锗。

优化设计后光学系统总长210 mm，与卡式光学口径200 mm相当，整个光学系统空间体积非常紧凑。光学系统优化设计后参数如表2所示。

表2 优化后各组成部分设计参数Table 2 Design parameters after optimization mm

2 设计结果

针对光学系统设计结果，通过光学传递函数评价光学系统成像质量，并且分析-55～+70 ℃温度时各视场调焦后光学系统像质，确保采用同一调焦镜组能够满足4个视场温度变化时的调焦需求。不同温度下的传递函数如图3所示。

图3 系统MTF曲线Fig.3 Curves of modulation transfer function of the system

各视场光学传函值较衍射极限下降较少，能够满足使用要求。

畸变会影响成像的视觉效果，光学设计时需要控制畸变在合理的范围内，4个视场畸变均小于3%，满足使用要求。

3 热光阑验证

从图3光学传函可知，在采用大F数热光阑后光学传函较低，会影响成像效果，针对F数为6的热光阑系统开展相关验证工作。设计了透射式光学系统进行验证，冷光阑光学系统F数为3，光学焦距75 mm，冷光阑光学系统如图4(a)所示。通过在光学系统中切入2片透镜变焦实现热光阑视场，热光阑位于探测器光窗前5 mm，光学焦距150 mm，热光阑光学系统如图4(b)所示，两重视场光学口径均为25 mm。热光阑视场通过增加探测器的积分时间提升整体性能。

图4 冷、热光阑光学系统Fig.4 Cold and warm diaphragm optical systems

使用红外性能测试设备测试2个视场的最小可分辨温差(MRTD)值评价光学系统性能。冷光阑视场测试达到极限分辨率2.5 cycles/mrad,MRTD测试值为0.3 K。热光阑视场对于空间分辨率为2.5 cycles/mrad的靶板测试,测得MRTD为0.3 K；对于空间分辨率为4 cycles/mrad的靶板测试,测得MRTD为0.5 K。通过实验室测试发现,采用热光阑视场可提升分辨率，在不增加口径的情况下提升光学性能。

完成光学系统对外景成像试验,进一步验证热光阑使用可行性，冷、热光阑外景成像效果如图5所示。热光阑视场成像对比较好，可满足观测使用。

图5 冷、热光阑外景成像效果Fig.5 Imaging of cold and warm diaphragm optical system

通过实验室测试和外景成像试验验证了中波红外系统可采用大F数热光阑设计方式，证明了本光学系统设计的可行性。

4 结论

通过切换卡式次镜的方式实现了紧凑型大变倍比的红外多视场光学系统设计，该设计综合了反射式和透射式光路的优点，符合机载光电探测设备小型化、轻量化的发展需求。整个系统长度约为焦距的1/6，并且4个视场共用调焦镜组能满足机载产品高低温工作需求，设计中,利用大F数热光阑在口径不变的情况下进一步提升了光学系统分辨率，并针对热光阑的使用开展实验验证，充分证明了该光学系统的可行性，未来可用于机载光电探测设备。