多波段共孔径离轴三反光学系统设计

张 博，张 峰，刘永强

（西安应用光学研究所，陕西 西安 710065）

引言

美国在军用光电装备上一直引领着各国的发展，光电装备应用范围已经由最初的侦察监视，逐步向满足远程告警/预警、网络化协同作战、快速打击、察打一体、无人作战等需求方向拓展，其探测器波段也由传统的可见光、红外、激光等多光谱侦察成像，向高光谱、超光谱成像方向发展[1-3]。国内装备信息化作战和转型建设同样对光电系统提出更高要求，使得光电侦察监视的内涵与外延发生了深刻的变化，远距离、大视角、多光谱、高分辨、高对比度的观测特点，都对光电系统能力和智能化程度提出了更高要求[4-6]。目前，国内军用光电装备主要采用多传感器模块化设计或传统同轴共孔径设计[7-9]，尚无采用离轴多反式结构的多光谱共孔径光学系统实现军事应用。离轴多反式结构有助于光电系统小型化与轻量化[10-13]，可在复杂多变的战场环境下实现“看得远、看得清、盯得住、辨得出”的侦察监视能力，提升目标态势感知、远距目标识别跟踪等能力。

1 技术指标

光学系统技术指标要求如下：

1）口径/mm：D=180;

2）中波红外

探测器分辨率/pixels：1 280×1 024；

像元尺寸/μm：d=12；

视场/（°）：2.44×1.96；

3）短波红外

探测器分辨率/pixels：640×512；

像元尺寸/μm：d=15；

视场/（°）：0.55×0.44；

4）电视

探测器分辨率/pixels:1 920×1 080；

像元尺寸/μm：d=4.5；

视场/（°）：0.55×0.31

2 设计思路

2.1 初始结构

初始结构是以同轴三反光学系统作为初始结构进行设计的[14]，如图1 所示。主镜M1、次镜M2和第三反射镜M3，3 个镜面的二次非球面系数分别为e1、e2、e3，半径分别为R1、R2、R3，次镜对主镜的遮拦比为α1，第三反射镜对次镜的遮拦比为α2，次镜放大率为β1，第三反射镜的放大率为β2。分别定义如下：

图 1 同轴三反光学系统结构图Fig.1 Structure diagram of coaxial three-mirror optical system

光阑位于主镜时的初始结构参数如下：

式中：f′为系统焦距：d1为主次镜间隔；d2为次镜与第三反射镜的间隔。依据消球差、彗差、像散的条件可求出同轴三反射式光学系统的面形系数。按照上述原理，本文设计了一个同轴三反射式光学系统，初始参数如表1 所示，结构如图2所示。后续设计将以此为基础，通过不同离轴方式消除系统遮拦。

图 2 同轴三反光学系统初始结构Fig.2 Initial structure diagram of coaxial three-mirror optical system

2.2 分光方案

2.2.1 第一分光镜

第一分光镜具有以下分光方式：

1）反电视，透短波红外、中波红外，分光镜材质为ZnS；

2）反电视和短波红外，透中波红外，分光镜材质为多光谱ZnS；

3）反中波红外，透电视、短波红外，分光镜材质为ZnS。

对上述3 种分光方式从膜系层数、膜层总厚度、光谱性能、膜层表面质量、抗激光损伤能力等几个方面进行对比，结果如表2 所示。

第1 种分光方式的膜层总厚度最小，因此分光效率、膜层的表面质量和抗激光损伤能力会略好一些。总体而言，3 种分光膜的镀制均需要精确的膜层材料参数和较高的膜厚控制精度，3 种薄膜的具体应力情况如何，目前没有相关的经验可以参考。

表 2 3 种分光方式对比Table 2 Comparison of three light splitting methods

2.2.2 第二分光镜

第二分光镜具备2 种分光方案：方案1 为透近红外、反短波，方案2 为透短波、反近红外，两者性能对比见表3 所示。在光谱性能接近的情况下，反射长波、透短波的膜系总厚度比反射短波、透长波膜系的总厚度更大，膜层数更多，膜层应力更大，对基底面型的影响更大，更容易导致膜层光洁度变粗糙，从而造成散射损耗、抗激光损伤阈值更小。整体来说，方案2 反射短波、透长波膜系实现难度更大，故设计中第二分光镜采用分光方案1。

表 3 分光方式对比Table 3 Comparison of light splitting methods

3 设计结果

3.1 整体布局

在光学软件CODE V 中针对上述初始结构参数进行优化设计，通过孔径离轴结合视场离轴消除系统遮拦。根据总体结构布局及实际使用需求，选择第2 种分光方式作为各光路设计的基础，通过引入复杂面型实现剩余像差的校正，得到性能良好、结构尺寸满足总体布局要求的离轴三反光学系统。光学系统示意图如图3 所示，由主反射镜（F1）、次反射镜（F2）及第三反射镜（F3）组成。面型参数如表4 所示。F1 和F3 这2 个反射镜均采用偶次非球面，F2 镜面为二次曲面，表达式[15]为

图 3 光路布局图Fig.3 Layout of optical path

表 4 面型参数表Table 4 Parameters of surface shape

3.2 各光路像质评价

3.2.1 电视光路设计

根据电视光路设计结果（见图4），可得系统MTF 曲线如图5（a）所示。从图5（a）可以看出，在120 lp/mm 处全视场MTF＞0.2，接近系统衍射极限。系统的点列斑如图5（b）所示，可看出系统点列斑RMS 值＜10 μm，满足探测器使用要求。视场图（2D 已校准畸变、RMS 波前误差）如图6 所示。从图6 可看出，系统畸变最大值为0.021 mm，根据畸变定义可计算得到系统最大畸变比例小于0.3%，RMS 波前误差最小值为0.019λ，最大值为0.178λ，其中λ=632.8 nm。

图 4 电视光路图Fig.4 Optical path diagram of TV

图 5 电视光路像质评价Fig.5 Image quality evaluation of TV optical path

图 6 已校准畸变的视场图与RMS 波前误差Fig.6 Field diagram with calibrated distortion and RMS wavefront error

3.2.2 短波红外光路设计

根据短波红外光路设计结果（见图7），可得系统MTF 曲线如图8（a）所示。从图8（a）可以看出，在60 lp/mm 处全视场MTF＞0.3，接近系统衍射极限。系统点列斑如图8（b）所示，可看出系统点列斑RMS 值＜15 μm，满足探测器使用要求。视场图（2D 已校准畸变）如图9 所示。从图9 可以看出，系统畸变最大值为0.027 mm，根据畸变定义可计算得到其最大畸变比例小于0.3%，RMS 波前误差最小值为0.019λ（λ=632.8 nm）。

3.2.3 中波红外光路设计

针对商品化制冷机芯，中波红外通道设计有中继镜组，可实现冷光阑匹配。本设计采用定制化机芯，具有热光阑结构，以实现纯反射式结构，具体设计的系统如图10 所示，系统MTF 曲线如图11（a）所示。从图11（a）可以看出，中波红外光路在30 lp/mm 处全视场MTF＞0.15，接近系统衍射极限。系统点列斑如图11（b）所示，可看出系统点列斑RMS 值＜33 μm，满足探测器使用要求。视场图（2D 已校准畸变）如图12 所示。从图12 可以看出，系统畸变最大值为0.200 mm，根据畸变定义可计算得到其最大畸变比例小于0.5%。

图 7 短波红外光路图Fig.7 Optical path diagram of SWIR

图 8 短波红外光路像质评价Fig.8 Image quality evaluation of SWIR optical path

图 9 已校准畸变的视场图Fig.9 Field diagram with calibrated distortion

图 10 中波红外光路图Fig.10 Optical path diagram of MWIR

图 11 中波红外像质评价Fig.11 Image quality evaluation of MWIR optical path

图 12 已校准畸变的视场图Fig.12 Field diagram with calibrated distortion

4 公差分析与装调方案

4.1 公差分析

利用CODE V 自带公差-MTF 分析功能进行模拟，统计系统可能出现的结果，并对系统进行灵敏度分析。不同表面结构公差设置如表5 所示，各视场波前RMS 误差的概率曲线如图13 所示。图13横坐标为波前RMS 误差值，纵坐标为概率值。根据图13 分析结果可知，系统波像差将降低至约λ/10（λ＝632.8 nm）。

表 5 不同表面公差设定值Table 5 Tolerance settings on different surfaces

4.2 装调方案

本文采用Al-6061 作为反射镜材料与结构件材料进行同质系统制造，不会因材料热膨胀系数不匹配造成系统性能随温度变化而下降。结构设计重点考虑系统安装调试的便利性，具体装调方案如下：选择光阑中心光线与反射面交点处反射面的切线方向作为基准面，将镜体拆分成自由曲面反射镜体与镜座2 个部分；在反射镜体背部设计凸台，底部设计平面用于定位，镜体与镜座通过6 个螺钉孔位实现连接，通过在镜体孔位附近设计释放槽避免结构安装应力传递到镜面；反射镜组合采用高精度外圆与定位平面实现在镜框中精确定位，通过6 个螺钉空位实现连接，螺钉孔位远离光学表面，并设计释放槽避免结构安装应力传递到光学表面。

从光学系统出发，根据实际主、次镜成像特点，以及离轴三反装调方面系统难题，采用基于CGH辅助补偿检测方案检测反射镜，装调方式同时定位主、次镜与结构件之间的关系，相应的装调方案如图14 所示。由于主、次镜不能成完善像，采用基于CGH 辅助装调的方式对光学元件和结构件进行高精度调整，通过对主、次镜CGH 设计，实现接近全口径装调，采用辅助对准光栅与5 维调整台实现CGH 与干涉仪的对准；在主、次镜装调好后，入射光经三镜反射后系统成完善像。在汇聚点附近架设干涉仪，利用F 数一定的镜头，在入射方架设标准平面镜形成干涉，实现最终的光机系统装调。

图 13 公差分析曲线Fig.13 Curves of tolerance analysis

图 14 装调方案示意图Fig.14 Schematic diagram of assembly and adjustment scheme

5 结论

根据设计要求本文设计了一款大口径离轴三反光学系统，通过分析不同分光方式，选择最合理布局，实现了光路折叠，缩减了系统尺寸。主、三镜采用高次非球面，有利于校正系统像差，次镜采用二次曲面面型，降低了零件加工难度。各光路经过详细设计，像质满足使用需求，整个成像系统光学性能指标优良。最后给出了系统公差分析结果及装调方案，对离轴反射式系统设计具有一定的指导意义。