董科研，王 健，孫 強(qiáng)，王洪亮，李全熙，姜會林

(1.長春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)研究所，吉林 長春，130022;2.中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長春，130033;3.第二炮兵駐北京軍代室，北京100039;4.中國人民解放軍海軍91329部隊裝備部，山東威海264200)

1 引言

為適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要，世界各國正積極研制并裝備機(jī)載吊艙系統(tǒng)，以提高軍事偵察能力，而前視紅外系統(tǒng)是機(jī)載吊艙系統(tǒng)中的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一，它可以在全天候情況下進(jìn)行空對地及空對空的搜索，截獲，識別和跟蹤地面、空中目標(biāo)。隨著紅外探測器技術(shù)的長足發(fā)展及應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，紅外雙視場及連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)的需求日益增加。相比于連續(xù)變焦光學(xué)系統(tǒng)，雙視場紅外光學(xué)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)，該系統(tǒng)僅通過透鏡組之間的間隔改變，便可實現(xiàn)雙視場間的切換，且成像質(zhì)量好、視場切換速度快、裝調(diào)容易，因此在現(xiàn)代軍事中發(fā)揮了不可替代的作用，具有廣泛的應(yīng)用前景和其它技術(shù)手段無法比擬的優(yōu)勢［1-4］。

本文在考慮機(jī)載平臺對其載荷的各種約束條件基礎(chǔ)上，針對320 pixel×256 pixel的中波制冷型焦平面陣列探測器，設(shè)計了一款適用于機(jī)載紅外搜索與跟蹤的雙視場中波紅外光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用二次成像結(jié)構(gòu)，利用軸向移動形式，在僅移動一片透鏡的情況下，實現(xiàn)了焦距在800和400 mm的兩檔變換，通過光路二次折轉(zhuǎn)實現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化、輕量化和高穩(wěn)定性，滿足了機(jī)載平臺的使用要求。

2 結(jié)構(gòu)原理

雙視場紅外光學(xué)系統(tǒng)的視場切換方式主要分為軸向移動式和切入切出式。軸向移動式通過透鏡組的軸向移動來改變系統(tǒng)的焦距;切入切出式則是利用機(jī)械切換組件增加或減少光路中的透鏡組來改變焦距。切入切出式的機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，體積較大，裝調(diào)難度大，對運(yùn)動件的定位精度要求高，否則會影響大小視場的光軸一致性;軸向移動式體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，光軸一致性指標(biāo)易于實現(xiàn)［5-10］。圖1為軸向移動式變倍系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖，其通過變倍組的軸向移動來實現(xiàn)寬視場和窄視場的兩檔切換。

圖1 軸向移動式基本結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of axial movement

對于雙視場紅外光學(xué)系統(tǒng)，變倍組在焦距切換時滿足物像交換原則，設(shè)α為系統(tǒng)倍率，則變倍組對焦距的變化為α2，短焦距時變倍組的倍率α2s為［11］:

當(dāng)變倍組處于長焦距和短焦距時，變倍組的移動量為:

設(shè)變倍組與固定組的最小間隔為d，短焦距時變倍組的物距為ls，則固定組焦距f'1為:

由式(4)、(5)可看出，變倍組焦距直接影響變倍組移動距離，同時影響固定組焦距f'1的選取，變倍組的移動距離和其焦距成正比，為了減小長焦距和短焦距的切換時間，并縮短整個光學(xué)系統(tǒng)的長度，在系統(tǒng)優(yōu)化過程中，應(yīng)對變倍組焦距及其軸向尺寸進(jìn)行約束限制，從而實現(xiàn)較短軸向尺寸、不同目標(biāo)距離條件下清晰成像的設(shè)計結(jié)果。

3 設(shè)計思想

3.1 系統(tǒng)分析

本文設(shè)計的雙視場光學(xué)系統(tǒng)工作在中波紅外波段，且焦距在800和400 mm兩檔變換，采用的探測器為像元尺寸為30 μm×30 μm的320 pixel×256 pixel制冷型凝視焦平面陣列探測器。為保證制冷型紅外探測器對100%冷光闌匹配的基本要求，系統(tǒng)選擇二次成像結(jié)構(gòu)，并把探測器冷光闌作為系統(tǒng)的孔徑光闌，以抑制雜散光對光學(xué)系統(tǒng)的影響，同時避免因光束切割而造成能量損失。相對于一次成像結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠最大限度地減小光學(xué)元件尺寸，有效減輕系統(tǒng)重量和體積，滿足機(jī)載平臺對載荷的要求［12-13］，表1為本系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計參數(shù)。

表1 光學(xué)設(shè)計參數(shù)Tab.1 Optical design parameters

3.2 像差分析和光學(xué)設(shè)計

按照技術(shù)要求，結(jié)合軸向移動式雙視場切換原理及系統(tǒng)光焦度的分配原則，依據(jù)高斯光學(xué)理論計算出系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)，利用CODE V光學(xué)輔助設(shè)計軟件對初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，系統(tǒng)最終設(shè)計結(jié)果如圖2所示。為使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，本系統(tǒng)選用正負(fù)正光學(xué)結(jié)構(gòu)，即固定組為正透鏡組，變倍組為單負(fù)透鏡，后固定組為正透鏡組，利用單負(fù)透鏡軸向平移來切換視場。在系統(tǒng)光路中，折疊光路采用了2片反射鏡，從而減小了系統(tǒng)體積，負(fù)透鏡選擇硫化鋅材料，用于校正系統(tǒng)的彗差和軸外像差，整個系統(tǒng)采用單晶鍺、硅和硫化鋅3種常用的紅外光學(xué)材料。

圖2 兩視場中波紅外光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic of dual field-of-view MW infrared optical system

從圖中可以看出，通過移動負(fù)透鏡就能實現(xiàn)雙視場的轉(zhuǎn)換。為保證系統(tǒng)在長焦和短焦位置全孔徑內(nèi)都獲得滿意的像質(zhì)，在透鏡2前表面及透鏡5后表面引入了非球面，用以平衡軸外像差、場曲、色差。通過優(yōu)化設(shè)計，雙視場光學(xué)系統(tǒng)的總長為530 mm，處于寬視場時第1塊透鏡通光口徑為200 mm，雙視場光學(xué)系統(tǒng)的基本變焦位置如表2所示。

表2 雙視場中波紅外光學(xué)系統(tǒng)的變焦位置Tab.2 Zoom position of dual field-of-view MW infrared optical system

圖3 兩視場紅外光學(xué)系統(tǒng)MTF曲線Fig.3 MTF curves of dual field-of-view MW infrared optical system

圖4 兩視場紅外光學(xué)系統(tǒng)的場曲、畸變圖Fig.4 Field curvature and distortion diagram of dual field-of-view MW infrared optical system

圖5 兩視場紅外變焦系統(tǒng)點(diǎn)列圖Fig.5 Spot diagrams of dual field-of-view MW infrared optical system

調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)能夠全面地評價出光學(xué)系統(tǒng)的成像性質(zhì)，包括系統(tǒng)的分辨率和對比度，本系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線如圖3所示，從曲線可以看出，在系統(tǒng)F數(shù)為4且恒定不變，像面保持穩(wěn)定的情況下，焦距可在800和400 mm兩檔變焦，在探測器的 Nyquist頻率16 lp/mm處的MTF值 ＞0.5，接近衍射極限;本系統(tǒng)的場曲、畸變圖如圖4所示。從圖中可以看出，雙視場的場曲＜0.04 mm，畸變＜2.5%;點(diǎn)列圖是光學(xué)系統(tǒng)對點(diǎn)目標(biāo)成像時所形成的幾何像斑，圖5給出了窄、寬視場的的彌散斑直徑均方根值(RMS)，雙視場的RMS＜30 μm，滿足探測器的使用要求。

4 結(jié)論

針對像元大小為30 μm×30 μm的中波紅外320 pixel×256 pixel制冷型凝視焦平面陣列探測器，通過技術(shù)指標(biāo)需求分析，結(jié)合中波紅外系統(tǒng)的光學(xué)特性，采用CODE V光學(xué)輔助設(shè)計軟件，設(shè)計了滿足機(jī)載紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)實際使用要求的雙視場中波紅外系統(tǒng)，實現(xiàn)了800 mm/400 mm兩檔變焦。該系統(tǒng)在寬、窄視場都具有良好的成像質(zhì)量，可在大范圍內(nèi)搜索目標(biāo)的同時，對具體目標(biāo)進(jìn)行識別和分析。此類系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用在軍事、民用方面，特別適用于對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和識別。

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