林 森 蔡 偉 魏小林 常 虹

(1.北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076；2.北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100039)

帶擺鏡的制冷型中波紅外像方掃描光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林 森1蔡 偉2魏小林1常 虹1

(1.北京航天計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究所，北京 100076；2.北京航天自動(dòng)控制研究所，北京 100039)

基本形式的像方掃描光學(xué)系統(tǒng)依然需要復(fù)雜的二維回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)成像鏡組做二維掃描，所以二維回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)需要承擔(dān)較大載荷。分析了基本形式的像方掃描光學(xué)系統(tǒng)形式，并在基本形式基礎(chǔ)上加入擺鏡，只通過二維擺鏡的旋轉(zhuǎn)達(dá)到掃描像面的目的，大大減小二維回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)載荷，提高掃描速度，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減小了系統(tǒng)體積。加入擺鏡后的光學(xué)系統(tǒng)除具有基本形式像方掃描光學(xué)系統(tǒng)的性質(zhì)外，還有了新的限制條件，對(duì)帶擺鏡的像方掃描光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了分析，提出了設(shè)計(jì)條件及設(shè)計(jì)方法，并設(shè)計(jì)出具有較大視場(chǎng)的像方掃描光學(xué)系統(tǒng)。

像方掃描 中波 擺鏡 光學(xué)系統(tǒng)

1 引 言

在探測(cè)器一定的情況下，凝視型紅外熱像儀若要實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)則會(huì)降低系統(tǒng)分辨率，掃描型紅外熱像儀可在不損失分辨率的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)大視場(chǎng)內(nèi)目標(biāo)的搜索及跟蹤，其基本形式包括物方掃描形式及像方掃描形式。傳統(tǒng)物方掃描光學(xué)系統(tǒng)口徑大，體積大，而且回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)需要承擔(dān)較大載荷。而像方掃描形式的光學(xué)系統(tǒng)具有較小的口徑，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)載荷較小，掃描速度塊，與物方掃描相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。在對(duì)像方掃描光學(xué)系統(tǒng)成像特點(diǎn)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)帶擺鏡的制冷型中波紅外像方掃描光學(xué)系統(tǒng)，確定了擺鏡擺放位置的條件，設(shè)計(jì)出具有大視場(chǎng)的像方掃描光學(xué)系統(tǒng)。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1系統(tǒng)原理

像方掃描光學(xué)系統(tǒng)基于二次成像光學(xué)系統(tǒng)，由前置鏡組及成像鏡組組成。前置鏡組為望遠(yuǎn)鏡組，具有較大視場(chǎng)，將大范圍目標(biāo)成像在一次像面上，像面有一定曲率半徑。成像鏡組有一定的放大倍率，一次像面上的實(shí)像經(jīng)過成像鏡組成像在探測(cè)器上，通過成像鏡組的轉(zhuǎn)動(dòng)，掃描一次像面以達(dá)到對(duì)物方大視場(chǎng)景物的掃描。其結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

2.2光學(xué)系統(tǒng)特點(diǎn)分析

2.2.1 像方掃描光學(xué)系統(tǒng)瞬時(shí)視場(chǎng)較小，通過掃描實(shí)現(xiàn)對(duì)大視場(chǎng)景物的搜索。

為滿足一定分辨率要求，根據(jù)已有的探測(cè)器焦平面大小及探測(cè)距離等參數(shù)可計(jì)算得到所需要的瞬時(shí)視場(chǎng)大小及瞬時(shí)視場(chǎng)對(duì)應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)總焦距f0。

根據(jù)組合光學(xué)系統(tǒng)性質(zhì)可得

f0=f1×β2×β3×…×βi

(1)

式中：f1——光學(xué)系統(tǒng)第一個(gè)鏡組的焦距，本系統(tǒng)中為前置鏡組；βi——第i組鏡組的放大倍率。

前置鏡組像方F數(shù)要與成像鏡組物方F數(shù)匹配。因此，制冷型探測(cè)器選定之后，可根據(jù)兩鏡組設(shè)計(jì)的難易程度，合理分配各組的焦距及F數(shù)大小。

2.2.2 回轉(zhuǎn)中心位置與一次像面曲率中心位置重合

為使在成像鏡組回轉(zhuǎn)過程中目標(biāo)不丟失，或一直保持成像質(zhì)量良好，成像鏡組回轉(zhuǎn)中心位置必須與一次像面曲率中心位置重合，否則轉(zhuǎn)動(dòng)過程導(dǎo)致各視場(chǎng)光程變化，無法在各個(gè)狀態(tài)均呈實(shí)像。

像面曲率半徑越大，前置鏡組越容易實(shí)現(xiàn)，但成像鏡組物距越遠(yuǎn)，系統(tǒng)總長(zhǎng)越大，因此在設(shè)計(jì)中需合理規(guī)劃一次像面曲率半徑值。

2.2.3 前后組主光線方向?qū)?yīng)并共線

若前置鏡組及成像鏡組能夠匹配，則一次像面前，前置鏡組的像方各視場(chǎng)主光線必須與一次像面后成像鏡組物方各視場(chǎng)主光線相對(duì)應(yīng)并共線。為保證實(shí)時(shí)成像，前置鏡組及成像鏡組各個(gè)視場(chǎng)主光線要與像面法線重合，因此成像鏡組物面也為曲面，其曲率半徑與一次像面相等，曲率中心與一次像面曲率中心、成像鏡組回轉(zhuǎn)中心重合。

2.2.4 入瞳(出瞳)與回轉(zhuǎn)中心重合

根據(jù)回轉(zhuǎn)中心位置及主光線方向可確定入瞳(出瞳)位置。各視場(chǎng)主光線垂直于像面，即指向像面曲率中心，而根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)性質(zhì)，各視場(chǎng)主光線N次成像光學(xué)系統(tǒng)與光軸有N個(gè)交點(diǎn)，每個(gè)焦點(diǎn)即為光闌位置，前置鏡組及成像鏡組均為一次成像鏡組的情況下，回轉(zhuǎn)中心即為孔徑光闌位置。

2.3光學(xué)系統(tǒng)基本形式

根據(jù)回轉(zhuǎn)中心的位置不同，像方掃描光學(xué)系統(tǒng)有兩種基本形式。

2.3.1 回轉(zhuǎn)中心在前置鏡組像方：前置鏡組出瞳位置與回轉(zhuǎn)中心重合，像面曲率為負(fù)，前置鏡組各視場(chǎng)主光線必定與像面法線重合。成像鏡組各視場(chǎng)主光線在設(shè)計(jì)時(shí)需設(shè)定邊界條件，與一次像面法線重合。圖1所示為像面為負(fù)曲率半徑的像方掃描光學(xué)系統(tǒng)示意圖。

2.3.2 回轉(zhuǎn)中心在后組物方：后組入瞳位置與回轉(zhuǎn)中心重合，像面曲率為正，前置鏡組各視場(chǎng)主光線需設(shè)定邊界條件使其與一次像面法線重合。圖2所示為像面為正曲率半徑的像方掃描光學(xué)系統(tǒng)示意圖。

相比與物方掃描，像方掃描減輕了系統(tǒng)體積及重量，但二維回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)依然承擔(dān)了較大載荷，因此限制了掃描速度。

2.4擺鏡對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響分析

為了進(jìn)一步降低二維回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的載荷，增加掃描速度，在像方掃描光學(xué)系統(tǒng)中加入擺鏡，目的是只通過擺鏡的二維運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)前置鏡組大視場(chǎng)的掃描。擺鏡旋轉(zhuǎn)速度快，不需要大型回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，無大載荷，因此跟傳統(tǒng)像方掃描光學(xué)系統(tǒng)相比重量更輕，體積更小。但擺鏡的加入使光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的邊界條件更加嚴(yán)格。

由于系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)組件只有擺鏡，因此從一次像面到擺鏡之間不能有鏡片，否則轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)擺鏡與透鏡一起轉(zhuǎn)動(dòng)，增大回轉(zhuǎn)的慣量。加入擺鏡后，系統(tǒng)同樣有兩種結(jié)構(gòu)形式。

(1)若回轉(zhuǎn)中心在前置鏡組像方，則前置鏡組出瞳與一次像面之間無鏡片，即孔徑光闌與出瞳重合，與擺鏡回轉(zhuǎn)中心重合，而此時(shí)，由于孔徑光闌距離前置鏡組第一片鏡較遠(yuǎn)，導(dǎo)致前置鏡組口徑較大，沒有起到縮小體積的作用。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

(2)若回轉(zhuǎn)中心在成像鏡組物方，則成像鏡組光學(xué)系統(tǒng)入瞳在鏡組之外，在一次像面的回轉(zhuǎn)中心處，對(duì)于制冷型光學(xué)系統(tǒng)，主光線與光軸分別在一次像面曲率中心和冷光闌處有兩交點(diǎn)，因此成像鏡組必為二次成像結(jié)構(gòu)。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

根據(jù)上述像方掃描形式的光學(xué)系統(tǒng)原理，在基本形式的像方掃描光學(xué)系統(tǒng)中加入擺鏡，并將回轉(zhuǎn)中心放置在一次像面之后，設(shè)計(jì)帶擺鏡的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)如下：

(1) 光學(xué)系統(tǒng)瞬時(shí)圓視場(chǎng)：2ω=±6.4°；

(2) 掃描視場(chǎng)：θ=±15°；

(3) 瞬時(shí)視場(chǎng)對(duì)應(yīng)的焦距：f=54.8mm。

設(shè)計(jì)時(shí)考慮到系統(tǒng)對(duì)尺寸、重量的要求，將回轉(zhuǎn)中心放置在成像鏡組物方，經(jīng)過多次計(jì)算，均衡設(shè)計(jì)難度，選擇一次像面曲率半徑為75mm。前組像方F數(shù)2.5。后組倍率為0.8。

4 設(shè)計(jì)結(jié)果

經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化，得到最終光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，各視場(chǎng)成像質(zhì)量如圖5所示。

由圖5，折轉(zhuǎn)后系統(tǒng)總長(zhǎng)度小于300mm，成像質(zhì)量在全視場(chǎng)范圍內(nèi)MTF@16lp≥0.5，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果，重量較物方掃描方式減小了50%，二維回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)載荷由原來的3kg減小到0.5kg，因此大大增加了掃描速度。表1為像方掃描形式的光學(xué)系統(tǒng)與物方掃描光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比。

序號(hào)項(xiàng)目物方掃描像方掃描1體積Φ300×500Φ200×3502總質(zhì)量15kg7．5kg3掃描視場(chǎng)±15°±15°4瞬時(shí)視場(chǎng)±6．4°±6．4°

6 結(jié)束語

通過對(duì)像方掃描成像特性的分析，給出像方掃描光學(xué)系統(tǒng)的兩種基本形式，并在此基礎(chǔ)上加入擺鏡，討論了加入擺鏡后光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度及設(shè)計(jì)特點(diǎn)，最后，設(shè)計(jì)出帶擺鏡的像方掃描形式的中波紅外光學(xué)系統(tǒng)，成像質(zhì)量良好。其與物方掃描形式相比具有尺寸小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在滿足使用要求的前提下，大大節(jié)省了系統(tǒng)空間。但本系統(tǒng)仍存在部分難點(diǎn)需解決，如多系統(tǒng)之間的聯(lián)合裝調(diào)，以及對(duì)振動(dòng)環(huán)境的適應(yīng)性等，還需進(jìn)一步解決。

[1] 孫露露，劉春華，張鵬，潘枝峰，陳建發(fā)．像方掃描機(jī)制的紅外成像制導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．電光與控制,2014,21(2):65～68.

[2] 楊爭(zhēng)，周偉，徐惠忠．紅外成像系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用前景[J]．紅外與激光工程,2008,38(S2):691～694．

[3] 黃培康，袁起，朱振福，等． 光學(xué)精確制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]． 紅外與激光工程,2007,37(S2):1～6．

[4] 趙超，楊號(hào)．紅外制導(dǎo)的發(fā)展趨勢(shì)及其關(guān)鍵技術(shù)[J]．電光與控制,2008,15(5):48～53.

DesignofImageSpaceScanningSystemwithTiltMirrorforCooledMediumWaveInfraredOpticalSystem

LIN Sen1CAI Wei2WEI Xiao-lin1CHANG Hong1

(1. Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology，Beijing 100076，China； 2. Beijing Aerospace Automatic Control Institute，Beijing 100039，China)

In basic form of image space scanning optical system, the complex rotating mechanism is necessary for driving the lens to do two-dimensional scanning, thus the bearing load on the rotating mechanism is large. The basic form of image space scanning system is analyzed，and a new form of scanning is proposed ,in which a tilt mirror is added. The new system has the advantages of much smaller load on the rotating mechanism, higher scanning speed, more simple structure and smaller size. With the tilt mirror added, the image space scanning optical system has new restriction as well as original characters. The new form of image space scanning system is discussed, the design condition and method are proposed，and the design of an image space scanning system with wide FOV is introduced.

Image space scanning Medium wave Tilt mirror Optical system

2015-10-12，

2016-08-18

中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院創(chuàng)新基金項(xiàng)目。

林森(1986-)，男，工程師，主要研究方向：光學(xué)工程。

1000-7202(2017) 04-0016-04

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.04.04

P225.2

A