楊克君，楊 振，張 勇，郭鑫民，胡海力，張建隆

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院·哈爾濱·150001； 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 可調(diào)諧激光技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·哈爾濱·150080； 3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 光電子信息科學(xué)與技術(shù)系·哈爾濱·150080)

0 引 言

無(wú)人機(jī)因具有體積小、造價(jià)低、使用方便靈活、戰(zhàn)場(chǎng)生存能力較強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在軍民領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-7]，并將在未來(lái)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)偵察與作戰(zhàn)、郵件快遞投送、智慧城市等領(lǐng)域中產(chǎn)生更大的應(yīng)用價(jià)值[8]。采用先進(jìn)的光電有效載荷，對(duì)于增強(qiáng)無(wú)人機(jī)任務(wù)完成能力并最大限度地實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)數(shù)字化、提高其他武器系統(tǒng)的效能而言具有非常重要的推動(dòng)作用。同時(shí)，隨著未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)信息化、網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代的到來(lái)，作戰(zhàn)對(duì)信息的依賴程度也達(dá)到了頂峰。一個(gè)完整的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)主要包括無(wú)人飛行器平臺(tái)、有效載荷、數(shù)據(jù)鏈、操作員、控制單元、顯示器等。其中，光電有效載荷承擔(dān)著獲取原始目標(biāo)及環(huán)境信息的重要職責(zé)，其所獲取的信息質(zhì)量將在很大程度上影響對(duì)后續(xù)組成的判斷和整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。因此，無(wú)人機(jī)光電載荷在整個(gè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中扮演著無(wú)人機(jī)“眼睛”的角色，其性能的高低直接決定著其任務(wù)完成質(zhì)量。

美國(guó)高度重視無(wú)人機(jī)機(jī)載光學(xué)相機(jī)的研制，采用先進(jìn)的光學(xué)設(shè)計(jì)理念、新材料、高性能器件不斷提升相機(jī)的研制水平，并且優(yōu)先將其應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。由美國(guó)軍工大戶洛克希德·馬丁公司研制的Sniper 先進(jìn)瞄準(zhǔn)吊艙(Advanced Targeting Pod，ATP)具有較高的信息傳輸能力，可為駕駛員提供精確的目標(biāo)瞄準(zhǔn)能力。Sniper ATP的光學(xué)系統(tǒng)采用了共孔徑設(shè)計(jì)，所有光學(xué)傳感器都共用一個(gè)孔徑，可有效削減吊艙體積。吊艙前端的光學(xué)頭罩采用特殊設(shè)計(jì)的楔形結(jié)構(gòu)，有效提升了吊艙的高速飛行適應(yīng)性，減少了吊艙在高速飛行時(shí)由氣流和頭罩摩擦而產(chǎn)生的較高氣動(dòng)熱。該吊艙集成了中波前視紅外相機(jī)、雙波段激光器、CCD可見(jiàn)光相機(jī)、激光光斑跟蹤儀和激光指示器，目標(biāo)確認(rèn)距離為第一代吊艙的4倍，吊艙可在超過(guò)15km的距離之外精確識(shí)別目標(biāo)。值得注意的是，該吊艙的設(shè)計(jì)是未來(lái)大型高速無(wú)人機(jī)光學(xué)載荷技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。高速無(wú)人機(jī)要求光學(xué)載荷具備與無(wú)人機(jī)相匹配的氣動(dòng)保形設(shè)計(jì)，同時(shí)也滿足小窗口、大視場(chǎng)的成像要求，以確保實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的遠(yuǎn)距離精確識(shí)別。

國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)光電吊艙整體水平較國(guó)外存在一定差距，這主要表現(xiàn)在光電吊艙小型化、輕量化、高精度、高集成度設(shè)計(jì)等方面。國(guó)內(nèi)吊艙大都采用常規(guī)物方掃描的傳統(tǒng)體制進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)研制，系統(tǒng)體積和質(zhì)量較大。而針對(duì)基于像方掃描技術(shù)的光學(xué)成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與性能研究，國(guó)內(nèi)則初步開(kāi)始著手進(jìn)行，該系統(tǒng)在實(shí)際工程應(yīng)用中暫未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

2012年，鄧鍵[9]基于顯微攝影的成像原理，研究了像方掃描，以擴(kuò)大視場(chǎng)的途徑，并建立了一個(gè)二次成像的設(shè)計(jì)模型。2017年，林森等人[10]設(shè)計(jì)了帶有擺鏡的制冷型中波紅外像方掃描光學(xué)系統(tǒng)，得出的結(jié)論是在系統(tǒng)掃描視場(chǎng)和瞬時(shí)視場(chǎng)相等的條件下，像方掃描在減小系統(tǒng)體積和減輕系統(tǒng)總質(zhì)量方面具備較大的優(yōu)勢(shì)。2018年，電子科技大學(xué)的曾欽勇[11]研究了基于快速放射鏡的宏微二級(jí)復(fù)合穩(wěn)定平臺(tái)控制和步進(jìn)凝視掃描技術(shù)，大幅提升了平臺(tái)的穩(wěn)定精度和成像質(zhì)量。同年，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所的陳超帥[12]設(shè)計(jì)了一套紅外面陣搜索系統(tǒng)像移補(bǔ)償方案，提出了連續(xù)掃描凝視補(bǔ)償?shù)某上穹绞?，采用像方掃描平行光補(bǔ)償技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償反射鏡的高幀頻、大擺角運(yùn)動(dòng)。

綜上所述，不斷拓展的在軍民領(lǐng)域中的巨大的應(yīng)用前景也對(duì)無(wú)人機(jī)偵察系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性能和偵察性能提出了更高要求，這就要求無(wú)人機(jī)光電載荷進(jìn)一步向小型化、輕量化方向發(fā)展。無(wú)人機(jī)超聲速、高機(jī)動(dòng)飛行性能的提升，要求相應(yīng)的無(wú)人機(jī)載荷具有更強(qiáng)的抗過(guò)載能力與快速成像能力。然而，無(wú)人機(jī)高速化卻惡化了其光電載荷的工作條件，使得光學(xué)成像系統(tǒng)的分辨率水平提升對(duì)其視軸抖動(dòng)更加敏感，這兩者成為了一對(duì)矛盾體。此外，由無(wú)人機(jī)高速化造成的氣動(dòng)熱效應(yīng)要求光學(xué)成像系統(tǒng)以較小的紅外窗口實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)角的成像效果，這就對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(其中主要包括大視場(chǎng)設(shè)計(jì)、無(wú)熱化設(shè)計(jì)、成像光路優(yōu)化、噪聲抑制等)提出了更高的要求，同時(shí)也對(duì)光學(xué)載荷的光軸指向精度控制提出了更高要求。

基于像方掃描原理設(shè)計(jì)的光學(xué)成像系統(tǒng)，具有同等條件下徑向尺寸最小、體積小、運(yùn)動(dòng)負(fù)載質(zhì)量小、可消除圖像運(yùn)動(dòng)模糊、可縮短目標(biāo)搜索時(shí)間等顯著特點(diǎn)。高速無(wú)人機(jī)目前面臨著采用較小的紅外窗口難以實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)成像的問(wèn)題。

因此，本文提出了一種新型的、基于旋轉(zhuǎn)雙光楔的像方掃描大視場(chǎng)成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)由前置大視場(chǎng)望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組、成像光學(xué)鏡組和雙光楔掃描器三部分組成，降低了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。所設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量高(全視場(chǎng)MTF>0.42@33(lp/mm))，像點(diǎn)集中度好，基本接近衍射極限。相比傳統(tǒng)的掃描光學(xué)系統(tǒng)，本文采用了旋轉(zhuǎn)雙光楔掃描器設(shè)計(jì)，可避免像旋的產(chǎn)生，在保證各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)不變的前提下，能夠有效縮小光學(xué)系統(tǒng)的徑向尺寸，可滿足無(wú)人機(jī)在未來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化和小型化的應(yīng)用需求，具有良好的應(yīng)用前景。同時(shí)，該技術(shù)可推廣至高速列車、衛(wèi)星光學(xué)載荷等多個(gè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的大視場(chǎng)成像，為我國(guó)軍民兩用相關(guān)領(lǐng)域提供重要的技術(shù)支撐。

1 像方掃描成像技術(shù)原理及特點(diǎn)分析

1.1 像方掃描成像技術(shù)原理

傳統(tǒng)掃描通常采用光學(xué)系統(tǒng)整體旋轉(zhuǎn)或依靠光學(xué)元件的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成，技術(shù)成熟，被廣泛應(yīng)用于遙感、制導(dǎo)、偵察探測(cè)等領(lǐng)域[13]。其優(yōu)點(diǎn)是光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成像質(zhì)量高；缺點(diǎn)是占用空間較大，比較笨重，窗口的尺寸對(duì)掃描范圍形成了很大約束，窗口尺寸過(guò)大不利于載體速度的提高。

像方掃描成像技術(shù)是近年來(lái)在傳統(tǒng)掃描成像技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型掃描成像技術(shù)，利用大視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)將掃描視場(chǎng)范圍內(nèi)的成像光束經(jīng)前置光學(xué)系統(tǒng)匯聚成像，形成大尺寸的中間像面。通過(guò)掃描機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，將中間像面的一部分投射給成像光學(xué)系統(tǒng)而形成瞬時(shí)視場(chǎng)圖像。掃描機(jī)構(gòu)與成像光學(xué)系統(tǒng)可分時(shí)將中間像面的不同區(qū)域依次成像，完成掃描功能，其光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

(b)掃描中心視場(chǎng)

(c)掃描下邊緣視場(chǎng)圖1 像方掃描成像原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of image side scanning imaging principle

基于像方掃描技術(shù)的成像系統(tǒng)的工作過(guò)程為：前置大視場(chǎng)光學(xué)鏡組接收由物方場(chǎng)景出射的光束，光束經(jīng)透鏡折射后匯聚，形成中間像面，中間像面包含掃描視場(chǎng)范圍內(nèi)的全部景象信息；成像光學(xué)鏡組是一個(gè)小視場(chǎng)投影鏡頭，其以前置大視場(chǎng)光學(xué)鏡組所形成的中間像面為物面，將其中的一部分場(chǎng)景再次成像。探測(cè)器與成像光學(xué)鏡組固連，探測(cè)器光敏面與成像光學(xué)鏡組像面重合，成像光束匯聚到探測(cè)器光敏面上形成與瞬時(shí)視場(chǎng)對(duì)應(yīng)的圖像；掃描器在運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，按照一定規(guī)律調(diào)整成像光學(xué)鏡組的光軸指向，將中間像面上的場(chǎng)景信息分時(shí)傳遞給成像光學(xué)鏡組，從而完成掃描。像方掃描成像光學(xué)系統(tǒng)的工作示意圖如圖2所示。

圖2 像方掃描成像光學(xué)系統(tǒng)的工作示意圖Fig.2 Schematic diagram of image side scanning imaging optical system

1.2 像方掃描成像光學(xué)結(jié)構(gòu)的形式及特點(diǎn)分析

基于像方掃描技術(shù)的光學(xué)系統(tǒng)主要有以下四種結(jié)構(gòu)形式：擺鏡掃描光學(xué)結(jié)構(gòu)、球形像面二軸掃描光學(xué)結(jié)構(gòu)，以及由上述兩種結(jié)構(gòu)組合而成的掃描光學(xué)結(jié)構(gòu)等。表1對(duì)比了不同像方掃描光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式之間的差異。

表1 像方掃描光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式對(duì)比Tab.1 Comparison of the structure for the image side scanning optical system

平行光路擺鏡像方掃描光學(xué)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為：只有擺鏡為運(yùn)動(dòng)部件，其余部分固定不動(dòng)，可降低運(yùn)動(dòng)負(fù)載，有利于提高掃描速度；缺點(diǎn)是望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，掃描視場(chǎng)范圍較小(一般在30°～40°左右，入瞳口徑Ф為40mm時(shí))。另外，由于光線經(jīng)擺鏡反射，光路折轉(zhuǎn)，橫向空間尺寸較大。

匯聚光路擺鏡像方掃描光學(xué)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為，其內(nèi)部只有擺鏡為運(yùn)動(dòng)部件，運(yùn)動(dòng)負(fù)載小；其缺點(diǎn)是擺鏡在掃描過(guò)程中，其像面位置發(fā)生變化，產(chǎn)生離焦，因此掃描視場(chǎng)范圍較小，一般在10°以下。此外，其同樣也存在橫向空間尺寸較大的缺點(diǎn)。

球形像面掃描光學(xué)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：運(yùn)動(dòng)負(fù)載較小，通過(guò)小角度轉(zhuǎn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)大范圍掃描，沒(méi)有像旋產(chǎn)生；缺點(diǎn)是物鏡組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成像質(zhì)量較低，掃描視場(chǎng)范圍較小，系統(tǒng)裝調(diào)難度大。此外，當(dāng)中間像面曲率為零(即中間像面為平面)時(shí)，掃描機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)變化為平移運(yùn)動(dòng)，通過(guò)耦合鏡組和探測(cè)器平移實(shí)現(xiàn)掃描功能。掃描機(jī)構(gòu)通過(guò)平移運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行掃描，在振動(dòng)量級(jí)較大的環(huán)境條件下，容易出現(xiàn)圖像抖動(dòng)現(xiàn)象。系統(tǒng)隔離度較差，導(dǎo)致圖像清晰度下降。

組合式掃描結(jié)構(gòu)[14]，即擺鏡與球形像面組合的掃描形式。其優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)部件為擺鏡，運(yùn)動(dòng)負(fù)載小，缺點(diǎn)是系統(tǒng)過(guò)于復(fù)雜，掃描視場(chǎng)范圍小，裝調(diào)難度大。

本文提出了基于旋轉(zhuǎn)雙光楔的新型像方掃描方式，此種掃描方式的優(yōu)點(diǎn)是可以有效減小窗口尺寸，在掃描過(guò)程中不產(chǎn)生像旋；系統(tǒng)徑向尺寸小，適用于狹長(zhǎng)安裝空間的要求。其缺點(diǎn)是：系統(tǒng)長(zhǎng)度較長(zhǎng)，與其他掃描形式相比長(zhǎng)度增加了20%～50%；雙光楔掃描器的旋轉(zhuǎn)速度與掃描角度為非線性關(guān)系，掃描運(yùn)動(dòng)控制難度較大。

本文采用基于旋轉(zhuǎn)雙光楔的新型像方掃描方式，主要解決了高速無(wú)人機(jī)在平臺(tái)小窗口約束條件下實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)掃描的問(wèn)題。與擺鏡掃描形式相比，其可消除像旋影響，增大掃描視場(chǎng)；與球形像面形式相比，其可降低設(shè)計(jì)難度。

本文所采用的基于旋轉(zhuǎn)雙光楔的新型像方掃描紅外成像技術(shù)方法未見(jiàn)公開(kāi)報(bào)道。該系統(tǒng)相比傳統(tǒng)物方掃描，可在保持搜索范圍不變的基礎(chǔ)上減小窗口尺寸至原有尺寸的2/3以下；相比擺鏡像方掃描方式，該系統(tǒng)不產(chǎn)生像旋，徑向尺寸可減小30%以上；相比球形像面像方掃描方式，其徑向尺寸可減小20%以上。同時(shí)，由于該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)瞳窗耦合設(shè)計(jì)，可有效減小窗口尺寸，因此其有望解決某些高速飛行器掃描成像范圍大與窗口尺寸小之間的矛盾。

2 基于旋轉(zhuǎn)雙光楔的像方掃描成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

為減小無(wú)人機(jī)光學(xué)載荷的窗口尺寸，滿足氣動(dòng)外形的要求，本文提出了一種基于旋轉(zhuǎn)雙光楔的像方掃描光學(xué)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)動(dòng)雙光楔像方掃描光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The optical structure diagram of image side scanning with rotating double wedge

轉(zhuǎn)動(dòng)雙光楔像方掃描光學(xué)結(jié)構(gòu)由前置望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)、雙光楔掃描器及成像光學(xué)鏡組組成。其中，前置望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)為一大視場(chǎng)望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)，其將掃描視場(chǎng)范圍的光束匯聚后再準(zhǔn)直，成像光學(xué)系統(tǒng)為一小視場(chǎng)光學(xué)成像系統(tǒng)。雙光楔掃描器中的兩個(gè)光楔按照一定速度差繞光軸旋轉(zhuǎn)，可在固定時(shí)間間隔下將物方特定視場(chǎng)范圍的光束偏折進(jìn)成像光學(xué)鏡組，以實(shí)現(xiàn)掃描功能[15]。

前置望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)采用開(kāi)普勒望遠(yuǎn)光學(xué)結(jié)構(gòu)，由兩組正光焦度的透鏡組組成。通過(guò)改變兩透鏡組的焦距比，可實(shí)現(xiàn)角放大倍率的調(diào)整，同時(shí)可完成入瞳與窗口、出瞳與掃描器的耦合，可以滿足不同的應(yīng)用需求。成像光學(xué)鏡組采用二次成像光學(xué)結(jié)構(gòu)，通過(guò)匹配設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)與前置望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的光瞳耦合，提高冷光闌效率。

與擺鏡掃描及球形像面掃描光學(xué)結(jié)構(gòu)比較，旋轉(zhuǎn)雙光楔掃描方式具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)系統(tǒng)光軸在一條直線上，沒(méi)有空間折轉(zhuǎn)，適用于狹長(zhǎng)的安裝空間，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化；

(2)前置望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)出瞳在兩個(gè)光楔中間，使得其尺寸較小，有利于減輕運(yùn)動(dòng)負(fù)載，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輕量化的要求；

(3)掃描過(guò)程中沒(méi)有像旋，在同等尺寸掃描器件條件下，更容易實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)掃描。

2.2 光學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)及參數(shù)計(jì)算

成像光學(xué)鏡組采用二次成像光學(xué)結(jié)構(gòu)，需要根據(jù)前置大視場(chǎng)望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組來(lái)確定視場(chǎng)及入瞳口徑，并將探測(cè)器冷光闌與前置大視場(chǎng)望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組出瞳進(jìn)行耦合設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)100%的冷光闌效率，減少雜散光對(duì)圖像質(zhì)量的影響。各鏡組參數(shù)計(jì)算如下。

假定無(wú)人機(jī)的飛行高度為10km，飛行速度不小于300(m/s)，探測(cè)目標(biāo)分辨率不大于5m，探測(cè)寬度不小于10km；工作波段為3.7μm ～4.8μm；紅外探測(cè)器的參數(shù)為：像元數(shù)640×512，像元尺寸15μm，幀頻50Hz，F(xiàn)數(shù)為2。根據(jù)上述參數(shù)，可計(jì)算光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，如表2所示。

表2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.2 The design requirements of optical system

確定了掃描視場(chǎng)與瞬時(shí)視場(chǎng)后，根據(jù)下式可計(jì)算出物方掃描角度范圍為±21.665°

(1)

其中，θT為物方掃描角度，θS為掃描視場(chǎng)角，θI為瞬時(shí)視場(chǎng)角。下面，根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行前置大視場(chǎng)望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組和成像光學(xué)鏡組的設(shè)計(jì)參數(shù)分配，具體計(jì)算過(guò)程如下。

首先，系統(tǒng)焦距與前置大視場(chǎng)望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組角放大倍率及成像光學(xué)鏡組焦距滿足以下關(guān)系

(2)

根據(jù)式(1)，可得掃描器參數(shù)，如表3所示。

表3 掃描器參數(shù)Tab.3 The scanner parameters

已知系統(tǒng)焦距為30mm，物方視場(chǎng)為60°×18.3°。為降低由光楔楔角過(guò)大而帶來(lái)的色差校正難度，確定前置大視場(chǎng)望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組的角放大倍率為0.28，則掃描器掃描角度為±6.347°，入射光束角度范圍為16.67°×5.08°，出射光束角度范圍為4°×5.08°，成像光學(xué)鏡組的焦距為108mm。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，確定前置大視場(chǎng)望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)和成像光學(xué)鏡組設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)分別如表4和表5所示。

表4 前置大視場(chǎng)望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.4 The design requirements of front large field of view telescope

表5 成像光學(xué)鏡組設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.5 The design requirements of imaging optical lens group

2.3 前置大視場(chǎng)望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組設(shè)計(jì)

由表4可知，前置大視場(chǎng)望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組是一個(gè)望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)，平行光入射，平行光出射。由于窗口尺寸及成像光學(xué)鏡組入瞳耦合的約束，要求望遠(yuǎn)系統(tǒng)的入瞳及出瞳均在透鏡組的外側(cè)，且瞳距需滿足結(jié)構(gòu)安裝的需求。根據(jù)前置大視場(chǎng)望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組的設(shè)計(jì)要求，由于需要與成像光學(xué)鏡組進(jìn)行光瞳耦合設(shè)計(jì)，同時(shí)受窗口尺寸限制，需要將入瞳放置在窗口上。因此，前置大視場(chǎng)望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組選擇了開(kāi)普勒望遠(yuǎn)光學(xué)結(jié)構(gòu)。

應(yīng)用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax設(shè)計(jì)后的前置大視場(chǎng)望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組如圖4所示。設(shè)計(jì)的前置大視場(chǎng)望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組包含6片透鏡，其中透鏡材料為硅和鍺，含有3個(gè)高次非球面和1個(gè)衍射面。在常溫狀態(tài)下，系統(tǒng)的成像質(zhì)量(調(diào)制傳遞函數(shù)、系統(tǒng)點(diǎn)列圖、像面能量集中度)如圖5所示。由圖5可知，系統(tǒng)成像質(zhì)量高，中心視場(chǎng)調(diào)制傳遞函數(shù)(Modulation Transfer Function，MTF)在33(lp/mm)空間頻率下可達(dá)0.65。全視場(chǎng)范圍內(nèi)MTF>0.5@33(lp/mm)，像點(diǎn)能量集中度較好，接近衍射極限。

圖4 前置大視場(chǎng)望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of front large field of view telescope group

(a)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)曲線

(b)系統(tǒng)點(diǎn)列圖

(c)像面能量集中度圖5 前置大視場(chǎng)望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組成像質(zhì)量Fig.5 The imaging quality of the front large field of view telescope

前置大視場(chǎng)望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組的畸變和像差曲線如圖6所示。設(shè)計(jì)結(jié)果曲線顯示，各種像差得到了較好的校正，像質(zhì)滿足要求。

通過(guò)分析可知，前置大視場(chǎng)望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組成像質(zhì)量良好，在與成像光學(xué)鏡組進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)須進(jìn)行大量改動(dòng)，可降低系統(tǒng)的復(fù)雜度。因此，前置大視場(chǎng)望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組的設(shè)計(jì)符合要求。

(a)場(chǎng)曲和畸變

(b)綜合像差(Ray Fan)曲線圖6 前置大視場(chǎng)望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組畸變和像差曲線Fig.6 Distortion and aberration curves of the front large field telescope

2.4 成像光學(xué)鏡組設(shè)計(jì)

成像光學(xué)鏡組入瞳需與前置望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組瞳孔耦合，其入瞳在系統(tǒng)外部。同時(shí)，為確保探測(cè)器的冷光闌效率，減少雜散光對(duì)像質(zhì)的影響，須將出瞳與探測(cè)器冷光闌重合，因此需采用二次成像光學(xué)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)后的成像光學(xué)鏡組結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 成像光學(xué)鏡組光學(xué)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 The optical structure diagram of imaging optical lens group

由圖7可知，成像光學(xué)鏡組包含5片透鏡。其中，透鏡材料為硅、鍺和硫系玻璃，含有3個(gè)高次非球面和1個(gè)衍射面，系統(tǒng)成像質(zhì)量如圖8所示。從圖8可以看出，成像光學(xué)鏡組系統(tǒng)的MTF在33(lp/mm)空間頻率下可達(dá)0.55，全視場(chǎng)范圍內(nèi)MTF>0.4@33(lp/mm)，像點(diǎn)能量集中度較好，接近衍射極限。

(a)成像光學(xué)鏡組調(diào)制傳遞函數(shù)曲線

(b)成像光學(xué)鏡組點(diǎn)列圖

(c)像面能量集中度圖8 成像光學(xué)鏡組成像質(zhì)量Fig.8 The imaging quality for imaging optics

通過(guò)上述分析可知，成像光學(xué)鏡組的成像質(zhì)量良好，各種像差得到了較好的校正，設(shè)計(jì)符合要求。

(a)場(chǎng)曲和畸變

(b)綜合像差(Ray Fan)曲線圖9 成像光學(xué)鏡組畸變和像差曲線Fig.9 Distortion and aberration curves of imaging optics

2.5 雙光楔設(shè)計(jì)

光線經(jīng)光楔偏折如圖10所示，根據(jù)式(3)可計(jì)算光楔楔角角度

(3)

其中，n為光楔折射率，α為光楔頂角，δ為光線偏折角。

成像光學(xué)鏡組的畸變和差曲線如圖9所示。

當(dāng)兩光楔主截面平行且同向放置如圖11(a)、圖11(b)所示時(shí)，所產(chǎn)生的偏向角最大，為兩光楔偏向角之和；當(dāng)一個(gè)光楔繞光軸旋轉(zhuǎn)180°時(shí)，所產(chǎn)生的偏向角為零，如圖11(c)所示。

圖10 光線經(jīng)光楔偏折示意圖Fig.10 The diagram of light deflection through the wedge

(a)正向最大偏轉(zhuǎn)

(b) 反向最大偏轉(zhuǎn)

(c) 無(wú)偏轉(zhuǎn)圖11 雙光楔不同轉(zhuǎn)角光線偏轉(zhuǎn)特性Fig.11 The deflection characteristics of beam in the double optical wedges at different angles

當(dāng)兩光楔繞光軸相對(duì)旋轉(zhuǎn)(即一個(gè)光楔沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)ω角，另一個(gè)光楔沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)ω角)時(shí), 兩光楔產(chǎn)生的總偏向角隨角ω而變化，即

φ=2(n-1)αsinω

(4)

其中：n為光楔折射率，φ為總偏向角，α為光楔頂角，ω為光楔轉(zhuǎn)動(dòng)角。根據(jù)式(4)可計(jì)算出不同掃描角度對(duì)應(yīng)的光楔旋轉(zhuǎn)角。

根據(jù)上文前置望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)及成像光學(xué)鏡組的參數(shù)，可計(jì)算光楔的基本參數(shù)。

已知前置望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)的出射光束角度為16.67°×5.08°，其中16.67°為掃描方向，成像光學(xué)鏡組視場(chǎng)為4°×5.08°，4°為方位掃描瞬時(shí)視場(chǎng)。由此，可計(jì)算光楔對(duì)光線的最大偏折角為6.347°。

由于紅外材料對(duì)不同波長(zhǎng)光線的折射率不同，不同波長(zhǎng)光線在經(jīng)過(guò)光楔后所產(chǎn)生的偏折角度不同，存在色散現(xiàn)象，需要進(jìn)行色差補(bǔ)償。常用的色差補(bǔ)償方法是采用不同色散系數(shù)的紅外材料進(jìn)行搭配，以實(shí)現(xiàn)消除色差的要求。采用復(fù)合光楔結(jié)構(gòu)形式，選擇硅和鍺作為光楔材料，將一個(gè)光楔分解為兩個(gè)光楔。一個(gè)光楔材料為硅，另一個(gè)光楔材料為鍺，兩個(gè)光楔相對(duì)固定，組合成光楔組件。每個(gè)光楔組件承擔(dān)最大偏折角的一半，即約為3.17°，兩個(gè)光楔組件共同完成6.347°的偏折角。根據(jù)式(5)，可計(jì)算兩種材料光楔偏折角的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(5)

其中：δ為光經(jīng)過(guò)兩種材料光楔組后的總偏折角，δSi為光經(jīng)過(guò)單個(gè)硅光楔的偏折角，δGe為光經(jīng)過(guò)單個(gè)鍺光楔的偏折角，ν為紅外材料色散系數(shù)，νSi為硅色散系數(shù)(568.5)，νGe為鍺色散系數(shù)(260.4)。

應(yīng)用式(4)和式(5)計(jì)算光楔參數(shù)，所得的結(jié)果如表6所示。

表6 光楔參數(shù)表Tab.6 The table of optical wedge parameters

光楔組的外形如圖12所示。

圖12 光楔組外形示意圖Fig.12 The outline diagram of optical wedge group

應(yīng)用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax將光楔組與理想透鏡組合，評(píng)價(jià)其對(duì)成像質(zhì)量的影響，建模如圖13所示。

圖13 光楔組成像質(zhì)量分析結(jié)構(gòu)示意圖Fig.13 The structural diagram of image quality analysis for the double optical wedge

光楔組的成像質(zhì)量及色差如圖14所示。

通過(guò)上述分析，采用硅、鍺光楔組合可將色差減小至0.2μm以下，成像質(zhì)量達(dá)到衍射極限，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 光學(xué)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)與分析

在完成系統(tǒng)中的主要光學(xué)組件(前置大視場(chǎng)望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組、成像光學(xué)鏡組及雙光楔掃描器)的單獨(dú)設(shè)計(jì)優(yōu)化后，將三部分按照光瞳耦合要求進(jìn)行對(duì)接。應(yīng)用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計(jì)及像質(zhì)評(píng)價(jià)，對(duì)接后系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)如圖15所示。

(a)光楔組MTF曲線

(b)光楔組MTF曲線

(c)光楔組點(diǎn)列圖圖14 光楔組成像質(zhì)量及色差Fig.14 The imaging quality and chromatic aberration for the double optical wedge

圖15 系統(tǒng)對(duì)接示意圖Fig.15 The system docking diagram

應(yīng)用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax的多重組態(tài)功能設(shè)置光楔旋轉(zhuǎn)角度，分析在不同掃描角度下系統(tǒng)的成像質(zhì)量。根據(jù)式(2)和式(5)可計(jì)算物方掃描角度與光楔旋轉(zhuǎn)角度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如表7所示。不同掃描位置的光路圖及成像質(zhì)量如圖16所示。

表7 光楔轉(zhuǎn)角與物方掃描角度對(duì)照表Tab.7 Comparison table for the wedge angle and the object scanning angle

(a)物方0°光路圖及MTF曲線

(b)物方14.58°光路圖及MTF曲線

(c)物方21.39°光路圖及MTF曲線

(d)物方-14.58°光路圖及MTF曲線

(e)物方-21.39°光路圖及MTF曲線圖16 不同掃描位置光路圖及成像質(zhì)量Fig.16 The optical path map and imaging quality at different scanning positions

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)不同掃描位置的成像質(zhì)量進(jìn)行分析，系統(tǒng)整體調(diào)制傳遞函數(shù)在所有掃描位置MTF>0.42@33(lp/mm)，均能夠滿足使用需求。

綜上，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)各組成部分進(jìn)行設(shè)計(jì)及分析，基于旋轉(zhuǎn)雙光楔的像方掃描光學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍掃描功能，各掃描位置成像質(zhì)量可以滿足要求。本文提出的基于旋轉(zhuǎn)雙光楔的新型像方掃描方法相比傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)，可減小20%以上的徑向尺寸，可將質(zhì)量減小30%以上。該系統(tǒng)可應(yīng)用于對(duì)特定外形有特定要求的無(wú)人機(jī)光學(xué)成像探測(cè)載荷。通過(guò)窗口共形設(shè)計(jì)，可有效降低由載體高速飛行所產(chǎn)生的氣動(dòng)效應(yīng)對(duì)成像質(zhì)量的影響，提高圖像信噪比，有利于提高無(wú)人機(jī)的飛行速度。

通過(guò)對(duì)提出的基于旋轉(zhuǎn)雙光楔的新型像方掃描成像方法的研究，進(jìn)一步拓寬了現(xiàn)有像方掃描技術(shù)的應(yīng)用范圍。針對(duì)某些對(duì)窗口尺寸及安裝空間有嚴(yán)格要求的成像搜索系統(tǒng)，可以有效增加搜索范圍，提升系統(tǒng)的綜合性能，為無(wú)人機(jī)光電成像探測(cè)系統(tǒng)提供了新的技術(shù)途徑。

4 結(jié) 論

基于像方掃描原理的光學(xué)成像載荷，在確保指標(biāo)滿足要求的前提下，與傳統(tǒng)成像方式相比，具有窗口尺寸小、運(yùn)動(dòng)負(fù)載質(zhì)量小、可實(shí)現(xiàn)高速掃描等優(yōu)點(diǎn)。本文針對(duì)目前高速無(wú)人機(jī)光電載荷體積大、視場(chǎng)范圍小的問(wèn)題，提出了一種基于旋轉(zhuǎn)雙光楔的像方掃描大視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可避免像旋的產(chǎn)生。同時(shí)，相比傳統(tǒng)掃描光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用旋轉(zhuǎn)雙光楔的設(shè)計(jì)能夠使光電載荷系統(tǒng)的徑向尺寸大幅縮小，并滿足狹長(zhǎng)空間的安裝需求。

本文首先介紹了像方掃描成像技術(shù)的原理，對(duì)像方掃描光學(xué)系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析；然后，開(kāi)展了基于雙光楔掃描的大視場(chǎng)像方紅外成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。為降低系統(tǒng)復(fù)雜度及便于實(shí)際加工和裝調(diào)，將該光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)分解為前置大視場(chǎng)望遠(yuǎn)光學(xué)鏡組、成像光學(xué)鏡組和雙光楔掃描器三個(gè)子系統(tǒng),并進(jìn)行了分部設(shè)計(jì)和仿真。

本文設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)雙光楔像方掃描光學(xué)系統(tǒng)的物方視場(chǎng)范圍為±21.665°，滿足了大視場(chǎng)范圍的工作要求。在工作波段3.7μm～4.8μm范圍內(nèi)，系統(tǒng)的成像質(zhì)量高，中心視場(chǎng)MTF在33(lp/mm)空間頻率下可達(dá)0.45，全視場(chǎng)范圍內(nèi)MTF>0.42@33(lp/mm)，像點(diǎn)能量集中度較好，接近衍射極限。提出的基于旋轉(zhuǎn)雙光楔的新型像方掃描方法，相比傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)，在徑向尺寸上可減小20%以上，質(zhì)量可減小30%以上。但本文設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜程度仍然較高，未來(lái)將繼續(xù)縮小光學(xué)系統(tǒng)的整體尺寸，為實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)光學(xué)載荷的小型化、輕量化提供技術(shù)支撐，并拓展其應(yīng)用范圍。