賀祥清，廖小軍，段 媛，張灝燁

激光/紅外共孔徑無熱化緊湊型光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

賀祥清1,2，廖小軍1,2，段 媛1,2，張灝燁1,2

（1. 四川長九光電科技有限責(zé)任公司，四川 綿陽 621000；2. 四川九洲電器集團有限責(zé)任公司，四川 綿陽 621000）

基于激光測距和紅外目標探測需求，設(shè)計了激光/紅外共孔徑無熱化緊湊型光學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計如下：工作波段為1.064mm激光和7.7～9.3mm長波紅外，入瞳直徑均為120mm；激光焦距為800mm；長波紅外焦距為240mm，F(xiàn)數(shù)為2，視場為2.29°×1.83°。選擇帶有Ritchey-Chretien（RC）反射系統(tǒng)的折反式光學(xué)布局，縮短系統(tǒng)縱向尺寸。光學(xué)系統(tǒng)共用主鏡和次鏡，利用次鏡實現(xiàn)激光和紅外分光。長波紅外采用二次成像結(jié)構(gòu)，達到100%冷光闌效率。通過選擇合適的光學(xué)材料、結(jié)構(gòu)材料和合理分配光焦度，實現(xiàn)了光學(xué)被動式消熱差。在－50℃～＋70℃范圍內(nèi)，激光接收能量集中度高，長波紅外成像質(zhì)量良好，滿足實際使用需求。

光學(xué)設(shè)計；激光測距；紅外成像；共孔徑；被動式消熱差；緊湊型

0 引言

紅外搜索跟蹤（Infrared search and track，IRST）系統(tǒng)在夜視、高精度跟蹤和反隱身等方面具有明顯的優(yōu)勢，已成為高技術(shù)軍事裝備發(fā)展的一個重點[1-2]。紅外搜索跟蹤系統(tǒng)常配置紅外熱像儀和激光測距機等光電傳感器，可對目標進行搜索、截獲、跟蹤和激光測距，以實現(xiàn)對軍事目標的精確打擊。因此，世界主要軍事強國的機載、車載和艦載等武器裝備都配備了激光測距和紅外成像系統(tǒng)。

1.064mm和1.57mm激光測距技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，已成熟并在軍事上得到廣泛的應(yīng)用。紅外成像系統(tǒng)是通過收集目標的紅外輻射而實現(xiàn)對目標的探測。紅外輻射有中波3～5mm和長波8～12mm兩個大氣窗口，3～5mm波段一般用于搜索溫差較大的目標，8～12mm一般用于搜索溫差較小的目標，中波和長波紅外具有各自的優(yōu)點，可根據(jù)目標特性和具體的使用條件進行合理選擇[3]。

基于紅外搜索跟蹤系統(tǒng)在激光測距和紅外目標探測方面的需要，激光/紅外復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)得到了高度重視。文獻[4]報道了激光/紅外共光路無熱化光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，該系統(tǒng)采用1.57mm激光和3～5mm中波共光路，中波紅外焦距為150mm，F(xiàn)數(shù)為2，全視場為4.2°，在－50℃～＋70℃范圍內(nèi)實現(xiàn)了無熱化設(shè)計。文獻[5]報道了中波紅外/激光雙模導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)小型化設(shè)計，采用3～5mm中波和1.06mm激光共光路，中波紅外入瞳直徑為75mm，焦距為150mm，全視場為4°；激光發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)焦距為16.67mm，口徑為7.52mm；激光接收系統(tǒng)焦距為130mm，口徑為75mm；該系統(tǒng)采用卡塞格林結(jié)構(gòu)，易于實現(xiàn)小型化。

本文根據(jù)實際的使用需求，設(shè)計了一套激光/紅外共孔徑無熱化緊湊型光學(xué)系統(tǒng)，工作波段為激光1.064mm和長波7.7～9.3mm，激光選用APD（Avalanche Photodiode）探測器，長波紅外選用320×256像元制冷型探測器。該系統(tǒng)采用共孔徑設(shè)計，實現(xiàn)大口徑、大視場探測目標，具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕等優(yōu)點；進行無熱化設(shè)計，保證系統(tǒng)在－50℃～＋70℃溫度范圍內(nèi)，以實現(xiàn)1.064mm激光測距和7.7～9.3mm紅外成像。

1 設(shè)計原理

為設(shè)計出滿足要求的激光/紅外共孔徑光學(xué)系統(tǒng)，在光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式、冷光闌匹配、無熱化等方面進行了設(shè)計。

1.1 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

為縮短光學(xué)系統(tǒng)的總長度，實現(xiàn)緊湊型激光/紅外共孔徑光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇就變得至關(guān)重要[6]。常用光學(xué)系統(tǒng)主要有以下幾種結(jié)構(gòu)形式：折射式、反射式和折反式。折射式系統(tǒng)是最常用的光學(xué)系統(tǒng)，可以達到較大的視場和相對孔徑，但折射系統(tǒng)透射的紅外材料較少，在設(shè)計激光/紅外這種間隔較大的雙波段大口徑光學(xué)系統(tǒng)時，校正二級色差難度較大。反射式系統(tǒng)一般有共軸反射和離軸三反結(jié)構(gòu)，共軸反射視場較小，且有中心遮擋，離軸反射系統(tǒng)的視場比共軸反射系統(tǒng)大，但其像差校正和加工、裝調(diào)難度較大。折反式系統(tǒng)是將反射鏡和校正透鏡組相結(jié)合的光學(xué)系統(tǒng)，為了得到較大的視場和校正球差及彗差，Ritchey和Chretien提出了改進的卡塞格林式系統(tǒng)，即RC系統(tǒng)[7]，根據(jù)設(shè)計需要可在像面之前加入校正透鏡組。比較這3種結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點，本文選擇帶有RC反射系統(tǒng)的折反式光學(xué)系統(tǒng)。

本光學(xué)系統(tǒng)采用激光接收和長波紅外接收在RC反射系統(tǒng)前端望遠部分共光路的方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，實用性較強，激光紅外波段共用RC反射系統(tǒng)，之后由分色鏡分成激光和長波紅外兩個波段，兩波段再采用折射式系統(tǒng)，分別校正像差。

1.2 實現(xiàn)100%冷光闌效率

長波紅外光學(xué)系統(tǒng)采用320×256制冷探測器件，為了對雜散熱輻射的抑制，必須考慮探測器的冷光闌[8]。光瞳銜接原則決定了光學(xué)系統(tǒng)的出瞳位置和大小，為滿足100%冷光闌效率，需保證光學(xué)系統(tǒng)的出瞳與探測器冷光闌相匹配。大視場成像系統(tǒng)的有效焦距通常較短，為了保證足夠的工作距離，可采用二次成像構(gòu)型[9]。一方面，一次成像系統(tǒng)為了實現(xiàn)冷光闌匹配，必然使得制冷型紅外光學(xué)系統(tǒng)的徑向口徑過大，因此為了減小系統(tǒng)徑向尺寸，可在一次像面后方追加二次成像結(jié)構(gòu)。另一方面，二次成像結(jié)構(gòu)對于校正光學(xué)像差會相對容易，光學(xué)系統(tǒng)第一組態(tài)負責(zé)系統(tǒng)的光焦度，第二組態(tài)負責(zé)二次成像，并配合平衡殘余像差。

1.3 無熱化設(shè)計

當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時，光學(xué)元件的尺寸（曲率半徑、厚度）和折射率以及光學(xué)元件之間的間隔均會發(fā)生改變，這些變化會導(dǎo)致不同溫度條件下的成像質(zhì)量變差，因為需要對光學(xué)系統(tǒng)進行消熱差[10-11]。目前消熱差的方法主要有以下3種：①機械主動式補償；②機械被動式補償；③光學(xué)被動式補償。機械主動式和機械被動式是兩種比較傳統(tǒng)的方法，但是這兩種方法都引入了補償裝置，系統(tǒng)重、體積大、可靠性和環(huán)境穩(wěn)定性也不好。而光學(xué)被動式方法利用光學(xué)材料及結(jié)構(gòu)材料熱特性之間的差異進行相互補償來實現(xiàn)無熱化設(shè)計，具有結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕，系統(tǒng)可靠性高等優(yōu)點。本文系統(tǒng)要求做到結(jié)構(gòu)緊湊和體積小，所以選用光學(xué)被動補償?shù)姆绞健?/p>

透鏡光焦度隨溫度變化表示為[12]：

式中：為透鏡的光焦度；g為透鏡材料的熱膨脹系數(shù)；d/d為透鏡材料的折射率溫度系數(shù)。多數(shù)情況下，焦距隨溫度變化而減小，公式常寫成D＝D，為透鏡材料的光熱膨脹系數(shù)：

光學(xué)系統(tǒng)相對像面的焦移需考慮鏡筒隨溫度的變化：

式中：D為光學(xué)系統(tǒng)焦距的變化量；mount為結(jié)構(gòu)材料的線膨脹系數(shù)。

這里Ritchey-Chretien作為物鏡組，主、次鏡采用相同的基底材料，支撐結(jié)構(gòu)件選用與其熱膨脹系數(shù)相同或相近的材料，保證光學(xué)零件和機械零件均勻地膨脹和收縮，則主次鏡的熱離焦量接近零。

目鏡組的消熱化設(shè)計必須同時滿足光焦度、消色差和消熱差的要求，通常需要3種不同材料的組合才能實現(xiàn)光學(xué)消熱。假設(shè)3片鏡由一片單透鏡和一組雙膠合透鏡組成，那么必須滿足以下3個方程：

式中：1、2、3為第一近軸光線在各透鏡的高度；1、2、3為透鏡的光焦度；為系統(tǒng)的總光焦度；1、2、3為光學(xué)材料的阿貝數(shù)；1、2、3為光學(xué)材料的光熱膨脹系數(shù)。設(shè)計時，先通過求解方程組得到系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)，然后利用光學(xué)設(shè)計軟件對其進行優(yōu)化設(shè)計，得到消熱差激光和長波紅外光學(xué)系統(tǒng)的最終結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 技術(shù)指標

根據(jù)激光測距距離和紅外探測距離要求，計算了激光接收和長波紅外光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)指標，見表1。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 光路布局

由于激光紅外共孔徑光學(xué)系統(tǒng)要求結(jié)構(gòu)尺寸盡量緊湊，本文選擇帶有RC反射系統(tǒng)的折反式光學(xué)系統(tǒng)，結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果，采取“П”型布局。將長波紅外光學(xué)系統(tǒng)通過兩個平面反射鏡進行兩次折轉(zhuǎn)，成像于RC反射系統(tǒng)的側(cè)面；激光接收光路經(jīng)主、次鏡反射后，激光接收焦面會聚于主反射鏡背面。采用光機結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計，將激光接收和長波紅外光路的光學(xué)零件和探測器組件安裝在同一基座上，精密調(diào)校兩個光路的主光軸，保證了兩個光軸的一致性，也提高了光學(xué)系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)能力。

2.2.2 光學(xué)材料選擇

1.064mm激光接收波段，可用的光學(xué)玻璃材料比較多，設(shè)計自由度大，像差校正相對容易。本文選取K9、SF3、SF4進行激光接收光學(xué)系統(tǒng)的像差校正。

在長波紅外波段（8～12mm）可用的光學(xué)材料非常有限且價格昂貴，這大大增加了長波紅外光學(xué)系統(tǒng)的像差校正難度，同時也限制了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計時的自由度。長波波段常用的紅外材料有GaAs、Ge、ZnS、ZnSe、AMTIR1、CaF2等?？紤]到材料的化學(xué)穩(wěn)定性、光加性能和鍍膜性能，本文選取Ge、ZnS、ZnSe、AMTIR1進行長波紅外光學(xué)系統(tǒng)的像差校正，其光學(xué)性能[12]見表2。

表2 紅外材料的光學(xué)性能

2.2.3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示，采用“П”型布局，引入長波折疊反射鏡縮短了系統(tǒng)的縱向尺寸，使得系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，滿足安裝尺寸要求。光學(xué)系統(tǒng)前端為改進的卡塞格林反射系統(tǒng)，即RC系統(tǒng)，主鏡尺寸較大，為方便光學(xué)加工和鍍膜，主鏡材料選擇融石英，次鏡材料為Ge，次鏡同時承擔(dān)了分色鏡的作用，次鏡的第一面反射1.064mm激光，透射長波紅外，鍍制長波通分色膜。經(jīng)過次鏡分色后，激光接收和長波紅外分為兩個光路，便于校正光學(xué)像差。

長波紅外光學(xué)系統(tǒng)由前端望遠系統(tǒng)和后端紅外成像鏡頭組成。前端望遠系統(tǒng)包含主鏡、次鏡組和一片準直透鏡。其中次鏡組第一個透鏡Ge的第一表面作為激光/紅外分色面，反射激光，透射長波，次鏡組采用兩片式結(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)光焦度的貢獻分別為負、正，采用Ge和AMTIR1兩種材料校正中間像面的像差。由于殘余像差不大，準直透鏡使用一片球面Ge透鏡可以實現(xiàn)系統(tǒng)的準直。望遠系統(tǒng)采用光機配合消熱設(shè)計，結(jié)構(gòu)件盡量選用低膨脹率的材料。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為了達到100%冷光闌效率，后端紅外成像鏡頭采用二次成像結(jié)構(gòu)。對系統(tǒng)在－50℃～70℃溫度范圍內(nèi)，分析長波紅外光路的離焦量與溫度的關(guān)系。通過合理分配光焦度、選用合適的光學(xué)材料和結(jié)構(gòu)材料、使用非球面等方法來平衡像差和實現(xiàn)紅外鏡頭的光學(xué)被動消熱。前三片鏡的材料為AMTIR1、ZnS、AMTIR1，對光焦度的貢獻為正、負、正，初步校正一次像面的像差。后三片鏡的材料分別為ZnS、ZnSe、Ge，光焦度的貢獻為負、正、正，負責(zé)校正系統(tǒng)色差和熱差，其中靠近像面的Ge透鏡的第二個面為偶次高階非球面，有利于校正像差。

激光接收光學(xué)系統(tǒng)由主鏡、次鏡、二次成像鏡組組成。采用二次成像結(jié)構(gòu)，目的是在主、次鏡形成的一次像面處設(shè)置消雜光光闌，防止雜光進入。二次成像鏡組材料為常用的光學(xué)玻璃K9、SF3和SF4，其中SF3透鏡第一表面為偶次高階非球面。由于光學(xué)玻璃的折射率和線膨脹系數(shù)隨溫度變化不敏感，易于實現(xiàn)消熱化設(shè)計。

在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中引入非球面，可提高光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量、減小光學(xué)元件的數(shù)量。為了減小光學(xué)系統(tǒng)的裝配公差，并兼顧加工成本，非球面通常設(shè)置在入射角度和出射角度較小的位置。為了降低光學(xué)元件的偏心公差，保證光學(xué)系統(tǒng)的裝配精度和成像質(zhì)量，設(shè)計時只在光學(xué)元件的一個表面使用了非球面。

2.3 像質(zhì)評價

2.3.1 激光接收

1）點列圖

按照幾何光學(xué)的觀點，點列圖中點的分布可以近似地代表像點的能量分布，利用這些點的密集程度能夠衡量光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的好壞。均方根半徑值反映了光能的集中程度，與幾何最大半徑值相比，更能反映光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。如果點列圖的均方根半徑值接近或小于艾里斑半徑，則光學(xué)系統(tǒng)接近衍射極限。設(shè)計的激光接收光學(xué)系統(tǒng)點列圖如圖2所示。

從圖2可以看出，在－50℃～70℃范圍內(nèi)，激光接收光學(xué)系統(tǒng)的彌散斑半徑均方根值接近艾里斑半徑，彌散斑在APD探測器光敏面直徑0.8mm范圍內(nèi)，成像質(zhì)量接近衍射極限，消熱差后光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)滿足設(shè)計要求。

2）能量集中度

能量集中度反映了光學(xué)系統(tǒng)各個視場在探測器靶面上的能量分布情況。由光學(xué)設(shè)計軟件得到激光接收光學(xué)系統(tǒng)光斑能量隨半徑變化的分布曲線，如圖3所示。其中橫坐標為以高斯像點為中心的包容圓半徑，縱坐標為該包容圓所包含的能量。可以看出，在20℃、－50℃和70℃時，激光接收全視場下，能量集中度高，接近衍射極限。

2.3.2 長波紅外

1）調(diào)制傳遞函數(shù)

調(diào)制傳遞函數(shù)（Modulation Transfer Function，MTF）是紅外光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)評價最常用的評價指標，它能全面定量地反映光學(xué)系統(tǒng)的衍射和像差所引起的綜合效應(yīng)。圖4為長波紅外光學(xué)系統(tǒng)在20℃、－50℃和70℃時各視場的MTF曲線。由圖可見，長波紅外光學(xué)系統(tǒng)在－50℃～70℃范圍內(nèi)，在奈奎斯特頻率17lp/mm處，全視場內(nèi)的MTF均大于0.3；中心視場的MTF值接近衍射極限，MTF值大于0.4；邊緣視場的MTF值大于0.3，消熱差后光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)滿足使用要求。

2）點列圖

從圖5可以看出，長波紅外光學(xué)系統(tǒng)在－50℃～70℃范圍內(nèi)，中心視場的彌散斑半徑均方根值，小于艾里斑半徑，達到衍射極限；邊緣視場的彌散斑半徑略大于艾里斑半徑，接近衍射極限。消熱差后，長波紅外光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量良好，彌散斑大部分都在一個像元尺寸30mｍ之內(nèi)，滿足光學(xué)系統(tǒng)與紅外探測器的匹配要求。

圖4 長波紅外光學(xué)系統(tǒng)MTF

3 結(jié)論

基于紅外搜索跟蹤系統(tǒng)在激光測距和紅外目標探測方面的需求，根據(jù)理論分析，設(shè)計了一套適用于1.064mm激光測距和320×256像元的長波紅外凝視焦平面陣列探測器的共孔徑無熱化緊湊型光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用帶有RC反射系統(tǒng)的折反式光學(xué)布局和“П”型結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了光機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的緊湊性。光學(xué)系統(tǒng)共用主鏡和次鏡，利用次鏡實現(xiàn)激光和紅外分光。長波紅外采用二次成像結(jié)構(gòu)，達到100%冷光闌效率。通過合理分配光焦度、選擇合適的光學(xué)材料和結(jié)構(gòu)材料、使用非球面等方法，實現(xiàn)了光學(xué)被動式消熱差。在－50℃～70℃環(huán)境溫度下，1.064mm激光接收光學(xué)系統(tǒng)各視場彌散斑均方根半徑接近艾里斑半徑，遠小于APD探測器的敏感元直徑0.8mm，能量集中度高；7.7～9.3mm長波紅外光學(xué)系統(tǒng)在奈奎斯特頻率17lp/mm處，中心視場的MTF值大于0.4，邊緣視場的MTF值大于0.3，接近衍射極限，成像性能良好。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，可應(yīng)用于機載、車載等平臺的紅外搜索、跟蹤、識別和激光測距領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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HE Xiangqing1,2，LIAO Xiaojun1,2，DUAN Yuan1,2，ZHANG Haoye1,2

(1.,621000,;2.,621000,)

Based on requirements of laser ranging and infrared target detection, a laser/ infrared compact optical system with a common aperture and athermalization is designed. The parameters of the optical system are defined as follows: the operating waveband covers 1.064mm of laser and 7.7-9.3mm of wavelength infrared radiation (LWIR), the diameters of the two entrance pupils are 120mm; the focal length of the laser is 800 mm; the focal length of the LWIR is 240 mm, the F-number is 2, the field of view is 2.29°×1.83°. the vertical size of system is shortened by utilizing a catadioptric optical system with RC. The laser system shares the primary mirror and secondary mirror with the LWIR system. The beam splitting of the laser and LWIR is achieved by the secondary mirror. By using the double imaging configuration, the LWIR system exhibits nearly 100% efficiency of the cold stop. Optical passive athermalization is realized by choosing the appropriate optical materials, mechanical materials and assigning the optical power. In the temperature range of -50℃ to 70℃, the energy concentration of the laser receiving optical system is extremely high, and the image quality of the LWIR system is also quite good, which satisfies the requirements of practical applications.

optical design, laser ranging, infrared imaging, common aperture, passive athermalization, compact

TN216

A

1001-8891(2020)05-0461-07

2019-08-16；

2020-04-10.

賀祥清（1978-），男，高級工程師，碩士，研究方向：主要從事光學(xué)和光機系統(tǒng)方面的研究工作。E-mail: 53149928@qq.com。