賈永丹 孫建 聶云松

高光學效率可見紅外共口徑/視場離軸系統(tǒng)設計

賈永丹1,2孫建1,2聶云松1,2

（1 北京空間機電研究所，北京 100094） （2先進光學遙感技術北京市重點實驗室，北京 100094）

針對高光學效率可見紅外共口徑光學系統(tǒng)的應用需求，基于光學效率的定義分析了影響光學系統(tǒng)效率的主要因素，確定了采用離軸反射式共視場光學系統(tǒng)實現(xiàn)高光學效率的技術路線。比對了可見紅外共口徑/視場離軸光學系統(tǒng)的主流構型，提出了一種共用主次鏡的緊湊型全反射式離軸系統(tǒng)構型。給出了光學系統(tǒng)設計實例，其技術指標為：可見光通道焦距6 000mm，F(xiàn)數(shù)12.4，視場角2°×0.1°，光譜范圍400～700nm，全譜段全視場調制傳遞函數(shù)（MTF）數(shù)值在奈奎斯特頻率處（71.4線對/mm）大于0.31，相對畸變小于0.29%；紅外通道焦距1 700mm，F(xiàn)數(shù)3.5，視場角2°×0.1°，光譜范圍3～5μm，冷光闌效率100%，全視場全譜段MTF數(shù)值在奈奎斯特頻率處（33線對/mm）大于0.31，相對畸變小于0.73%。分析結果表明，同等技術指標條件下，文章所述共口徑光學系統(tǒng)紅外通道光學效率較復雜折反射式共口徑光學系統(tǒng)效率至少提升40%，可解決傳統(tǒng)離軸系統(tǒng)畸變較大的問題。

低畸變 共口徑/視場 光學效率 離軸系統(tǒng) 光學設計 光學遙感

0 引言

紅外成像用于獲取地物的溫度輻射特性，具有熱輻射識別能力強、遠距離和全天時工作等優(yōu)點[1]，是空間光學遙感偵察、去偽探測的重要手段。同等指標條件下中波紅外衍射極限分辨率高于長波紅外，并且中波紅外探測器的噪聲更小，靈敏度更高[2]，因此中波紅外光學系統(tǒng)在成像過程中能夠實現(xiàn)較高的空間分辨率和溫度分辨率[3]。但紅外圖像的清晰度與可見光圖像相比仍有較大差距，故將紅外圖像與可見光圖像融合可使同一場景的目標更為清晰，通過譜段細分亦能實現(xiàn)地物的精細識別。綜上所述，兼具可見和紅外譜段的遙感相機通過可見及紅外通道參數(shù)的差異化配置可以提高分辨率，獲得相對高的清晰度，且能夠兼顧目標的溫度分辨率。

雙波段共口徑系統(tǒng)整機較傳統(tǒng)雙相機系統(tǒng)整機大幅減小體積、降低成本[4-5]。紅外探測一般對光學系統(tǒng)的噪聲等效溫差有一定要求，對于高靈敏度系統(tǒng)而言，如果能提高光學系統(tǒng)效率，將有效減小紅外探測的工程實施難度。雙通道光學系統(tǒng)設計時，通過盡量多的共用光學元件，以達到提高光學系統(tǒng)效率的目的。但共用光學元件數(shù)量的增加，直接導致系統(tǒng)可優(yōu)化變量的減少，這與成像品質的最優(yōu)目標存在矛盾。同時，巧妙的光學系統(tǒng)設計還要考慮元件的加工性和系統(tǒng)緊湊性的要求。因此，高光學效率可見紅外共口徑共視場光學系統(tǒng)在具有上述諸多優(yōu)點的同時，也大大增加了系統(tǒng)設計難度，具有較高的研究價值。

由于本文研究的可見紅外共口徑共視場光學系統(tǒng)的成像譜段為可見光到中波紅外的較寬光譜范圍，基本無法找到既可矯正寬光譜像差又能實現(xiàn)0.5m口徑的透射式光學材料，所以無法選用透射式光學系統(tǒng)。反射式光學系統(tǒng)可分為同軸反射式和離軸反射式兩種類型。同軸反射式系統(tǒng)，存在中心遮攔，損失信噪比[6-7]。離軸反射式系統(tǒng)可規(guī)避同軸反射式系統(tǒng)存在的中心遮攔問題[8-13]，在同等系統(tǒng)指標情況下，有利于保證紅外通道的光學系統(tǒng)效率和成像品質。所以本文致力于研究高光學效率可見紅外共口徑共視場離軸反射式光學系統(tǒng)。

對于此類光學系統(tǒng)已有不少學者展開了研究，文獻[14]中介紹了一種雙視場共孔徑離軸光學系統(tǒng)，可以很好的解決大小視場共口徑應用問題。但每個通道需要6～7片紅外透鏡，導致光學系統(tǒng)效率大幅降低，并且需要通過校正鏡切入切出實現(xiàn)共口徑成像，增加了活動機構，降低了整機可靠性。文獻[15]中介紹的兩種雙波段光學系統(tǒng)，均包含8片紅外透鏡，且其系統(tǒng)體積龐大，同樣由于引入過多透射元件而使光學系統(tǒng)效率降低。文獻[16]雖然采用全反射式光學系統(tǒng)實現(xiàn)了可見紅外共口徑設計，達到了提高光學效率的目的，但可見紅外雙通道采用分視場成像的技術手段，不具備雙波段同時成像的優(yōu)勢；同時，垂直光軸方向系統(tǒng)體積偏大，增加了系統(tǒng)質量；且未見文中提及考慮紅外通道冷光闌問題，其雜散輻射光對成像品質可能存在一定影響。

本文針對高光學效率可見紅外共口徑共視場光學系統(tǒng)應用需求，對比了現(xiàn)有雙通道離軸系統(tǒng)的優(yōu)缺點，分析了該類光學系統(tǒng)的設計難點，研究了光學效率的影響因素，確定了雙波段共口徑系統(tǒng)的設計思路，提出了一種緊湊型全反射式高光學系統(tǒng)效率共口徑離軸系統(tǒng)構型，給出了可見紅外共口徑離軸反射光學系統(tǒng)設計實例，應用光學設計軟件對系統(tǒng)布局及像質進行迭代優(yōu)化。

1 設計思路

光學效率的概念常用于聚光及光纖耦合系統(tǒng)中[17-18]，后延伸到成像光學系統(tǒng)。對于透射式光學系統(tǒng)可定義為透鏡中透射光的總能量與入射到透鏡上的光能量之比，其值與透射式系統(tǒng)的光學損失密切相關[19-20]。由此可知光學效率與其光學損失密切關聯(lián)，透射元件因受到兩個透射表面的透過率及材料吸收率的雙重影響，較反射元件損失更多的光學效率。據(jù)此分析可知影響光學系統(tǒng)光學效率的主要因素為光學系統(tǒng)遮攔和透射元件數(shù)量。

基于同軸反射式系統(tǒng)存在中心遮攔損失部分光學效率的固有特點，本文選取離軸光學系統(tǒng)形式，目前離軸共口徑/共視場光學系統(tǒng)的主要型式如圖1所示。圖1（a）所示光學系統(tǒng)型式簡潔，光學效率高，但系統(tǒng)體積龐大，不利于整機質量和成本控制。在共口徑、共視場和緊湊性的多重要求下，雙通道各包含3片反射鏡的整體構型導致其能實現(xiàn)的視場角指標存在一定局限。光學系統(tǒng)焦平面結構布局從圖1（a）上看也存在一定問題。圖1（b）所示系統(tǒng)型式焦平面布局合理，但系統(tǒng)共用光學元件部分采用韋瑟雷爾（wetherell）結構、無中間像離軸三反構型，導致其沿光軸方向及垂直于光軸方向的二維方向上體積均較大，不利于實現(xiàn)緊湊性要求，并且紅外通道由于引入中繼透鏡組光學系統(tǒng)效率相對較低。圖1（c）所示系統(tǒng)型式共用光學元件部分采用柯爾施（Korsch）結構、有中間像離軸三反構型，較圖1（b）型式緊湊，但同樣由于引入中繼透鏡組而存在光學效率偏低的問題。

針對上述雙通道光學系統(tǒng)的優(yōu)缺點，本文提出一種全反射式共口徑/共視場離軸光學系統(tǒng)構型，該光學系統(tǒng)理論構型如圖2所示。

圖2 全反射式可見紅外共口徑/共視場離軸光學系統(tǒng)構型示意

可見光通道與紅外通道共用主次鏡，可見光通道光闌置于主鏡上，紅外通道光闌置于紅外探測器冷屏開口處，由此實現(xiàn)共口徑。雙通道經(jīng)過主次鏡后通過分色片分光，以此保證雙通道共視場，實現(xiàn)可見、紅外通道同時成像。經(jīng)分色片分光后可見光三鏡置于主鏡上方，實現(xiàn)可見光通道的緊湊型布局，紅外通道經(jīng)分色片分光后接紅外通道三鏡和紅外通道四鏡，避免使用紅外透鏡元件，最大限度的保證了紅外通道的光學效率。經(jīng)分析，同等技術指標條件下該種型式光學系統(tǒng)光學效率較圖1（c）所示光學系統(tǒng)效率至少提升40%，詳見2.2部分。

共口徑離軸光學系統(tǒng)為兼顧雙通道的成像品質，一般會對光學元件引入平移或傾斜變量，從而導致系統(tǒng)的對稱性損失，因此一般此類系統(tǒng)畸變較為明顯。初級畸變的分布式為

式（1）中

或者

由式（2）可知，孔徑光闌位于球心，系統(tǒng)將不產生畸變。由式（3）可知，預消除畸變需同時滿足光闌位置的正弦條件和角倍率的正切條件，即

本文所提出的全反射式共口徑/共視場離軸光學系統(tǒng)構型，顯然不滿足上述消除畸變的條件。所以該種構型方式紅外通道的紅外三鏡和紅外四鏡與可見光通道三鏡剝離，可最大限度的矯正光闌離軸帶來的非對稱像差，從而更好的矯正系統(tǒng)畸變。

2 設計實例

根據(jù)上述設計思路，給出一個光學系統(tǒng)設計實例，并據(jù)此設計實例分析光學系統(tǒng)的成像品質、畸變及光學效率。

2.1 設計指標

光學系統(tǒng)設計指標如表1所示。

表1 光學系統(tǒng)設計指標

2.2 設計結果及像質評價

根據(jù)技術指標要求，光學系統(tǒng)型式如圖2所示，按照高斯光學成像理論[21]或矢量像差理論[22-24]確定系統(tǒng)初始參數(shù)后帶入ZEMAX光學設計軟件，采用像差平衡手段對雙通道初始解進行聯(lián)合優(yōu)化，最終得到滿足技術指標要求的可見紅外共口徑共視場光學系統(tǒng)。圖3為光學系統(tǒng)整體構型圖，可見光通道由帶中間像離軸三反系統(tǒng)組成，最大限度的保證了系統(tǒng)體積及光學效率，紅外通道與可見光通道共用主次鏡，通過紅外三鏡和紅外四鏡實現(xiàn)紅外通道緊湊型布局、壓縮焦距及畸變矯正的目標。可見光通道光闌置于主鏡前方，既滿足了系統(tǒng)像差矯正要求又保證了主鏡的小口徑。紅外光學系統(tǒng)光闌置于探測器冷屏開口處，保證冷光闌效率為100%。共口徑光學系統(tǒng)最終體積約為1 300mm×1 200mm×485mm。光學系統(tǒng)結構參數(shù)如表2所示。其中各主要反射表面均為非球面表面，設計過程充分考慮了非球面的各項加工及待檢參數(shù)，保證各反射鏡參數(shù)能夠適應現(xiàn)階段光學制造水平。

圖3 光學系統(tǒng)整體構型圖

表2 光學系統(tǒng)結構參數(shù)

圖4為光學系統(tǒng)調制傳遞函數(shù)（MTF）曲線，如圖4所示，可見光通道在71.4線對/mm處全視場全譜段MTF數(shù)值大于0.31，紅外通道在33線對/mm處全視場全譜段MTF數(shù)值大于0.31，可滿足系統(tǒng)技術指標要求。

圖4 光學系統(tǒng)MTF曲線

光學系統(tǒng)相對畸變數(shù)值如表3所示，可見光通道光學系統(tǒng)最大相對畸變?yōu)?.285 0%，紅外通道光學系統(tǒng)最大相對畸變?yōu)楱C0.726 8%，滿足系統(tǒng)技術指標要求。

表3 光學系統(tǒng)相對畸變數(shù)值

根據(jù)現(xiàn)階段光學元件加工及鍍膜技術水平，將圖1（c）所示構型（包含5片透鏡）系統(tǒng)光學效率與本實例光學系統(tǒng)光學效率相比較。按照透射元件表面透過率99%，材料吸收1%；反射元件表面反射率98%，推算兩光學系統(tǒng)紅外通道光學系統(tǒng)效率，本文設計實例光學系統(tǒng)光學效率比圖1（c）所示構型光學系統(tǒng)光學效率至少提升40%。

3 結束語

本文通過梳理可見光及紅外成像的優(yōu)缺點，肯定了可見紅外共口徑成像在空間探測領域的應用優(yōu)勢，從光學效率的定義出發(fā)，分析了影響光學系統(tǒng)效率的主要因素，確定了采用離軸反射式光學系統(tǒng)實現(xiàn)高光學效率共口徑系統(tǒng)的技術路線。對比現(xiàn)有雙通道離軸系統(tǒng)的優(yōu)缺點，分析了該類光學系統(tǒng)的設計難點。研究了光學效率的影響因素，確定了雙波段共口徑系統(tǒng)的設計思路，提出了一種緊湊型全反射式高光學系統(tǒng)效率共口徑離軸系統(tǒng)構型。實現(xiàn)了可見紅外復合光學系統(tǒng)的緊湊型要求。給出了全反射式可見紅外共口徑離軸光學系統(tǒng)設計實例，設計結果表明，同等技術指標情況下，該光學系統(tǒng)光學效率較復雜折反射式雙通道共口徑光學系統(tǒng)效率至少提高40%，且系統(tǒng)雙通道畸變均得到有效矯正。

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Design of a High Optical Efficiency Off-axial Optical System for VIS/IR with Common Aperture and FOV

JIA Yongdan1,2SUN Jian1,2NIE Yunsong1,2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China） （2 Beijing Key Laboratory of Advanced Optical Remote Sensing Technology, Beijing 100094, China）

As to the needs of the high optical efficiency optical system for VIS/IR with common aperture, based on the definition of optical efficiency, the factors affecting the optical system efficiency are analyzed, and the technical route of using off-axial reflective optical system to achieve high optical efficiency is determined. The typical configurations of the VIS/IR common-aperture/common-FOV off-axial optical system are compared, and a compact total-reflection off-axial system configuration with common primary and secondary mirrors is proposed. A design example was given. The technical indicators are as followed. For the VIS channel, the focal length, F number, field of view and the operating wave band are 6 000mm, 12.4, 2°×0.1° and 400～700nm respectively. The modulation transfer function in the pan-spectral band is above 0.31 all over the field of view at the Nyquist frequency of 71.4lp/mm, and the relative distortion is less than 0.29%. For the IR channel, the optical system focal length is 1700mm, F number is 3.5, field of view is 2°×0.1°, and the operating wave band is 3～5μm with 100% cold shied efficiency. The modulation transfer function of the system is above 0.31 all over the field of view at the Nyquist frequency of 33lp/mm, and the relative distortion is less than 0.73%. The analysis results indicate that under the same technical conditions, the optical efficiency of the infrared channel for common-aperture optical system described in this paper is at least 40% higher than the complex catadioptric optical system.

low distortion; common-aperture/common-FOV; optical efficiency; off-axial system; optical design; optical remote sensing

TH743

A

1009-8518(2023)01-0126-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.01.014

2022-01-02

科工局民用航天項目（D040101）

賈永丹, 孫建, 聶云松, 等. 高光學效率可見紅外共口徑/視場離軸系統(tǒng)設計[J]. 航天返回與遙感, 2023, 44(1): 126-134.

JIA Yongdan, SUN Jian, NIE Yunsong, et al. Design of a High Optical Efficiency Off-axial Optical System for VIS/IR with Common Aperture and FOV[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(1): 126-134. (in Chinese)

賈永丹，女，1984年生，2012年獲長春理工大學光學工程專業(yè)碩士學位，高級工程師。研究方向為空間光學遙感器光學設計及仿真。E-mail：jwana@126.com。

（編輯：龐冰）