機載雙視場中波紅外光學系統優化設計

董科研，王 健，孫 強，王洪亮，李全熙，姜會林

(1.長春理工大學 空間光電技術研究所，吉林 長春，130022;2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，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

為適應現代戰爭的需要，世界各國正積極研制并裝備機載吊艙系統，以提高軍事偵察能力，而前視紅外系統是機載吊艙系統中的關鍵子系統之一，它可以在全天候情況下進行空對地及空對空的搜索，截獲，識別和跟蹤地面、空中目標。隨著紅外探測器技術的長足發展及應用范圍的不斷擴展，紅外雙視場及連續變焦光學系統的需求日益增加。相比于連續變焦光學系統，雙視場紅外光學系統具有結構簡單的優點，該系統僅通過透鏡組之間的間隔改變，便可實現雙視場間的切換，且成像質量好、視場切換速度快、裝調容易，因此在現代軍事中發揮了不可替代的作用，具有廣泛的應用前景和其它技術手段無法比擬的優勢［1-4］。

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

2 結構原理

雙視場紅外光學系統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的焦距;切入切出式則是利用機械切換組件增加或減少光路中的透鏡組來改變焦距。切入切出式的機械結構較為復雜，體積較大，裝調難度大，對運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，結構緊湊，光軸一致性指標易于實現［5-10］。圖1為軸向移動式變倍系統的基本結構圖，其通過變倍組的軸向移動來實現寬視場和窄視場的兩檔切換。

圖1 軸向移動式基本結構圖Fig.1 Structure of axial movement

對于雙視場紅外光學系統，變倍組在焦距切換時滿足物像交換原則，設α為系統倍率，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］:

當變倍組處于長焦距和短焦距時，變倍組的移動量為:

設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，并縮短整個光學系統的長度，在系統優化過程中，應對變倍組焦距及其軸向尺寸進行約束限制，從而實現較短軸向尺寸、不同目標距離條件下清晰成像的設計結果。

3 設計思想

3.1 系統分析

本文設計的雙視場光學系統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，系統選擇二次成像結構，并把探測器冷光闌作為系統的孔徑光闌，以抑制雜散光對光學系統的影響，同時避免因光束切割而造成能量損失。相對于一次成像結構，該結構能夠最大限度地減小光學元件尺寸，有效減輕系統重量和體積，滿足機載平臺對載荷的要求［12-13］，表1為本系統的光學設計參數。

表1 光學設計參數Tab.1 Optical design parameters

3.2 像差分析和光學設計

按照技術要求，結合軸向移動式雙視場切換原理及系統光焦度的分配原則，依據高斯光學理論計算出系統的初始結構，利用CODE V光學輔助設計軟件對初始結構進行優化，系統最終設計結果如圖2所示。為使系統結構簡單、緊湊，本系統選用正負正光學結構，即固定組為正透鏡組，變倍組為單負透鏡，后固定組為正透鏡組，利用單負透鏡軸向平移來切換視場。在系統光路中，折疊光路采用了2片反射鏡，從而減小了系統體積，負透鏡選擇硫化鋅材料，用于校正系統的彗差和軸外像差，整個系統采用單晶鍺、硅和硫化鋅3種常用的紅外光學材料。

圖2 兩視場中波紅外光學系統結構圖Fig.2 Schematic of dual field-of-view MW infrared optical system

從圖中可以看出，通過移動負透鏡就能實現雙視場的轉換。為保證系統在長焦和短焦位置全孔徑內都獲得滿意的像質，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。通過優化設計，雙視場光學系統的總長為530 mm，處于寬視場時第1塊透鏡通光口徑為200 mm，雙視場光學系統的基本變焦位置如表2所示。

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

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

圖4 兩視場紅外光學系統的場曲、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點列圖Fig.5 Spot diagrams of dual field-of-view MW infrared optical system

調制傳遞函數(MTF)能夠全面地評價出光學系統的成像性質，包括系統的分辨率和對比度，本系統的調制傳遞函數曲線如圖3所示，從曲線可以看出，在系統F數為4且恒定不變，像面保持穩定的情況下，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%;點列圖是光學系統對點目標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，通過技術指標需求分析，結合中波紅外系統的光學特性，采用CODE V光學輔助設計軟件，設計了滿足機載紅外搜索與跟蹤系統實際使用要求的雙視場中波紅外系統，實現了800 mm/400 mm兩檔變焦。該系統在寬、窄視場都具有良好的成像質量，可在大范圍內搜索目標的同時，對具體目標進行識別和分析。此類系統可以廣泛應用在軍事、民用方面，特別適用于對目標進行跟蹤和識別。

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