透射式雙波段紅外搜索跟蹤系統光學物鏡

焦明印，陳秀萍，李軍琪，張 林，鄭常青

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透射式雙波段紅外搜索跟蹤系統光學物鏡

焦明印，陳秀萍，李軍琪，張 林，鄭常青

（西安應用光學研究所，陜西 西安 710065）

給出了一種適用于紅外搜索跟蹤系統的透射式雙波段（中波/長波）光學物鏡，兩個波段的相對口徑均為1/1.3，工作波段分別為3.7～4.8mm和7.5～10.5mm，視場為±1.75°。為提高光學透過率，物鏡采用會聚光路分光，每個波段僅有4片透鏡，其中各有2片采用了衍射光學表面，實測兩個波段的光學透過率（含分光鏡）均大于70%。

紅外物鏡；衍射光學元件；紅外搜索跟蹤系統

0 引言

為提高紅外搜索跟蹤系統的探測概率、減少虛警率，采用大相對口徑雙波段（即中波/長波）工作模式是實現這一目的的有效途徑之一。用于搜索或警戒紅外系統的光學口徑都在150mm以上，其中美加AN/SAR-8的光學系統口徑為254mm（/￠＝1:1），法國SPIRAL的光學窗口尺寸為200mm，以色列SPIRTAS的光學系統口徑為150mm（/￠＝1:1）；此外為提高系統透過率，應盡量減少光學元件數量，文獻[1]給出了一種3mm～12mm寬波段工作的透射式光學系統，該系統用2組三片式（共6個成像物鏡、3種材料）物鏡構成了一個Peztral型透射式光學系統，相對口徑1/2（即F數為2），采用的探測器為雙波段一體式量子阱器件。上述系統在3.7～4.8mm和7.5～10.5mm波段均為6個成像物鏡，因此透過率較低，此外該系統的相對口徑較小，不能很好地滿足對微弱紅外信號的探測要求。本文給出了一種適用于紅外搜索跟蹤系統的透射式雙波段（中波/長波）透射式光學物鏡，兩個波段的相對口徑均為1/1.3，工作波段分別為3.7～4.8mm和7.5～10.5mm，視場為±1.75°，采用了衍射光學元件使每個波段的透鏡減少為4片。

1 方案及構成

雙波段搜索物鏡可由兩種方式實現，即折反射式系統和透射式系統。折反射式系統具有色差小、工作波段寬及結構緊湊等優點，可實現3.7～4.8mm和7.5～10.5mm共用或部分共用。例如常用的施密特（Schmidt）反射式光學系統，采用球面反射鏡成像，在其球心位置處設置孔徑光欄和非球面校正板，以校正球面反射鏡的球差、彗差及像散。（同軸）反射式系統的缺點是存在中心遮攔，因而降低了其能量利用率；折射式系統不存在中心遮攔，能量利用率高。缺點是寬波段使用時色差較大，特別是對于大口徑紅外光學系統，可選用的透射材料很少，色差和色球差很難校正。綜合考慮加工和裝調工藝性及體積重量等因素，本文采用透射式系統。因國內目前得不到實用化的中/長紅外波段一體式探測器件，本文所述的物鏡采用共用部分物鏡再分光的方案。立方棱鏡分光是較好的選擇，可在會聚光路中實現中、長波段的分光，但由入瞳口徑近200mm，棱鏡的厚度需60mm以上（后截距不可過小），達到該厚度的雙波段材料如化學汽相沉積硒化鋅（CVD ZnSe）材料（吸收僅0.05%/cm）目前缺少供貨渠道，可用的材料只有單晶鍺，由于單晶鍺的吸收較大，僅分光棱鏡的吸收就將達17%以上，因此本文未采用立方棱鏡分光方案。也可在雙波段共用望遠系統后分光，這樣分光鏡的尺寸較小且位于平行光路中，但該方案的缺點是鏡片數量多、透過率低。為解決上述問題，本文采用圖1所示的光學形式（圖中的非均勻校正參考源的作用是為校正探測器相應度的非均勻性提供基準，完成校正后移出光路）。包括6個物鏡和1個分光平面鏡，分光鏡選用單晶鍺材料制作，其前表面上鍍有反射中波紅外透射長波紅外的分光膜層，分光鏡與光軸的夾角為45°，6個物鏡均為單透鏡，其中第一物鏡、第二物鏡分別選用單晶鍺、汽相沉積硒化鋅材料制作，且兩者為雙波段共用，第一、第二物鏡的前表面均為高次非球面；共用物鏡和分光鏡以及第三、第四物鏡構成本長波紅外成像光學物鏡（4個透鏡及一個分光鏡），因分光鏡的加入帶來了光軸的平移，第三、第四物鏡均離軸放置，材料選用CVD ZnSe，第三物鏡的前表面為子午與弧矢方向曲率半徑不同的復曲面（即輪胎面），用以補償會聚光路中的分光鏡引入的非對稱象差，第四物鏡可以軸向移動，以補償環境溫度造成的像面離焦；共用物鏡和分光鏡以及第五、第六物鏡構成中波紅外成像物鏡（4個透鏡及一個反射鏡），第五、第六物鏡分別選用單晶鍺、CVD ZnSe材料制作，兩者的前表面均為高次非球面，第六物鏡可沿軸向移動，以補償環境溫度造成的像面離焦。這里為校正色差和二級光譜色差，采用了折射/衍射混合光學元件，這樣不僅可以大幅減少光學零件的數量，降低材料成本，而且也保證了系統具有較高的透過率。系統中物鏡三～物鏡六中每個物鏡均有一個衍射面，針對大相對孔徑帶來的較大色球差，分別采用兩組高次非球面予以消除。此外，采用制冷型紅外探測器的光學系統大都為物鏡加中繼鏡組的形式[2-4]，這里為提高透過率沒有加入中繼鏡組，而是孔徑光欄設置在探測器冷光欄的物鏡形式[1]，在軸外視場保留了一定量的漸暈，由于本光學系統的視場不大，引入的漸暈不會對使用造成大的影響。

2 設計結果

為消除色差及二級光譜色差，進一步提高像質，第三至第六物鏡均為折射/衍射混合元件[5-6]，也就是說上述4個物鏡后表面均為基底為非球面的衍射面（材料為單晶鍺或CVD ZnSe，采用非球面基底的目的是更好提高像質，且對于金剛石車削加工工藝來說易于實現）。當坐標原點位于上述衍射面基體的頂點時，其衍射面的面型可用以下方程表示：

圖1 雙波段紅外物鏡構成簡圖

式中：HOR是衍射級次，一般情況下為1或－1，這里HOR＝1；n1和n2分別是衍射結構基體和其所在介質的折射率；h2＝x2＋y2；c為頂點曲率；k為二次曲面系數；A、B、C、D分別為高次非球面方程的二階、四階、六階和八階項的系數；z為沿光軸方向曲面上的點距頂點的距離；H1、H2、H3和H4分別為二、四、六和八次衍射位相系數，l為波長；對于中波波段，l＝4350nm，對于長波波段，l＝9350nm；符號INT為取整函數，其值為1，2，3，…，衍射元件的位相等參數詳見文獻[7]。兩個波段物鏡的垂軸像差曲線見圖2，調制傳遞函數曲線見圖3，典型頻率下的傳遞函數及幾何彌散圓直徑見表1。從垂軸像差曲線可看出，在邊緣視場存在一定量的漸暈。

圖3 垂軸像差曲線

表1 中波波段和長波波段MTF和幾何彌散圓直徑（均方根）

3 試驗及測試

上述系統已經過加工、調試及測試，如圖4。其中非球面及衍射面均采用單點金剛石車削方法加工、輪廓儀面型檢測。需要說明的是衍射面由于是非連續環帶式的，其精度只能由車床精度保證。這里所用車床的加工尺寸精度為0.5mm，經分析能夠滿足系統的公差要求。透過率及傳遞函數均采用英國Ealing傳函儀測試。實測透過率中波段為75%，長波波段為71%（含分光鏡），與理論值差別不大。中波傳遞函數測量：實際系統中波波段光路為90°折轉形式，測量時采用工裝進行同軸測量。實測空間頻率為30c/mm時，調制傳遞函數為0.26，滿足使用要求（要求該頻率MTF≥0.2），但與表1中設計理論值差別較大。誤差產生的原因主要是測試工裝、測量裝置的調整和光學零件加工精度等因素。其中測試工裝借用了長波波段光路的殼體，而長波波段光路為偏心光路，工裝設計時使被測系統偏心安裝，以補償長波光路的偏心，帶入了一定的誤差。測量裝置的調整是實現高精度測量的關鍵，由于被測系統尺寸的限制，給調整測量裝置以尋找最佳像面帶來了很大的困難。此外，由于光學零件尺寸大，且衍射面面型為非連續環帶式非球面，在金剛石車削加工時不能實現在線修正，也會對系統的性能帶來一定的影響，特別在波長相對較短時，影響程度較大，這方面的工藝還在進一步分析、試驗。長波傳遞函數測量：實測空間頻率為30c/mm時，調制傳遞函數為0.254。測試時為了與測試設備匹配加入了厚度為11mm的鍺平板，經計算此時理論傳函為0.3（空間頻率30c/mm），測量結果的相對誤差為15.3%。該物鏡經某紅外搜索跟蹤系統（點目標探測）應用驗證，效果良好。

圖4 雙波段紅外物鏡照片

4 結論

采用衍射光學元件和非球面設計加工了口徑200、相對口徑1/1.3的雙波段透射式光學物鏡，實測兩波段的光學透過率均在70%以上，調制傳遞函數均大于0.2（空間頻率30c/mm），達到了使用要求。

鳴謝：本文部分插圖由騰國奇制作，特此致謝。

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（下轉第304頁）

Dual Spectral Band Refractive Objective Lensfor Infrared Search and Track System

JIAO Mingyin，CHEN Xiuping，LI Junqi，ZHANG Lin，ZHENG Changqing

(,710065,)

A dual spectral band （MWIR/LWIR）refractive objective lens used for Infrared Search and Track(IRST) system is given in this paper. The spectral bands are 3.7～4.8mm and 7.5～10.5mm respectively and the relative aperture is 1/1.3 for both spectral bands, and the field of view for the lens is ±1.75°. In order to improve the optical transparency, a splitter in convergent beam is used, and there are only 4 lenses with 2 refractive/diffractive surfaces in each spectral band. The optical transparency is tested over 70% (include beam splitter) in each band.

infrared lens，diffractive optical elements，infrared search and track (IRST) system

TN215

A

1001-8891(2016)04-0296-04

2015-10-15；

2016-01-04.

焦明印（1963-），男，研究員，主要從事光學系統及部件的研究。