一種緊湊型三波段共孔徑光學系統

李文強 趙 翔 趙克軍

（中國航空工業洛陽電光設備研究所，河南 洛陽471009）

1 概述

在機載光電探測領域常使用多波段混合探測實現全天候監視偵查，利用目標在不同波段下成像的特征信息不同，提高發現概率。可見光波段波長短分辨率高，但是只能在光照充足的情況下使用，紅外波段利用溫差進行探測，能夠晝夜進行觀測，但是波長比可見光長，分辨率相對可見光小一些。通過多波段混合探測能夠對背景進行抑制，提高目標的探測發現概率，降低虛警率[1-5]。

本文采用共卡式的光學系統，將可見光、短波紅外、中波紅外融合在一起，通過共用口徑大幅度壓縮多波段光學系統的體積。分光位于卡式像點附近，采用分光平面鏡和棱鏡的組合減小了分光部分所需空間，整個光學系統空間緊湊，實現了三波段共孔徑設計。

2 共口徑光學構型分析

2.1 共口徑構型選擇

共口徑有共透射式，反射式等構型，共透鏡構型對三波段色差大，需要鏡片數量較多，且難以實現大口徑設計。共反射式可通過光路折轉實現光路尺寸壓縮，共反射式有同軸和離軸兩種形式，離軸系統加工裝調難度大，所需空間體積較大，本光學系統采用共卡式構型，加工裝調難度相對較小。

卡式主次鏡優化設計時候需要計算出一個初始結構，初始結構輸入到仿真軟件優化計算。主次鏡曲率半徑滿足如下公式：

其中，F 是組合焦距，B 是后截距，D 是兩個反射鏡間隔，計算出初始結構以后可在設計軟件中優化主次鏡具體參數，不同類型非球面反射鏡可在球面鏡基礎上增加非球面系數實現，非球面的方程如下。

當k=0，高次項系數為0 時，面型為球面，當k=-1，高次項為0 時面型為拋物面，當k＜-1，高次項為0 時面型為雙曲面，當-1＜k＜0，高次項為0 時面型為橢球面，當k=0，高次非球面系數不為0 時面型為高次非球面。通過主次鏡不同非球面類型搭配可提高校正像差能力。

主次鏡設計為中心視場完善成像系統，可以單獨裝調主次鏡，降低裝調難度，常用的面型組合有：主鏡拋物面，次鏡雙曲面或高次非球面；主鏡雙曲面，次鏡雙曲面或高次非球面；主鏡高次非球面，次鏡球面。

2.2 不同波段分光形式

不同波段成像探測器不同，需要在共口徑之后光路進行分光，通過兩次分光實現三波段分光進入不同探測器，分光位置確定為卡式主次鏡會聚點附近，使得分光鏡的尺寸較小，通常分光膜透射長波，反射短波，第一次分光實現中波紅外透射，可見光和短波紅外反射，第二次分光實現短波紅外透射，可見光反射。

由于紅外制冷探測器的冷反射現象，光路中平面會引入冷反射，紅外分光鏡為傾斜平面分光鏡，切斜鏡片會引入非對稱像差，影響透射紅外像質，分光鏡傾斜角度為25°保證中波紅外成像質量。可見光和短波紅外采用分光棱鏡進行分光。

3 光學系統設計

3.1 光學系統指標要求

光學設計中波紅外采用640×512 制冷型探測器，像元尺寸15μm。短波紅外采用640×512 探測器，像元尺寸15μm。可見光采用1920×1080 探測器，像元尺寸5.5um。

光學參數如下：

（1）工作波段：0.4μm～0.7μm、0.9μm～1.7μm、3.7μm～4.8μm；

（2）光學口徑：200mm；

（3）光學系統工作F 數：可見光6、短波紅外6、中波紅外4；

（4）光學系統焦距：可見光1200mm、短波紅外1200mm、中波紅外800mm；

（5）全視場：可見光0.5°×0.28°、短波紅外0.46°×0.37°、中波紅外0.69°×0.55°；

（6）畸變：≤5%。

3.2 光學系統構型

主鏡采用拋物面面型，次鏡為雙曲面面型組合，能夠保證中心視場完善成像，該組合方便加工檢測。主次鏡后通過一個平面鏡和棱鏡對三個波段光進行分光，使得各光路無共用透鏡，便于個波段校正色差和像差，同時可有效提高透過率。中波紅外通過分光鏡透射，避免了棱鏡分光的冷反射，可見光和短波紅外經過分光鏡反射，通過分光棱鏡實現分光，避免平面分光鏡引入非對稱像差。

3.3 光學系統性能分析

光學系統的MTF 如圖所示，可見光在90lp/mm 光學傳函在0.4 以上，短波紅外在33lp/mm 光學傳函在0.45 以上，中波紅外在33lp/mm 光學傳函在0.2 以上，設計指標能夠滿足光電探測使用要求。

（可見光）

（短波紅外）

光學系統的MTF

光學系統的畸變，各波段畸變均小于4%。

4 結論

通過共卡式實現了中波紅外、短波紅外、可見光共孔徑設計，在會聚光路中一次像點附近分光實現整個光學系統緊湊化設計，三波段共用鏡片較少能夠提高各波段透過率。該設計能用在機載光電探測設備上，多波段探測提高發現識別概率，通過共孔徑可增大光學口徑，提高作用距離，壓縮系統體積。