中波紅外周視光學(xué)系統(tǒng)

孫 浩,于 興,高 益,鄧 巖,梁進(jìn)智

(北京華北萊茵光電技術(shù)有限公司,北京 100015)

1 引 言

戰(zhàn)法靈活的狙擊戰(zhàn),被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)。這種戰(zhàn)術(shù)能夠在戰(zhàn)場(chǎng)上給敵方造成巨大的傷亡和恐慌[1]。為了應(yīng)對(duì)日趨嚴(yán)重的狙擊戰(zhàn)威脅,各國均開展了反狙擊手探測(cè)系統(tǒng)的研究,其中紅外探測(cè)具有高分辨率、響應(yīng)時(shí)間短、探測(cè)距離遠(yuǎn)、定位精度高和高隱蔽性等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于反狙擊手探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。紅外反狙擊手探測(cè)系統(tǒng)通過探測(cè)槍口閃光或彈丸飛行時(shí)與大氣摩擦產(chǎn)生的紅外信號(hào)來確定敵方狙擊手位置[2],系統(tǒng)要求具備360°周視能力和一定的俯仰角度同時(shí)還需要有較高的實(shí)時(shí)性。

紅外周視系統(tǒng)按照實(shí)現(xiàn)方式分為多視圖型和單視圖型兩類[3]。其中多視圖型周視系統(tǒng)一般使用TDI探測(cè)器分時(shí)掃描或者多面陣探測(cè)器孔徑拼接,這兩種實(shí)現(xiàn)方式實(shí)時(shí)性低、成本高,無法滿足探測(cè)需求。單視圖型周視系統(tǒng)采用凝視型面陣探測(cè)器,通過魚眼透鏡實(shí)現(xiàn)周視成像,具有成本低、實(shí)時(shí)性高的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的魚眼透射式光學(xué)系統(tǒng)為了引入視場(chǎng),光線在第一透鏡處會(huì)有一個(gè)較大的偏折產(chǎn)生嚴(yán)重色散,需要加入多組透鏡對(duì)系統(tǒng)像差進(jìn)行平衡,采用折反混合式系統(tǒng)通過二次曲面反射鏡引入視場(chǎng)能夠降低色散,從而使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更為簡單,此外經(jīng)過設(shè)計(jì)的反射式結(jié)構(gòu)在增加光程的同時(shí)能夠減小系統(tǒng)長度,使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為緊湊利于多平臺(tái)的應(yīng)用。本文基于3.7～4.8 μm、陣列規(guī)模640×512制冷型紅外探測(cè)器設(shè)計(jì)了視場(chǎng)為360×(-15°～+50°)的折反混合式光學(xué)系統(tǒng),適用于紅外反狙擊手探測(cè)及類似應(yīng)用場(chǎng)景下的態(tài)勢(shì)感知。

2 設(shè)計(jì)思想

2.1 物像關(guān)系選擇

在小視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,物像關(guān)系遵循等體視投影,此時(shí)物像關(guān)系滿足:

(1)

周視系統(tǒng)屬于超廣角系統(tǒng),設(shè)計(jì)時(shí)可以遵循等距投影物像關(guān)系或者正交投影物像關(guān)系[4-5]。

等距投影滿足:

H′=f·θ

(2)

正交投影滿足:

H′=f·sinθ

(3)

對(duì)上述兩式進(jìn)行微分:

dH′=f·dθ

(4)

dH′=f·cosθ·dθ

(5)

空間角分辨率為:

(6)

(7)

由上式可看出,在像高、最大視場(chǎng)角一定條件下,空間角分辨率ω與焦距f成正比關(guān)系。

紅外周視光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以獲得目標(biāo)在空間中的相對(duì)位置關(guān)系為目的的,目標(biāo)在作用距離下可被視作點(diǎn)源或擴(kuò)展源[6],為了更為精確的確定目標(biāo)在空間中的相對(duì)位關(guān)系,其空間角分辨率是系統(tǒng)性能的重要指標(biāo),比較等距投影和正交投影兩種物像映射關(guān)系,顯然同等條件下等距投影具有較高的空間角分辨率。

2.2 光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在光學(xué)總體結(jié)構(gòu)上選用反攝遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)形式,如圖1所示。第一組光焦度負(fù),第二組光焦度為正。反攝遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)像方主面后移,更適合于光線以大視場(chǎng)、細(xì)光束的形式進(jìn)入孔徑,通過軸向空間的增加為處理軸外像差提供了可操作性。

圖1 反攝遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)Fig.1 The reverse telephoto

反攝遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)滿足:

(8)

(9)

其中,FA為前組焦距;FB為后組焦距;D為前后組之間距離;F為系統(tǒng)焦距。

設(shè)計(jì)時(shí)反射面和折射面結(jié)合運(yùn)用,通過反射鏡的二次曲面面型增大入射視場(chǎng)角,同時(shí)反射鏡沒有引入色差,可以使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為簡單。初始結(jié)構(gòu)搭建如圖2所示,可以將系統(tǒng)分解成反射組和折射組兩部分,反射組為倍鏡形式的反伽利略結(jié)構(gòu),主要用來承擔(dān)視場(chǎng)角,折射組設(shè)計(jì)為反攝遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)的短焦距物鏡,系統(tǒng)總焦距為前組和后組的乘積。

圖2 初始結(jié)構(gòu)Fig.2 Initial structure

紅外制冷探測(cè)器冷光闌在杜瓦內(nèi),為了滿足100 %的冷光闌效率,系統(tǒng)需要將制冷探測(cè)器冷光闌作為系統(tǒng)孔徑光闌。雖然在設(shè)計(jì)上增加了難度,但孔徑光闌位也是系統(tǒng)出瞳位,相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的視場(chǎng)光闌后置,這樣的設(shè)置有效降低了大視場(chǎng)可能導(dǎo)致的系統(tǒng)雜光,同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)件內(nèi)表面進(jìn)行消光處理可以進(jìn)一步降低由熱輻射帶來的影響。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

按照上述設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)了一套中波周視紅外光學(xué)系統(tǒng),探測(cè)器選用中波制冷型焦平面陣列,具體的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab.1 Requirement

3.2 設(shè)計(jì)結(jié)果

考慮到小尺寸反射鏡更利于加工,設(shè)計(jì)中主反射鏡的面型選用了橢球面,相比拋物面和雙曲面,采用橢球面的主鏡在同等視場(chǎng)條件下尺寸更小。將入瞳的位置控制在主鏡附近可以縮小主鏡開孔減少開孔對(duì)視場(chǎng)的遮攔,從而增大仰視的視場(chǎng)范圍。設(shè)計(jì)使用光學(xué)軟件Zemax對(duì)系統(tǒng)像差進(jìn)行了優(yōu)化,設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3所示:反射組主次鏡分別為橢球面和球面,折射組由五片透鏡組成由鍺材料和硅材料搭配矯正色差,并使用非球面面型矯正球差。

圖3 系統(tǒng)圖Fig.3 System diagram

系統(tǒng)在常溫下MTF如圖4所示,MTF在30 lp/mm時(shí)軸上,軸外大于0.6,能夠滿足探測(cè)器的使用要求。

圖4 20 ℃ MTFFig.4 20 ℃ polychromatic diffraction MTF

系統(tǒng)的畸變?nèi)鐖D5所示,f-θ畸變由不同視場(chǎng)主光線在像面上的高度H實(shí)際與f·θ像高Hf-θ的差比上Hf-θ得到。下圖為系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后的f-θ畸變圖,在全視場(chǎng)范圍內(nèi)f-θ畸變<1 %,系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足等距投影的物象關(guān)系。

圖5 f-θ畸變圖Fig.5 f-θ distortion

系統(tǒng)的相對(duì)照度如圖6所示,視場(chǎng)在0～35°被主鏡開孔攔截相對(duì)照度為0,40°以上視場(chǎng)角在像面上照度均勻性良好,邊緣相對(duì)照度降低是因?yàn)槔涔怅@位置確定后,系統(tǒng)主光線出射角度為定值,像面照度滿足cos4θ的能量下降。

圖6 相對(duì)照度圖Fig.6 Relative illumination

設(shè)計(jì)同時(shí)考慮了熱差對(duì)焦面的影響,折射組的材料經(jīng)過選型并按照消熱差原則對(duì)光焦度進(jìn)行分配,圖7、圖8分別為-40 ℃和+60 ℃,在兩個(gè)環(huán)境溫度下,系統(tǒng)傳函相比常溫略有下降,但能夠滿足探測(cè)器使用要求。

圖7 -40 ℃ MTFFig.7 -40 ℃ polychromatic diffraction MTF

圖8 +60 ℃ MTFFig.8 +60 ℃ polychromatic diffraction MTF

4 結(jié) 論

討論了一種在等距投影物像關(guān)系下,采用折反混合形式設(shè)計(jì)的中波紅外周視光學(xué)系統(tǒng),反射組通過橢球面主鏡增大了入射視場(chǎng)角度并消除了色差,雙反射鏡進(jìn)一步壓縮了系統(tǒng)的軸向長度,整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、透過率高,能夠?qū)崟r(shí)獲取360°全方位和俯仰方向上一定角度的周視圖像,適用于紅外反狙擊手探測(cè)及類似場(chǎng)景下的態(tài)勢(shì)感知。