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多波段共孔径光学成像系统的几种实现途径(特约)

邓键 曲锐 黄建兵

邓键, 曲锐, 黄建兵. 多波段共孔径光学成像系统的几种实现途径(特约)[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(6): 20201017. doi: 10.3788/IRLA20201017
引用本文: 邓键, 曲锐, 黄建兵. 多波段共孔径光学成像系统的几种实现途径(特约)[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(6): 20201017. doi: 10.3788/IRLA20201017
Deng Jian, Qu Rui, Huang Jianbing. Several ways to realize multi-band common aperture optical imaging system(Invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(6): 20201017. doi: 10.3788/IRLA20201017
Citation: Deng Jian, Qu Rui, Huang Jianbing. Several ways to realize multi-band common aperture optical imaging system(Invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(6): 20201017. doi: 10.3788/IRLA20201017

多波段共孔径光学成像系统的几种实现途径(特约)

doi: 10.3788/IRLA20201017
详细信息
    作者简介:

    邓键(1976-),男,研究员,博士,主要研究方向为光电总体和光学设计、装调与检测。Email:warhorse99@sina.com

    通讯作者: 黄建兵(1976-),男,研究员,博士,主要研究方向为强激光子系统及关键元器件。Email:hoptics@vip.163.com
  • 中图分类号: TH751

Several ways to realize multi-band common aperture optical imaging system(Invited)

  • 摘要: 借助微分方法,提出光学系统内的消波段间色差和波段内色差条件,建立了扩展的复消色差理论,通过对比各自波段和全波段的折射率-色差系数,进行材料配对,并迭代优化校正各类像差。由此介绍了几种多波段共孔径光学系统的实现途径和具体设计实例,包括:透射式结构的宽波段及多波段成像物镜光学系统;透射式结构的中波/近红外二次成像变焦系统;透射式结构的中/长波红外二次成像变焦系统;通过反求工程(Reverse Engineering)设计了AN/AAQ-33“狙击手XR”吊舱采用的中波/近红外共孔径透射式前置望远系统主光路;AN/ASQ-228 ATFLIR吊舱采用的共孔径离轴三反射式消像散前置望远系统主光路;AN/AAS-52 MTS-B吊舱采用的同轴偏视场三反前置望远系统主光路;EKV采用的同轴四反二次成像系统;拓展介绍了采用同轴折反式前置望远+后置成像结构的光路结构,包括同轴折反式中波/短波/近红外和长/中/短波红外望远系统+后置分光成像系统的设计;以及一些典型弹载光学系统共孔径或共光路的设计。
  • 图  1  复消色差光学系统的焦深与离焦量关系

    Figure  1.  Relation between focal depth and defocus of apochromatism system

    图  2  双波段光学系统的焦深与离焦量关系

    Figure  2.  Relationship between focal depth and defocus of two-band system

    图  3  一种0.48~1.7 μm超宽波段物镜及其MTF曲线

    Figure  3.  An 0.48−1.7 μm ultra wide band objective and its MTF curves

    图  4  一种0.65 ~1.7 μm宽波段物镜及其MTF曲线

    Figure  4.  An 0.65−1.7 μm wide band objective lens and its MTF curves

    图  5  一种三波段共光路光学系统及其MTF曲线

    Figure  5.  A tri-band co-path optical system and its MTF curves

    图  6  一种小型多波段光学系统及其长波红外谱段的MTF曲线

    Figure  6.  A small multi-band optical system and its LWIR MTF curves

    图  7  IRIS-T导弹及其导引头光学系统

    Figure  7.  IRIS-T and seeker’s optical system

    图  8  一种紧凑型双波段光学系统及其MTF曲线

    Figure  8.  A compact dual-band optical system and its MTF performances

    9  一种共光路中长波红外变焦系统及其MTF曲线

    9.  A MWIR and LWIR dual-band common optical path zoom system and their MTF performances

    10  一种共孔径电视/中波红外变焦系统及其MTF曲线

    10.  A TV and MWIR dual-band common aperture zoom optical system and their MTF performances

    11  狙击手XR吊舱的多波段共孔径电视/中波红外光学系统及其MTF曲线

    11.  TV and MWIR multi-band common aperture optical system used by Sniper XR pod and their MTF curves

    图  12  一种折反式近/中红外多波段共孔径光学系统

    Figure  12.  A NIR/MWIR dual-band mirror-lens common aperture optical system

    图  13  一种折反式近/中/长波多波段红外共孔径光学系统

    Figure  13.  A NIR/MWIR/LWIR multi-band mirror-lens common aperture optical system

    图  14  雷神公司SDB Ⅱ炸弹的三模导引头

    Figure  14.  Three-mode seeker of Raytheon SDB Ⅱ bomb

    图  15  一种两模复合导引头光路图及其长波非制冷红外通道的MTF曲线

    Figure  15.  A dual-mode seeker optical layout and its LWIR MTF performance curves

    图  16  EKV使用的反射透镜结构

    Figure  16.  Reflective lens structure used by EKV

    图  17  一种同轴三反的前置望远系统

    Figure  17.  A coaxial triple mirror fore-telescope system

    图  18  MTS-B吊舱使用的TMA前置望远系统

    Figure  18.  TMA fore-telescope system used by MTS-B pod

    图  19  ATFLIR吊舱使用的离轴三反前置望远系统

    Figure  19.  Off-axis TMA fore-telescope system used by ATFLIR pod

    表  1  常用红外材料的色散特性对比

    Table  1.   Comparison of dispersion characteristics of common infrared material

    MaterialIndex of refractionChromatic dispersive powerThermal dispersive powerInterband chromatic dispersive power
    n4 μmn10 μmC3-5 μmC8-12 μmT(×10−5 K)P3-12 μm
    BaF21.456 71.414 42.22%5.91%−5.519.26%
    Zns2.250 12.198 30.91%4.36%3.024.32%
    Znse2.433 12.406 70.50%1.71%3.771.88%
    IRG2012.514 62.498 10.5%0.91%3.611.09%
    IRG2022.510 12.494 40.51%0.84%1.981.03%
    IRG2052.623 92.605 20.57%0.92%3.001.15%
    IRG2062.794 52.777 70.06%0.62%−0.250.95%
    CsBr1.668 11.662 50.25%0.76%−17.30.85%
    GaAs3.307 03.278 10.68%1.53%5.581.27%
    Ge4.022 44.003 60.99%0.10%12.610.63%
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-10
  • 修回日期:  2020-04-15
  • 刊出日期:  2020-07-01

多波段共孔径光学成像系统的几种实现途径(特约)

doi: 10.3788/IRLA20201017
    作者简介:

    邓键(1976-),男,研究员,博士,主要研究方向为光电总体和光学设计、装调与检测。Email:warhorse99@sina.com

    通讯作者: 黄建兵(1976-),男,研究员,博士,主要研究方向为强激光子系统及关键元器件。Email:hoptics@vip.163.com
  • 中图分类号: TH751

摘要: 借助微分方法,提出光学系统内的消波段间色差和波段内色差条件,建立了扩展的复消色差理论,通过对比各自波段和全波段的折射率-色差系数,进行材料配对,并迭代优化校正各类像差。由此介绍了几种多波段共孔径光学系统的实现途径和具体设计实例,包括:透射式结构的宽波段及多波段成像物镜光学系统;透射式结构的中波/近红外二次成像变焦系统;透射式结构的中/长波红外二次成像变焦系统;通过反求工程(Reverse Engineering)设计了AN/AAQ-33“狙击手XR”吊舱采用的中波/近红外共孔径透射式前置望远系统主光路;AN/ASQ-228 ATFLIR吊舱采用的共孔径离轴三反射式消像散前置望远系统主光路;AN/AAS-52 MTS-B吊舱采用的同轴偏视场三反前置望远系统主光路;EKV采用的同轴四反二次成像系统;拓展介绍了采用同轴折反式前置望远+后置成像结构的光路结构,包括同轴折反式中波/短波/近红外和长/中/短波红外望远系统+后置分光成像系统的设计;以及一些典型弹载光学系统共孔径或共光路的设计。

English Abstract

    • 多波段共孔径光学系统是实现光电成像系统小型化、轻量化和低功耗(SWaP)的最佳途径。目前已有多种工程路线:(1)共光路共焦面结构;(2)共光路后置汇聚/发散光束分光结构;(3)前置望远系统+后置平行分光系统+后置成像结构等。文中介绍了一些较为经典的设计,希望可作为引玉之砖,对读者有所启发。

    • 透射式宽波段成像光学系统设计基本遵循复消色差理论,即对于理想透镜系统,需同时满足下述各条件:

      $$ \left\{ \begin{aligned} & \varphi = \frac{1}{{{h_i}}}\sum {{h_i}{\varphi _i}} \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\,\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{(a)}}\\ & {L_{1ch}} = \frac{1}{{h_1^2{\varphi ^2}}}\sum {h_i^2{C_{1i}}{\varphi _{1i}}} \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{(b)}}\\ & {L_{2ch}} = \frac{1}{{h_1^2{\varphi ^2}}}\sum {h_i^2{C_{2i}}{\varphi _{2i}}} \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\,{\rm{(c)}}\\ & {{L'}_p} = \frac{1}{{{{\left( {{h_1}\varphi } \right)}^2}}}\sum {h_i^2{P_i}{\varphi _i}} \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{(d)}}\\ & {\alpha _L}L = \frac{1}{{h_1^2{\varphi ^2}}}\sum {h_i^2{T_i}{\varphi _i}} \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{\rm{(e)}} \end{aligned} \right. $$ (1)

      式中:φ为光焦度;h为光线高度;L为位置色差;C为波段内色差系数;P为部分相对色散,α为镜筒的线膨胀系数;L为镜筒长度;T为镜筒的温度。公式(1)中,(a)为光焦度;(b)为波段1内的色差;(c)为波段2内的色差;(d)为全波段的色差;(e)为热差。相对传统光学系统,公式(1)增加了消热差的条件,尤其在红外光学系统中,透镜材料的折射率温度系数dn/dT较大,且线膨胀系数也较大,导致光焦度随温度的变化较大,需在设计中予以考虑(即便是可调焦系统也应进行复核复算)。

      复消色差理论的推导公式较为复杂,可参阅相关文献[1-2]。一个直观的结论是:单透镜无消色差能力;双胶合透镜具有一定的消色差能力,其位置色差曲线为二次曲线;而一般的,宽波段系统欲实现复消色差,至少需要三种光学材料,使位置色差曲线变为高次曲线,如图1所示。

      图  1  复消色差光学系统的焦深与离焦量关系

      Figure 1.  Relation between focal depth and defocus of apochromatism system

      对于公式(1),要满足色差为零的条件极为苛刻。但考虑光学系统的瑞利判据,即与位置色差相对应的波像差小于四分之一波长时,可认为光学系统在两个不同波段都成完善像,即光学系统焦深放宽了消色差难度。焦深的计算公式如下:

      $$DOF = \pm \lambda /{(2NA)^2}$$ (2)

      式中:DOF为焦深;λ为波长;NA为光学系统数值孔径。

      从公式(1)和图1可知,复消色差光学系统通过细分中心波长,将位置色差导致的离焦量控制在焦深范围内,即可获得宽波段的消色差效果。

      对于多波段共孔径光学系统,如短波+中波0.6~1.7 μm+3.7~4.8 μm双波段共孔径成像系统,受大气窗口和探测器对中间1.8~3.6 μm谱段限制,无需考虑该波段的色差校正,只需校正谱段间色差即可。此时,可对图1中曲线作如图2的改进,进一步给消色差条件减负:

      图  2  双波段光学系统的焦深与离焦量关系

      Figure 2.  Relationship between focal depth and defocus of two-band system

      不幸的是,光学材料折射率是波长的非线性函数,同一材料在不同波段具有不同的色散特性,即传统的阿贝数、规化色差系数等参量只能描述材料在单一波段内的色散特性,不能保证波段间色差的校正。一些常用红外材料在不同波段的色散情况如表1所示,其中最为异常的是 Ge材料,在3~5 μm的中波红外和8~12 μm的长波红外波段的色散系数与其他材料成反常变化,在中波红外波段可与Si搭配作为火石玻璃成为负透镜,但在长波红外波段Ge却可作为冕牌玻璃作为正透镜使用。因此,多波段共孔径(共光路)系统的光学设计需要从对材料在不同波段的色散特性了解开始,引入微分的思考方式,对材料的特征波段色散特性进行细化,通过镜组配对,既平衡波段内色差,又平衡波段间色差。从某种意义上,多波段系统减小波段间色差的方法可认为类似于光学系统中减小位置色差的方法:

      (1)加入波段间相对离焦量为控制变量,约束该值小于两个波段焦深之和,可对系统优化进行控制;

      (2)在材料配对上既要同时满足各个波段内的色差控制要求,也要满足波段间色差系数较小的要求,即:正光焦度元件在满足波段内色差系数较小的同时还需要同时满足波段间色差较小;负光焦度元件在满足波段内色差系数较大的同时尽量采用波段间色差系数较大的材料;

      (3)同时尽可能地控制元件表面光线的入射高和入射角。

      表 1  常用红外材料的色散特性对比

      Table 1.  Comparison of dispersion characteristics of common infrared material

      MaterialIndex of refractionChromatic dispersive powerThermal dispersive powerInterband chromatic dispersive power
      n4 μmn10 μmC3-5 μmC8-12 μmT(×10−5 K)P3-12 μm
      BaF21.456 71.414 42.22%5.91%−5.519.26%
      Zns2.250 12.198 30.91%4.36%3.024.32%
      Znse2.433 12.406 70.50%1.71%3.771.88%
      IRG2012.514 62.498 10.5%0.91%3.611.09%
      IRG2022.510 12.494 40.51%0.84%1.981.03%
      IRG2052.623 92.605 20.57%0.92%3.001.15%
      IRG2062.794 52.777 70.06%0.62%−0.250.95%
      CsBr1.668 11.662 50.25%0.76%−17.30.85%
      GaAs3.307 03.278 10.68%1.53%5.581.27%
      Ge4.022 44.003 60.99%0.10%12.610.63%

      如此选择的材料组合代入初始结构进行优化,再据材料在各波段色散特性对比表进行材料的增减、替换、合成(短波红外及以下波段可胶合)等,以达到宽波段范围消色差的目的。

      对于轴外像差,可通过透镜曲率、厚度、空气间隔、非球面系数等变量进行优化。为控制光线的入射高,可采用折反式光学系统,让无色差和热差的反射镜承担主要光焦度,再通过透射元件扩大视场。

      热差也是现代光学设计中不可忽视的像差,尤其是对某些大相对孔径红外镜头,热差可能会成为主要像差。相关研究文献较多[3-4],此处不再赘述。但值得注意的是,材料的温度折射率系数dn/dT是温度和波长的函数,不同温度和不同波长下的实测值差异较大,尤其是长波红外光学材料往往理化性能不理想,或易潮解,或易解理,或有毒,或内应力大,而且波长跨度越大的红外材料越稀少,这都导致光学被动消热差难以同时兼顾多波段共孔径系统的所有波段,往往需要温度调焦来补偿。近年来国产硫系玻璃材料研究进步显著[5-7],包括宁波大学、中国建材研究院、湖北新华光信息材料有限公司、成都光明光电股份有限公司等厂家相继推出了系列可工程使用的硫系玻璃,尤其是湖北新华光,以平均两年一种新材料的速度推出新型硫系玻璃,并制定了多项国际验收标准。

      硫系玻璃的理化性能尚可,但光学性能尤其是色散和热性能优良(如表1中的IRG201、IRG202、IRG205和IRG206),且能覆盖很宽的波长范围而价格适中,具有广阔的应用前景。

    • 按照复消色差理论通过在三个波段(0.48~0.9 μm的TV波段、0.9~1.7 μm的SWIR波段和0.48~1.7 μm的宽波段)对比折射率vs阿贝系数、相对色散vs阿贝系数、折射率vs色散图选材进行优化设计,通过反复迭代最终采用了HFK、HQK、HLAF和HZF四种光学玻璃材料(比参考文献[8]增加了一种HQK材料)完成了一款0.48~1.7 μm的超宽波段摄远物镜,光学系统F#4,焦距180 mm,采用对角线尺寸为35 mm的探测器,FOV≈±(3.92°×3.92°),总长≤155 mm,MTF接近衍射限,并利用FK玻璃较大的线膨胀系数配合铝合金镜筒在−45~60 ℃温度范围进行了光学被动消热差,使高低温MTF基本与常温情况一样。光路和MTF曲线如图3所示。

      图  3  一种0.48~1.7 μm超宽波段物镜及其MTF曲线

      Figure 3.  An 0.48−1.7 μm ultra wide band objective and its MTF curves

      按照同样的设计理论和方法完成的另一款宽波段大视场光学系统,采用了反摄远结构,光学材料配对与图3系统类似,使用波段0.65~1.7 μm,F#1.4,焦距6 mm,采用对角线尺寸为12.3 mm的探测器,FOV≈±(34°×40°),总长≤150 mm,畸变小于5%,光学被动消热差。光路和MTF曲线如图4所示。

      图  4  一种0.65 ~1.7 μm宽波段物镜及其MTF曲线

      Figure 4.  An 0.65−1.7 μm wide band objective lens and its MTF curves

    • 通过用微分原理扩展复消色差理论,并利用波段间和波段内的折射率vs色差系数和折射率vs热差系数图表进行材料选择和配对,完成了一个二次成像的2.7~3.3 μm/3.7~4.8 μm/7.7~9.5 μm三波段共光路光学成像系统,采用硫系材料为主的透镜组合。探测器F#2,256×256面阵,30 μm像元间距,光学被动消热差,焦距82 mm;光路及MTF曲线如图5所示。

      图  5  一种三波段共光路光学系统及其MTF曲线

      Figure 5.  A tri-band co-path optical system and its MTF curves

      硫系材料(除硫系玻璃外,还包括ZnS和ZnSe等)基本都具有透短波红外的能力。如下提供了一种采用长波非制冷红外+激光半主动+TV的弹载光学系统设计,F#<0.95,全部采用硫系化合物材料,光学被动消热差,全口径集成了激光半主动探测通道,后端采用棱镜分光(激光波段牺牲了一定的透过率),并通过类似法国MMP导弹掏孔的方式集成了TV成像通道。光路和MTF曲线如图6所示。

      图  6  一种小型多波段光学系统及其长波红外谱段的MTF曲线

      Figure 6.  A small multi-band optical system and its LWIR MTF curves

      另一种更紧凑并采用制冷探测器的3.7~4.8 μm/7.7~9.5 μm双波段光学系统,采用了曼金折反镜作主镜,以硫系材料为主的透镜组合,适配F#2,128×128面阵,30 μm像元间距探测器,焦距110 mm,光学被动消热差;这种曼金折反镜外形类似德国的IRIS-T空空导弹光学系统(见图7),且球罩曲率半径和系统总长也按照127 mm弹径进行约束。光路和MTF曲线如图8所示。

      图  7  IRIS-T导弹及其导引头光学系统

      Figure 7.  IRIS-T and seeker’s optical system

      图  8  一种紧凑型双波段光学系统及其MTF曲线

      Figure 8.  A compact dual-band optical system and its MTF performances

    • 在参考文献[9]设计的基础上,扩展完成了一个3.5 ~4.8 μm & 8 ~10 μm双波段连续变焦共光路共焦面光学系统设计,F#为2.5,可采用英国SELEX ES公司的640×512面阵24 μm间距condor II双波段探测器(该探测器像素具有叠层结构,可实现真正的共光路共焦面成像),焦距范围为40~480 mm,总长小于600 mm,三组元轴上变焦结构,同时具有较好的成像质量和冷反射特性。该设计采用了硫系材料为主的透镜组合。设计结果如图9所示。

      图  9  一种共光路中长波红外变焦系统及其MTF曲线

      Figure 9.  A MWIR and LWIR dual-band common optical path zoom system and their MTF performances

    • 相比2.2、2.3节,中波和近红外共孔径的材料较多,选择余地较大,有更多的材料组合,但麻烦的是分光。平行或准平行光路分光较简单,但在汇聚或发散光路中分光对分光镜尤其镀膜工艺提出了极高要求。一个解决办法是不追求同时成像而采用切换的方法;或在光学性能和价格上做出让步(如图6的棱镜分光,就牺牲了激光波段的透过率——好在全口径接收激光,能量可以满足使用要求)。

      完成的一个切换式三视场变焦共孔径光学系统,采用二次成像的双组元变倍结构,不同的变倍组在不同的位置径向切换改变视场,补偿组在轴上前后运动;在一次像面前汇聚光路中通过切换棱镜完成分光;一次像面前全部为球面透镜,采用了硫系化合物、氧化物和卤族化合物材料组合,设计波段0.65~0.9 μm@F#5.6/3.7~4.8 μm@F#3.5:焦距分别为40、160、420 mm。光路和MTF曲线如图10所示。

      图  10  一种共孔径电视/中波红外变焦系统及其MTF曲线

      Figure 10.  A TV and MWIR dual-band common aperture zoom optical system and their MTF performances

      美国AN/AAS-33“狙击手XR”光电瞄准吊舱的光学系统采用了准平行光路中分光以实现多波段同时成像目的[10]。用反求工程完成了该光学系统主光路的设计:硫系和卤族化合物光学材料组合的三分离镜组+负透镜组成伽利略式望远系统实现激光收发与近红外、中波红外成像通道的共孔径集成,然后分光;其中激光发射天线/激光接收和近红外成像通道一路,中波红外成像通道单独一路;中波红外成像通道又增加了透镜组构成开普勒式前置望远系统,然后+分光器(与激光发射分离)+FSM+合束器(与激光发射合束)+后置二次成像系统成像,并在开普勒式结构的一次像面前后切换式镜组构成双视场;激光接收(含测距与光斑跟踪)和TV成像通道为一次成像结构;系统在满足Φ305 mm局部异型突出舱体结构要求前提下最大通光孔径约为150 mm(而非广泛报道的127 mm通光孔径),并可实现0.7~0.9 μm和3.7~4.8 μm以及1.064 μm和1.5 μm的多波段共孔径同时探测,并在中波红外成像通道具有良好的冷反射特性;激光收发通道采用了偏振分光原理和自适应自动增益控制,可有效抑制后向散射;本设计F#4,焦距为600 mm,可采用640×512面阵15 μm像元间距探测器和1 280×1 024面阵7.6 μm像元间距的近红外探测器(在“狙击手SE”项目上已升级为1 280×1 024面阵的10 μm像元间距中波红外探测器);折叠后的小视场光路和MTF曲线如图11所示。

      图  11  狙击手XR吊舱的多波段共孔径电视/中波红外光学系统及其MTF曲线

      Figure 11.  TV and MWIR multi-band common aperture optical system used by Sniper XR pod and their MTF curves

    • 折反系统可将大部分光焦度由反射镜承担,降低了消色差和热差难度,并可采用空间折叠方式压缩系统总长。参照第三代DB-110相机指标[11]设计了一个双波段折反式成像系统,采用曼金折反镜为次镜,构架为折反前置望远系统+FSM+分光镜+后置成像系统,使用波段为0.65~0.9 μm/3.7~4.8 μm,仍然采用硫系和卤族化合物材料配对;系统通光孔径280 mm,对角视场FOV>1.5°,中波红外成像通道可采用F#4.6,1 280×1 024面阵15 μm像元间距探测器;近红外成像通道采用F#5.5,4 K×3 K面阵5.5 μm像元间距探测器;MTF曲线接近衍射限;光路如图12所示。

      另一个设计为0.7~0.9 μm/3.7~4.8 μm/8~10 μm三波段的折反式前置望远系统,口径254 mm,对角视场FOV>1.7°。该系统主次镜为高次非球面,在一次像面前有一片厚透镜作为场镜以扩大视场;为降低透镜数量,目镜组透镜采用了高次非球面;透镜材料也采用了卤族化合物和硫系化合物材料,MTF接近衍射限。但该设计采用的透镜材料理化性能较差,工程实现难度较大。光路如图13所示。

      图  12  一种折反式近/中红外多波段共孔径光学系统

      Figure 12.  A NIR/MWIR dual-band mirror-lens common aperture optical system

      图  13  一种折反式近/中/长波多波段红外共孔径光学系统

      Figure 13.  A NIR/MWIR/LWIR multi-band mirror-lens common aperture optical system

      折反式光学系统特别适合用于弹载多模复合制导领域,例如美国雷神公司的JAGM和SDB Ⅱ,采用了毫米波雷达、激光半主动和长波非制冷红外成像三种探测模式,其中:长波非制冷成像通道为一次成像结构,目标辐射透过球罩在主镜上反射,再在次镜上反射,通过透镜组成像在探测器上;毫米波雷达馈源置于球罩和次镜之间,雷达波透过次镜与长波非制冷成像通道共用主反射镜;激光半主动探测通道置于球罩和雷达馈源之间,为分孔径形式布置,从目标反射的激光通过球罩后直接进入激光半主动探测通道的透射式光学系统。导引头结构如图14所示。

      图  14  雷神公司SDB Ⅱ炸弹的三模导引头

      Figure 14.  Three-mode seeker of Raytheon SDB Ⅱ bomb

      由于硫系材料可透射1.064 μm的激光,因此三种探测模式完全可以共用主反射镜,雷达馈源仍然置于球罩和次镜之间,但长波非制冷成像通道变为二次成像结构,激光和红外在次镜上反射并在一次像面后置一片目镜形成准平行光路,此时用分光镜分开激光和红外光。在此基础上还可以扩展为激光雷达+长波非制冷红外成像双模制导装置,激光扩束天线置于球罩和次镜之间。完成的光路和长波非制冷成像通道MTF曲线如图15所示。该设计的长波非制冷红外成像通道名义F#<0.9,可采用512×512面阵17 μm像元间距的探测器,光学被动消热差。

      图  15  一种两模复合导引头光路图及其长波非制冷红外通道的MTF曲线

      Figure 15.  A dual-mode seeker optical layout and its LWIR MTF performance curves

    • 反射式光学系统无色差和冷反射,与镜面与镜架为同种材料时无热差。随着非球面加工检测和计算机辅助装调工艺的成熟,越来越广泛地应用在高端光电系统中。

      EKV就使用了同轴四反射的“反射透镜”结构,如图16所示。光线在主镜1反射到次镜2,在中央通孔附近有一中间像;再到三镜3反射到四镜4,最后汇聚到焦面5;主镜1和四镜4背靠背一进一出,看似一个透镜,故称为“反射透镜”结构;焦面5可分光到各自不同波段的探测器上。该设计焦距300 mm,F#1.5,视场角可达到3°×3°以上,MTF接近衍射限。

      图  16  EKV使用的反射透镜结构

      Figure 16.  Reflective lens structure used by EKV

      图16基础上改进,可获得一种三反结构的前置望远系统,如图17所示。但这种结构的放大率不能太大,否则出曈过小,会使一次像面的折叠反射镜口径变小,而且中央通孔将使遮拦比受到一定影响。该设计放大率约为5×,口径203 mm,对角视场角<1.2°,MTF接近衍射限。

      图  17  一种同轴三反的前置望远系统

      Figure 17.  A coaxial triple mirror fore-telescope system

      美国雷神公司的MTS-B光电瞄准吊舱使用了同轴偏视场三反射消像散(TMA)结构的前置望远系统作为小视场接收光路。这种TMA结构最初为全反射的二次成像系统[12-14],出现于20世纪90年代的IKNOS、Quickbird、SPOT 5等推扫式成像卫星上,特点是通过次镜、三镜在子午面上的偏心和倾斜,牺牲俯仰视场而提高方位视场的像质,因而,在这种TMA结构上改进获得的前置望远系统的俯仰视场较小。按反求工程要求完成了一个类似光学设计,通光孔径约290 mm,放大倍率12×,在一定的空间限制下(以满足吊舱较为苛刻的空间布局),视场可达到3°(方位)×0.9°(俯仰)以上;而MTS-B实际使用视场不超过0.7°×0.5(由此说明MTS-B还具有很大的升级空间),此时MTF接近衍射限,光路如图18所示。

      图  18  MTS-B吊舱使用的TMA前置望远系统

      Figure 18.  TMA fore-telescope system used by MTS-B pod

      美国雷神公司的AN/ASQ-228 ATFLIR和MTS-A光电瞄准吊舱采用了离轴三反前置望远系统设计[15-16],尤其是前者的结构要求极为紧凑,需要将通光孔径150 mm的离轴三反前置望远系统置于Φ330 mm的吊舱转塔内并将压缩后的平行光束通过光学铰链(穿过转塔的俯仰轴)导入到后端舱体完成成像。该系统通过增大反射镜的离轴量压缩光路,牺牲了部分加工检测和装配的工艺性,但结构简单,可方便地增加可见光、长波红外等成像通道,且透过率高,视场较大。虽然比AN/AAQ-33 “狙击手XR”吊舱的Φ305 mm直径稍大,但可扩展性强,是一种面向未来的设计。反求设计的光路如图19所示,其中外圆直径Φ320,主镜通光孔径150 mm,F#4,通过次镜和三镜在俯仰方向的倾斜和平移补偿,最大视场可达到3°×1.8°以上(但该吊舱实际使用视场不到1°×0.8°),MTF接近衍射限。

      图  19  ATFLIR吊舱使用的离轴三反前置望远系统

      Figure 19.  Off-axis TMA fore-telescope system used by ATFLIR pod

    • 多波段共孔径光电系统有多种实现途径,通过文中重点介绍的透射式光学系统的实现条件可知,其设计原理仍是传统复消色差理论的拓展和衍生。

      对于大口径大像面的系统要求,透射式光学系统将越来越受制于光学材料特性;而随着非球面加工检测工艺的进步,折反式和TMA结构的反射式光学系统的视场大,结构简单,镀膜难度小等优点将使之得到广泛运用,因此文中也对一些经典结构进行了设计举例。即便如此,透射系统的复消色差理论和由此发展出的分段消色差原理仍然是实现多波段共孔径成像设计的基础,需要光学设计师予以高度重视。

    • 特别感谢湖北新华光信息材料有限公司徐光以副总经理、徐华峰副总经理和胡智峡经理,胡向平研究员的长期合作和支持。

参考文献 (16)

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