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现代光电子技术正突破可见光与红外波段的限制,逐步向紫外光波段扩展。与可见光和红外光波段相比,紫外光波段的军事应用研究起步相对较晚,但因紫外光特有的优点,在导弹告警、紫外制导、紫外通信等军事应用上具有广阔的前景,已经成为各个军事强国研究的重点[1]。
紫外光是指波长在0.01~0.4 μm之间的电磁波,因为高空大气中的臭氧层对0.24~0.28 μm波段的紫外光存在着强烈的吸收,使得该波段的太阳辐射难以到达地面,形成对流层以下近地表几近完美的暗室,因此该谱段也被称为“日盲紫外”。当工作在该谱段的系统对导弹等目标进行探测时,可以有效避开最强大的自然光源,在极其简单的背景条件下获取目标信息[2]。
导弹紫外告警系统正是基于该特点获得了快速发展。除了背景简单、虚警率低之外,紫外系统还具有体积小、质量轻、结构简单、无需制冷等诸多优势,因此近年来紫外探测技术获得了飞速发展,紫外告警技术也逐渐取代了起步更早的红外告警与雷达告警成为导弹逼近告警的主要技术手段,在光电对抗领域发挥着越来越重要的作用[3]。
经过30多年的发展,紫外告警系统形成了两代产品,十余种型号,在欧美发达国家的先进战机上得到广泛应用[4]。第一代紫外告警系统以光电倍增管作为核心探测器,概略接收紫外辐射并放大,从而判断导弹大致方位,因此称为概略型紫外告警系统。第一代紫外告警系统体积小、功耗低,但灵敏度较差、角分辨不高。典型代表有美国AN/ARR-47、以色列Guitar-300/320、南非MAWS等。第二代紫外告警系统为成像型紫外告警系统,其核心探测器为面阵成像器件,通过对探测器上目标图像进行解算,得到目标的空间位置坐标。第二代紫外告警系统接收视场很大,具有更强的探测能力和更高的角分辨率。典型代表有美国AN/AAR-54(V)、以色列Guitar-350、南非MAW-200等[5]。
紫外告警系统为提高系统覆盖性及探测灵敏度,一般要求光学系统具有大视场、大相对孔径。参考文献[6]中设计了一个相对孔径1∶2的准像方远心系统,但视场角较小仅为10°。参考文献[4]中的设计将视场角扩大到43°,但相对孔径仅1∶4,且采用了非球面和二元衍射光学元件,增加了成本与实现难度。参考文献[5]中的系统视场进一步扩大到60°,但同样采用了工程难以实现的非球面和二元衍射光学元件。参考文献[7]中设计的系统视场达到120°,且采用了准像方远心光路设计,但该系统一共采用11片透镜,能量损失较大,相对孔径达到1∶2,镜头较长、镜片较多,成本仍然需要进一步控制。
文中设计了一个相对孔径为1.5∶1、视场为130°、口径为6 mm的紫外光学系统。系统采用准像方远心设计,成像质量好,像面照度均匀。所有镜片均采用熔石英一种材料,结构紧凑,公差较松,较好地满足了成本控制和工程实现性要求。表1给出了设计结果与相关参考文献光学系统设计结果的指标对比情况。
Parameter Proposed Ref. [4] Ref. [5] Ref. [6] Ref. [7] Spectrum/nm 255-275 240-280 240-280 260-270 254-272 FOV/(°) 130 8 60 10 120 Focal lenth/mm 9 150 34 100 6.95 Relative aperture 1.5∶1 1∶3 1∶3 1∶2 1∶2 Nyquist frequency 4 20 21.3 10 - MTF >0.36 >0.7 - >0.4 - Number of lenses 8 5 5 6 7 Material Silica Silica, CAF2 Silica, CAF2 Silica, CAF2 Silica, CAF2 Surface shape Sphere Sphere 2 asphere,1 binary Sphere - Table 1. Compared with other optical systems
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为提高系统性能,需要设计大视场、大相对孔径的光学系统。根据覆盖视场搭接、探测器选型、像质、接口与工程实现等要求,总结光学系统设计指标要求如表2所示。
Parameter Design requirements Spectrum/μm 0.255-0.275 Aperture/mm ≥6 FOV/(°) ≥130 Overall length/mm ≤110 BFL(including detector window)/mm ≥7.5 Transmittance (without filter) ≥0.92 MTF/lp·mm−1 ≥0.3@4 Illumination uniformity ≤10% RMS scattering radius/μm <125 Table 2. Design requirements of optical system
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由设计指标可以看出,所设计的光学系统具有大相对口径、大视场等特点,此外还要求考虑满足机载工作环境。反射式系统虽然没有色差,但受视场角和体积的限制而无法选用。综合考虑光学系统的特点、工程实现性、成本等因素,光学系统选择透射式结构。
透射式系统色差校正是难点,而紫外透射材料折射率均较低,且紫外材料的温度特性较差,部分材料还吸湿,易受潮老化降低材料本身的透过率。因此,要考虑尽量选用同种强环境适应性材料,以降低环境温度、湿度、压强等变化对系统像质和寿命的影响,同时尽可能选择成本低的材料。因此,只能在有限的材料中进行选择,并进行温度适应性设计和像差校正,需要增加镜片数和镜片厚度,同时又要确保系统透过率和像面照度均匀性。上述问题成为系统设计需要解决的主要难点。综合考虑后,光学系统材料选用熔石英。
超广角镜头结构主要有反远距、鲁沙尔及托普岗等形式。其中,鲁沙尔及托普岗等结构形式关于孔径光阑对称,可以较好地校正轴外像差,但它们的像方视场角大,像面照度均匀性较差,后截距较短;而反远距型具有较长的后截距,可以设计成准像方远心形式,以保证像面照度的均匀性。系统要求具有一定的后截距,以便放置探测器组件,因此选用反远距型。
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光学系统像面照度的公式为:
式中:
$E'$ 为像面轴外视场照度;${E_0}$ 为视场中心照度;${K_1}$ 为几何渐晕系数,${K_1}$ ≤1;${K_2}$ 为轴外光束截面积与轴上光束截面积之比,即像差渐晕系数,当存在光阑彗差时,${K_2}$ >1;$\omega '$ 为像方半视场角。由公式(6)可知,像面轴外视场照度与像方视场角余弦的四次方成正比。因此,为提高像面照度均匀性,综合采用以下三种方法进行设计:(1)合理利用桶形畸变,使像方轴外视场变小,以提高边缘视场的照度值;(2)合理利用渐晕,使轴外入瞳口径随视场的增大而增大,以保持各视场照度一致性;(3)采用准像方远心光路设计,以减小边缘视场在像面的入射角,减少因斜入射到探测器像面引起的能量损失。
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像方远心系统一般分为两组:前组为负光焦度,用于扩大视场角;后组为正光焦度,通常为三片式。为校正像差,两组均增加了片数,两组各四片镜片。光学系统设计结果如图1所示。
整个系统的八片镜片均采用物理化学性能优良的熔石英材料,单片透过率达0.995/cm以上,整体透过率达0.96以上(不含滤光片,中间的四片平板玻璃为滤光片组件)。系统口径为6.00 mm,焦距为9.00 mm,相对孔径为1.5∶1,视场角为130°,系统总长度为108.99 mm,后截距为9.35 mm。以上结果均满足或优于设计指标要求。
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光学系统的MTF如图2所示,全视场MTF均大于0.36。
光学系统点列图如图3和表3所示,边缘视场最大弥散斑RMS值小于108.3 μm,全视场弥散斑RMS均满足小于125 μm指标要求。
Field/(°) 0 30 40 50 58 65 RMS radius/μm 108.3 92.6 90.7 96.6 106.8 108.2 Table 3. Dispersion spot of optical system
光学系统像面照度如图4所示,最大照度差为8%,优于10%的设计要求。
图5所示为加工、装调完成后的日盲紫外告警系统镜头。
Design of solar-blind ultraviolet warning optical system with large FOV and large relative aperture
doi: 10.3788/IRLA20200260
- Received Date: 2020-07-02
- Rev Recd Date: 2020-10-11
- Available Online: 2021-02-07
- Publish Date: 2021-02-07
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Key words:
- optical design /
- large FOV /
- relative aperture /
- solar-blind ultraviolet /
- missile warning
Abstract: Due to its high sensitivity, low false alarm rate, small volume, light weight, simple configuration and without cooling system, solar-blind ultraviolet detecting system is widely used in guidance, communication etc., especially in missile warning. According to the application requirements, a solar-blind ultraviolet warning optical system with large field of view and large relative aperture was designed. Based on the requirements of working distance etc., optical system aperture and other parameters were analized. Combined with the actual situation, the optical system selection and difficulty analysis were carried out. Three methods were used to solve the problem of illumination uniformity, and the design results of solar blind ultraviolet optical system with large field of view and large relative aperture were given. It has fine image quality in working spectrum 0.255-0.275 μm. All elements were designed with sphere and used fused silica only, thus have loose tolerance and are convenient for manufacturing and alignment.