反射式红外多波段准直投影光学系统设计
陈博 王治乐 赵松庆 吴根水 高辉
摘要： ? ? ?针对红外制导半实物仿真领域的红外多波段准直投影系统的应用需求， 基于同轴三反射系统的物像关系和初级像差理论， 计算出系统的初始结构参数， 并综合运用了光阑离轴、 视场离轴和ZPL语言辅助优化等方法对同轴反射式系统进行离轴优化设计， 设计出一个工作波段为1～12 μm、 视场为8°、 焦距为360 mm、 出瞳距为1 300 mm的反射式红外多波段准直投影系统。 结果表明， 在截止频率为10 lp/mm处， 波段1～3 μm的MTF>0.81， 波段3～5 μm的MTF>0.63， 波段5～8 μm的MTF>0.42， 波段8～12 μm的MTF>0.20， 系统体积为240 mm×460 mm×307 mm， 达到设计要求。
关键词： ? ? 光学系统; 多波段; 准直投影; 大出瞳距; 离轴
中图分类号： ? ? ?TJ765; TN214文献标识码： ? ?A文章编号： ? ? 1673-5048（2019）02-0069-06
0引言
双色、 多光谱探测系统通过增加探测波段获取目标的光谱特性， 具有优于单色探测系统的探测能力和复杂环境条件下的目标识别与干扰判别能力， 能够对目标和干扰做出更加可靠的判定[1-3]。 因此， 双色、 多光谱成像探测技术成为空空导弹及空地导弹导引头发展的主流方向， 而新型红外导引头在研制末期需要对系统进行景象仿真测试[4-5]。 传统的红外双波段景象仿真测试仅针对导引头工作的红外双波段进行仿真， 可拓展性较差， 若需测试其他工作波段的制导系统， 需另行研发相应的仿真测试系统， 耗费人力、 物力和科研时间[6-7]。 红外多波段景象生成器能够解决这一问题， 其核心是反射式红外多波段准直投影系统的研发。 国外对半实物仿真系统研究较早， 美国埃格林空军基地[8]的低温场景半实物仿真系统已经过十多年的发展和升级， 其准直投影系统采用离轴三反结构， 各个波段的电阻阵列辐射经分束整合器融合后再经过投影系统被导引头接收。 德国电子与通讯技术研究所研制的多光谱目标仿真系统[9]， 使用大屏幕投影方式， 体积巨大。 美国阿诺德工程研发中心研制的真空冷舱结构可用于红外点源、 红外面源和可见光的多波段目标仿真[10]。 在国内， 杨乐等[6]设计了离轴三反红外双波段景象模拟器光学系统， 分析了孔径光阑远离主镜的离轴三反像差特性， 可工作在中波红外和长波红外双波段， 结构紧凑。 虞红等[11]设计了基于共口径方式的多谱段、 多目标源模拟系统， 采用了离轴两反的结构， 有大出瞳距但系统体积较大。 党东妮等[12]设计了宽波段DMD动态红外景象仿真器投影系统， 在较小视场内， 具有无色差、 波段宽、 成像质量高的优点。
本文主要介绍了反射式红外多波段准直投影光学系统的设计方法， 考虑到实际仿真环境的限制及反射式系统的出瞳距不能和系统的长度有很大重叠， 采用离轴三反结构使系统的出瞳距远远大于系统长度; 利用ZEMAX宏设计了系统边界条件优化函数消除中心遮拦， 并减小了系统的体积， 使结构更加紧凑; 反射镜高次非球面的使用大大减小了系统的高级像差， 设计得到了无色差， 覆盖近红外、 中红外和远红外的宽波段、 全反射、 大出瞳距的准直投影系统。
1设计方法
1.1初始结构参数的计算
反射式红外多波段准直投影系统采用反向设计的方法[13]， 反射式系统又分为同轴反射式系统和离轴反射式系统， 同轴反射式系统存在中心遮拦， 轴外像差难以校正， 视场一般很小[14-15]; 離轴反射式系统是在同轴反射式系统的基础上通过光阑离轴或视场离轴的方式， 消除中心遮拦， 增加可优化变量， 以优化系统的球差、 彗差、 像散、 场曲、 畸变等像差[16]。
现在较为常用的反射式系统为离轴三反系统， 广泛应用于空间相机光学系统中， 其视场为线视场， 探测波段为可见光[17]。 现阶段， 离轴三反系统更多的使用了自由曲面， 使系统的成像质量更加优良， 但对反射镜加工检测技术要求较高， 明显增加成本; 主三镜一体化设计， 结构更加简单， 减少了加工检测的复杂度， 便于装调; 应用无光焦度的平面镜来转折光路， 使系统结构更紧凑。 本文设计的光学系统具有大出瞳距和较大面视场， 对光学系统的体积优化设计提出了更高的要求。
首先， 利用高斯光学知识和初级像差理论计算同轴三反系统的初始结构[18]。 同轴三反系统光学系统图如图1所示， 光阑远离主镜， 位于主镜的前方。
图1中， 入射平行光从孔径光阑依次经过主镜1、 次镜2、 三镜3的反射最终到达成像面。 物体位于无穷远， 即l1=∞， u1=0。 其中： 三个反射镜的曲率半径用r1， r2， ?r3表示; ?镜片之间间隔用d1， d2表示; ?三镜到像面的距离为d3; ?圆锥系数用-e12， -e22， -e32表示; 次镜对主镜的遮拦比为α1; 三镜对次镜的遮拦比为α2; 次镜的放大率为β1; 三镜的放大率为β2， 因此可得下式：
航空兵器2019年第26卷第2期陈博， 等： 反射式红外多波段准直投影光学系统设计α1=l2f ′≈h2h1
α2=l3l′2≈h3h2
β1=l′2l2=u2u′2
β2=l′3l3=u3u′3 （1）
根据高斯光学的物像关系， 将式（1）代入式（2）， 求出 r1， r2， r3， d1， d2：
n′l′-nl=n′-nr（2）
r1=2β1β2f ′
r2=2α1β2（1+β1）f ′
r3=2α1α21+β2f ′
d1=r12（1-α1）
d2=r12α1β1（1-α2） （3）
式中： f ′为反射式系统的焦距。
在进行同轴反射式系统初始结构的计算时， 选择不同的α1， α2， β1， β2， f ′的值， 就会计算出不同的初始结构参数。 当设计的光学系统对长度有特别限定的时候， 一般需要给定d1， d2， d3的值作为已知条件， 其中d3=-l3′， 规定光线从左向右的入射方向为正， 则有d10， ?d3<0， 得到
1r1-1r2+1r3=SIV
r1r2-2r2d12r1-4d1-2r2-d2=1f ′
2（r1r3-2r3d1-r2r3）+12r1r2=d3f ′ （4）
令匹兹万和数SⅣ=0， 将系统的焦距f ′和设定的d1， d2， d3代入式（4）中可求出三个反射镜的曲率半径， 再根据下式计算出α1， α2， β1， β2：
α1=1-2d1r1
α2=1-2d1（r1-2d1-r2）r2（r1-2d1）
β1=-r2r2-r1+2d1
β2=r3β1r1-2β1d1-2d2-r3 （5）
根据初级像差理论， 建立反射式系统的球差SⅠ、 彗差SⅡ、 像散SⅢ和场曲SⅣ关于-e12， -e22， -e32的关系式， 再根据系统要求的球差、 彗差、 像散和场曲求得三个反射镜的圆锥系数-e12， -e22， -e32， 从而建立反射式系统的初始结构。
1.2离轴方法
离轴反射式系统的设计采用在同轴系统基础上进行光阑离轴、 视场离轴或两者结合的方式[19]。
光阑置于主镜上或之前， 称为光阑离轴， 只使用主镜不被挡光的一部分孔径以消除中心遮拦。 采用光阑离轴的方法， 虽然可以使系统结构变得更加紧凑， 但是在较大视场的情况下， 成像质量下降很大; 将光阑置于次镜上， 通过视场的倾斜来避免中心遮拦， 光阑不离轴， 称为视场离轴。 视场离轴的三反系统具有更强的像差校正能力， 视场较大， 成像质量好， 比较适合大视场、 大相对口径的要求[20]。 本文结合这两种离轴方式设计反射式红外多波段准直投影系统。
2設计结果
本文所设计的反射式红外多波段准直投影系统的技术指标要求如表1所示。
根据上表要求， 光学系统具有大出瞳距和大视场， 光学系统设计不仅要关注系统的成像质量， 还要注意对系统体积的约束。
2.1同轴反射式系统设计
设定系统各个镜片的间隔， 使系统的长度得到有效控制， 根据前文提到的设计方法计算得到同轴系统的初始结构参数， 如表2所示。
由于所设计光学系统需满足实际工程需求， 即反射式准直投影系统放置在导引头的景象生成器之间， 且正常工作时互不干扰[21]， 则需要在次镜和三镜之间插入一片平面镜进行光路转折， 优化后系统结构图和点列图分别如图2～3所示。
可以看出， 同轴反射式系统存在较大中心遮拦， 严重影响进入红外光学系统的能量。 由于视场较大为8°， 中心视场的像差可以得到有效的校正， 然而边缘视场的像差难以校正， 主要是球差、 彗差和像散。 因此， 需要对同轴反射式系统进行离轴化处理， 增加可优化变量， 使像差降至合理范围， 达到技术指标要求。
2.2同轴系统离轴化设计及分析
对同轴系统进行离轴化设计可以消除中心遮拦现象， 也可较好地校正边缘视场的像差， 增大反射式系统的有效视场。 本系统的孔径光阑远离主镜放置， 由于有较长出瞳距和较大视场， 使主镜的通光口径非常大， 严重影响对系统体积的控制， 故采用光阑离轴和视场离轴相结合的方式进行设计。 设定光阑离轴量为70 mm， 系统整体视场离轴角度为9°， 将系统的主镜、 次镜、 三镜的曲率半径和Conic系数作为优化变量进行初始优化， 使系统无中心遮拦。 然后， 继续优化次镜、 折转平面镜、 三镜和像面的倾斜角度， 使系统的各个像差进一步减小， 此时， 为防止在优化过程中， 系统大幅增加长度来平衡像差， 需保持各个镜片的间距不变。 然而， 在优化各个镜片的倾斜角度时， 系统往往会趋于同轴化， 需要设定一些控制系统边界条件的评价函数， 利用光学设计软件ZEMAX中的ZPL语言辅助优化光学系统， 在光线易发生遮拦的位置设定经反射镜反射之后入射光和反射光相近光线在垂轴平面上的最小间隔为5 mm， 将孔径光阑的离轴量进行优化， 最终得到符合设计要求的离轴反射式系统， 如图4所示。 ?优化之后各波段的MTF曲线如图5～8所示。
由设计的光学系统可知， 主镜、 次镜和三镜都使用了高次非球面， 出瞳直径为60 mm， 焦距为360 mm， 有效视场为8°， 投影准直系统的出瞳距为1 300 mm， 在截止频率为10 lp/mm处， 波段为1～3 μm的MTF>0.81， 波段为3～5 μm的MTF>0.63， 波段为5～8 μm的MTF>0.42， 波段为8～12 μm的MTF>0.20， 各波段的MTF除了边缘视场外， 其余视场成像质量都接近衍射极限， 系统体积为240 mm×460 mm×307 mm， 各项设计参数满足技术指标要求。
3结论
与用于观测的空间相机三反射结构相比， 红外准直投影系统体积较小， 对较大面视场成像， 且高次非球面的使用使系统成像质量更加优良。 虽然自由曲面在像差优化方面更加有利， 但加工检测困难， 成本较高。 与现有用于景象模拟的系统相比， 设计的系统长度远远小于出瞳距， 使出瞳距得到了更好的利用， 防止发生碰撞， 在设计波段1～12 μm宽波段内全视场成像优良。 光学系统设计采用光阑离轴和视场离轴相结合的方式， 并对系统各个镜片的边界进行了有效优化， 既消除了中心遮拦现象， 也大大减小了系统的体积， 使系统小型化和轻量化， 能够用于红外制导半实物仿真领域。 随着离轴反射式系统装调技术及非球面加工和检测技术的不断发展， 这类系统凭借其特有的优点， 将会被广泛应用到其他领域。
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