激光/紅外雙模環(huán)形孔徑導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

導(dǎo)讀

信息化條件下的戰(zhàn)爭，使精確制導(dǎo)武器成為實(shí)施毀滅性打擊的重要手段。精確制導(dǎo)武器的打擊精度主要依賴導(dǎo)引頭的制導(dǎo)技術(shù)。隨著精確制導(dǎo)武器的對抗層次越來越多，對抗手段越來越復(fù)雜，在多變的現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境中，單一模式的制導(dǎo)很難滿足精確打擊的需要，所以多模復(fù)合制導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)得到了飛速發(fā)展。紅外/激光雙模復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)是世界各國研究的重點(diǎn)，它能實(shí)現(xiàn)光電互補(bǔ)，從而克服各自的不足，又綜合利用了二者的優(yōu)點(diǎn)。紅外成像系統(tǒng)主要用于探測場景，排除各種輕重誘餌的干擾，識別出欲攔截目標(biāo)。激光雷達(dá)發(fā)射激光束照亮所選目標(biāo)，反射回的激光會聚到探測器上以提取頻譜幅度、相位等多種信息。將這兩種傳感器提供的多種信息經(jīng)過信息融合處理可準(zhǔn)確識別目標(biāo)。

近日，中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所謝亞峰團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》發(fā)表“激光/紅外雙模環(huán)形孔徑導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”一文，文中介紹了該團(tuán)隊(duì)為了實(shí)現(xiàn)激光/紅外雙模導(dǎo)引頭成像系統(tǒng)的小型化，簡化光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了四次反射的雙模共光路環(huán)形孔徑超薄成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了僅有單一光學(xué)元件的長波紅外7.7~9.5μm和激光1.064μm雙模導(dǎo)引頭成像系統(tǒng)。

1 雙模共光路環(huán)形孔徑超薄成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理

環(huán)形孔徑超薄成像系統(tǒng)僅由單塊光學(xué)材料構(gòu)成，超薄透鏡的兩個表面均為環(huán)帶非球面反射面，在不同的環(huán)帶反射區(qū)域有不同的面型。成像光束通過超薄透鏡的外環(huán)通光口徑進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)，經(jīng)過一系列同心圓環(huán)反射區(qū)域后進(jìn)入位于透鏡中心的探測器進(jìn)行成像。激光/長波紅外雙模環(huán)形孔徑超薄成像系統(tǒng)的原理如圖1所示，兩個不同焦距的光學(xué)系統(tǒng)共用一個通光口徑分別成像在各自的探測器上。圖1中紅色成像光束是激光成像波段，藍(lán)色成像光束是長波紅外波段。激光/長波紅外雙模成像系統(tǒng)的近軸折射式光路如圖1(a)所示，在其中引入多個反射鏡對兩個波段光路進(jìn)行多次折疊，通過分光面分離長波紅外和激光波段成像光路，可以顯著減小系統(tǒng)的軸向尺寸，如圖1(b)所示。

圖1激光/長波紅外雙模環(huán)形孔徑超薄系統(tǒng)成像原理圖

（a）雙模近軸折射式結(jié)構(gòu)；(b)雙模近軸環(huán)形孔徑反射式結(jié)構(gòu)

2 激光/長波紅外雙模共光路環(huán)形孔徑超薄成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了應(yīng)用于長波紅外7.7~9.5μm和激光1.064μm的雙模導(dǎo)引頭成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)如表1所示。對于超薄成像系統(tǒng)的基底材料，不僅需要考慮兩個波段的透過率，還要考慮材料的光學(xué)特性和加工特性。選擇紅外硫系玻璃IRG206作為雙模環(huán)形孔徑超薄成像系統(tǒng)的基底材料，這種材料可以通過精密模壓實(shí)現(xiàn)批量化加工。

表1 激光/長波紅外雙模環(huán)形孔徑超薄成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)

通過優(yōu)化各環(huán)帶面型參數(shù)并控制系統(tǒng)總長和口徑，得到設(shè)計(jì)結(jié)果如圖2所示。系統(tǒng)的外徑直徑為80mm，遮攔區(qū)域直徑為53.4mm，遮攔比為0.67。經(jīng)過分光面后系統(tǒng)左側(cè)為長波紅外波段，系統(tǒng)右側(cè)為激光波段，雙模環(huán)形孔徑超薄成像系統(tǒng)的軸向尺寸為28mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于目前常用的卡式雙模導(dǎo)引頭成像系統(tǒng)尺寸。激光/長波紅外雙模環(huán)形孔徑超薄成像系統(tǒng)的實(shí)體結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖3(a)中，黃色透明區(qū)域表示折射透光環(huán)帶，銀白色區(qū)域表示反射環(huán)帶，粉色區(qū)域表示分光面。圖3(b)中，銀白色區(qū)域表示反射環(huán)帶，黃色透明區(qū)域表示折射透光環(huán)帶。

圖2 激光/長波紅外雙模環(huán)形孔徑超薄成像系統(tǒng)的光路圖

圖3 激光/長波紅外雙模環(huán)形孔徑超薄系統(tǒng)成像實(shí)體結(jié)構(gòu)。

(a)前表面；(b)后表面

3 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了一種適用于激光和長波紅外波段的雙模共光路環(huán)形孔徑超薄成像光學(xué)系統(tǒng)，給出了雙模環(huán)形孔徑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，完成了系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)參數(shù)的計(jì)算，通過環(huán)帶非球面的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了長波紅外7.7~9.5μm和激光1.064μm的雙模環(huán)形孔徑超薄導(dǎo)引頭成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)的外徑直徑為80mm，軸向尺寸為28mm。在長波紅外波段，空間頻率為41.7lp/mm時(shí)各視場MTF曲線接近衍射極限，MTF大于0.136。在激光波長、系統(tǒng)全視場范圍內(nèi)的光斑分布均勻，光斑彌散斑RMS最大值為280μm。對雙模環(huán)形空間超薄成像系統(tǒng)進(jìn)行了無熱化設(shè)計(jì)，在?40~80℃范圍內(nèi)，長波紅外波段的MTF曲線基本不變，各視場MTF最小值均大于0.13，激光波長的彌散斑形狀和能量分布基本沒有變化。考慮公差后，該系統(tǒng)在全視場范圍內(nèi)的MTF大于0.1，具備可加工性。設(shè)計(jì)結(jié)果對未來低成本、小型化激光/長波紅外雙模導(dǎo)引頭成像系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了新思路。

審核編輯：劉清