中波紅外長焦距折反光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

摘要: 針對多模制導(dǎo)中長焦距紅外光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊及寬溫度范圍熱穩(wěn)定性的要求,設(shè)計了一種中波紅外折反光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)其它模式制導(dǎo)的要求,采用固定焦距和口徑的主鏡,通過二次成像,在保持長焦距的同時減小了透鏡的口徑,降低了到達(dá)中繼成像系統(tǒng)主光線的高度,同時也降低了制造成本。設(shè)計了波長為3.7~4.8 μm、焦距f為300 mm、F數(shù)為2的中波紅外成像系統(tǒng)。結(jié)果表明,該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊像質(zhì)優(yōu)良,各視場光學(xué)傳遞函數(shù)均大于0.6,接近衍射極限,并且在-50~70℃可實(shí)現(xiàn)光學(xué)被動消熱差。針對該光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了公差分析并提出了抑制雜散輻射的方法,該系統(tǒng)滿足實(shí)際加工和應(yīng)用需求。

1. 引言

近年來，隨著紅外探測器技術(shù)的飛速發(fā)展，探測器像元尺寸逐漸縮小，面陣規(guī)模逐漸增大，這為設(shè)計簡單、緊湊、遠(yuǎn)作用距離的前視紅外光學(xué)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。目前在中波紅外長焦距光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中，由于大口徑的紅外材料價格昂貴，因此多采用反射式的結(jié)構(gòu)，但是視場無法做大。采用折反式紅外成像系統(tǒng)能夠集合透射式和反射式的優(yōu)點(diǎn)，具有更大的遠(yuǎn)攝比和視場。尤其在多模式混合制導(dǎo)系統(tǒng)中，要求光學(xué)系統(tǒng)有較低的遮攔比和緊湊的結(jié)構(gòu)，以減少對其它模式探測的影響，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢更為明顯。

一般多模制導(dǎo)系統(tǒng)的工作環(huán)境溫度在-50~70 ℃，而紅外材料的折射率受溫度影響較大，嚴(yán)重降低成像質(zhì)量。目前針對紅外系統(tǒng)的無熱化分析。主要采用衍射元件，利用其特殊的色散性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)消色差、消熱差。但是衍射元件的衍射效率也是需要考慮的問題，而且會給系統(tǒng)引入額外的雜散光。另外機(jī)電式主動調(diào)焦補(bǔ)償系統(tǒng)也常用于紅外光學(xué)系統(tǒng)無熱化設(shè)計當(dāng)中。

針對上述分析，本文設(shè)計了一種適用于多模式制導(dǎo)的長焦紅外折反系統(tǒng)，波段為3.7~4.8μm，F(xiàn)數(shù)為2，100%冷光闌效率，并且在-50~70 ℃實(shí)現(xiàn)了消熱差，成像質(zhì)量接近衍射極限。

2. 折反系統(tǒng)設(shè)計

中波紅外系統(tǒng)由于要滿足冷闌效率，需要使系統(tǒng)的出瞳與探測器的冷闌匹配，而如果采用R-C反射鏡結(jié)構(gòu)，將會導(dǎo)致次鏡口徑過大，增加系統(tǒng)的遮攔比，因此中波紅外反射系統(tǒng)通常采用二次成像的方式來實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。前組采用R-C雙反射結(jié)構(gòu)，后組采用具有一定放大率的中繼成像系統(tǒng)。

圖1.二次成像折返結(jié)構(gòu)

圖2.光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

7. 雜散光分析

在紅外光學(xué)系統(tǒng)中，雜散輻射對成像質(zhì)量的 影響成為必須考慮的因素。折反二次成像系統(tǒng)的雜散光抑制可以采用以下方法：首先對于來自成像視場外的雜散光，可以采用主鏡遮光筒和次鏡遮光筒，內(nèi)外表面可以進(jìn)一步加工消光螺紋，有效地減少一次及多次反射進(jìn)入探測器的雜散光，通過設(shè)置主鏡鏡筒的長度可以控制入射到主鏡的視場外的雜光;其次利用二次成像部分，在一次成像面附近加入視場光闌限制入口的光束。

本文最后使用Lighttools，采用逆光路法，將有效光線和雜散光分離，最終得到了百分比表示的雜散光系數(shù)，分析時因?yàn)闆]有實(shí)際測量各個表面的透射率，按照經(jīng)驗(yàn)取2%的反射率，追跡107條光線，在右側(cè)接收器的光線能量占輸出總能量的96%，由此可以分析出，該光學(xué)系統(tǒng)的雜散光的能量占探測器接收能量的2%，可以滿足成像探測需求。

圖8.Lighttools光線追跡圖

8. 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種緊湊型中波折反光學(xué)系統(tǒng)，用于多模混合制導(dǎo)中，該系統(tǒng)遮攔比低，體積小，且成像質(zhì)量優(yōu)良，-50~70 ℃消熱差，公差分析結(jié)果顯示該系統(tǒng)滿足加工及裝調(diào)成像要求。本文最后提出了一些消雜散光的措施，使得該系統(tǒng)能夠有效抑制太陽背景輻射以及系統(tǒng)內(nèi)部雜散輻射，從而提高信噪比。

審核編輯：湯梓紅