于洵　韓少博　趙瑩等

摘要：設(shè)計了一種用于紅外光電系統(tǒng)性能測試的目標(biāo)模擬器的光學(xué)系統(tǒng)。原理上采用一個無焦系統(tǒng)與后聚焦系統(tǒng)的組合系統(tǒng)，利用Zemax光學(xué)設(shè)計軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，最終設(shè)計結(jié)果為工作波段8～12 μm，焦距230.599 mm，視場12°，入瞳距600 mm，入瞳直徑100 mm。整個光學(xué)系統(tǒng)有9個光學(xué)透鏡，最大口徑229.77 mm，光學(xué)系統(tǒng)達(dá)到衍射極限，全視場MTF均優(yōu)于0.39，80%的能量集中在23 μm的彌散圓內(nèi)。各項(xiàng)指標(biāo)都滿足設(shè)計要求，能很好地應(yīng)用于紅外光電系統(tǒng)的性能測試。

關(guān)鍵詞：紅外； 目標(biāo)模擬器； 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計； 投影光學(xué)系統(tǒng)

中圖分類號： TN 21 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2015.01.009

Abstract： We design an optical system of infrared target simulator for infrared optical testing system. A non-focal and back-focal systems were adopted. We use Zemax software to design and optimize the system. The optical system works at 8-12 μm with a field of view of 12°， a focal length of 230.599 mm， an exit pupil distance of 600 mm and an exit pupil diameter of 100 mm. The optical system has 9 lenses. The lens with the largest diameter is 229.77 mm. The designed optical system almost achieves diffraction limit. MTF of full fields are more than 0.39.80% energy is focused within 23 μm diffraction circle. The design meets the requirement. The system is good for infrared optical testing system.

Keywords：infrared； target simulator； optical system design； projection optical system

引 言

紅外目標(biāo)模擬器是紅外半實(shí)物仿真中的關(guān)鍵部件。紅外目標(biāo)模擬器的光學(xué)系統(tǒng)的作用就是將紅外場景生成器產(chǎn)生的紅外目標(biāo)準(zhǔn)直投射到被測系統(tǒng)，準(zhǔn)直系統(tǒng)的出瞳要與被測系統(tǒng)的入瞳重合，模擬來自無窮遠(yuǎn)的紅外目標(biāo)，以便檢測被測系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。為了保證模擬目標(biāo)器的性能，投射光學(xué)系統(tǒng)的性能必須與被測系統(tǒng)的光譜波段、出瞳位置和尺寸、視場角、分辨率等各項(xiàng)要求相匹配。可見，目標(biāo)模擬器的光學(xué)系統(tǒng)在整個紅外目標(biāo)模擬器中具有非常重要的作用，它直接影響到目標(biāo)模擬器的各項(xiàng)性能。

1 光學(xué)系統(tǒng)的指標(biāo)

投射光學(xué)系統(tǒng)要求將產(chǎn)生的紅外目標(biāo)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直投射到被測系統(tǒng)。該紅外準(zhǔn)直投射光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)由三個因素確定：（1）被測紅外搜索跟蹤光電系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)；（2）紅外發(fā)射器的有效尺寸；（3）被測系統(tǒng)與紅外場景投射器的光機(jī)耦合的限制。這三個因素基本決定了紅外準(zhǔn)直投射光學(xué)系統(tǒng)的工作波段、視場、焦距、出瞳直徑、出瞳距和光學(xué)系統(tǒng)尺寸等技術(shù)指標(biāo)。

根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的要求，紅外目標(biāo)模擬工作波段為8～12 μm，光學(xué)系統(tǒng)的視場角為12°。確定光學(xué)系統(tǒng)的視場角后，得知紅外目標(biāo)產(chǎn)生器的工作面為48.50 mm，就可以確定光學(xué)系統(tǒng)的焦距為230.56 mm。紅外目標(biāo)模擬器光學(xué)系統(tǒng)和被測系統(tǒng)組合成復(fù)合系統(tǒng)，紅外目標(biāo)模擬器的出瞳參數(shù)必須與被測系統(tǒng)入瞳相匹配才能達(dá)到最優(yōu)測試效果。根據(jù)瞳孔比配原則，被測系統(tǒng)的入瞳就是紅外目標(biāo)模擬器光學(xué)系統(tǒng)的出瞳，紅外準(zhǔn)直投射光學(xué)系統(tǒng)的出瞳尺寸要大于等于被測系統(tǒng)的入瞳尺寸，以防止通過系統(tǒng)的能量被阻擋或漸暈。

2 結(jié)構(gòu)形式和材料的選擇

2.1 結(jié)構(gòu)形式的選擇

根據(jù)光路可逆原理，采用反向設(shè)計，即采用平行光入射，其像面位于光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上。在設(shè)計時采用準(zhǔn)直投射光學(xué)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，將紅外目標(biāo)發(fā)生器放置在準(zhǔn)直投射系統(tǒng)的焦面上來模擬無窮遠(yuǎn)的紅外目標(biāo)。

準(zhǔn)直投射光學(xué)系統(tǒng)一般有透射式和反射式兩種。反射式系統(tǒng)對于材料沒有限制，在材料表面鍍膜即可，沒有色差，鏡筒可以做的很短，軸外像差校正容易。但反射式系統(tǒng)存在眾多缺點(diǎn)，比如由于次反射鏡存在中心遮擋，導(dǎo)致透過率下降，次反射鏡的固定和校正較困難，同時反射式系統(tǒng)的視場一般較小，不能滿足大視場、大孔徑的要求。相比較而言，透射式光學(xué)系統(tǒng)校驗(yàn)方便，且能滿足較大視場和孔徑的像質(zhì)要求。因此在設(shè)計中，采用透射式結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直投射光學(xué)系統(tǒng)。

根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，出瞳距為600 mm，出瞳直徑為100 mm，采用透射式結(jié)構(gòu)，軸外光束在第一組透鏡上的投射高度很大。光學(xué)系統(tǒng)的視場為12°，第一片透鏡的口徑為：

致使第一片透鏡的通光孔徑D1大約在226 mm，采用一次透射式結(jié)構(gòu)，軸外像差校正難度大，因此采用無焦系統(tǒng)和聚焦系統(tǒng)的復(fù)合系統(tǒng)。不僅可以減小系統(tǒng)后面透鏡的尺寸，減輕系統(tǒng)重量還可能降低軸外像差的校正難度，同時在分束鏡位置引入平行光還可以減小分束鏡帶來的像差。透射式結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示，工作方向與設(shè)計方向相反，加入分?jǐn)?shù)鏡便于引入另一路目標(biāo)源。

2.2 材料的選擇

紅外光學(xué)系統(tǒng)與可見光光學(xué)系統(tǒng)的主要區(qū)別在于只有有限的材料可有效應(yīng)用于中波紅外和長波紅外波段，能同時應(yīng)用于這兩個波段的材料就更少。鍺、硅等是紅外光學(xué)系統(tǒng)常用材料，表1所示為紅外光學(xué)材料對不同波長的折射率。

光學(xué)材料的折射率越高，越有利于像差的校正。鍺在中長紅外波段都具有較高的折射率，并且鍺也是最常見的紅外光學(xué)材料，但這種材料對溫度比較敏感，若系統(tǒng)工作在寬溫度范圍，就需要進(jìn)行無熱化處理，硒化鋅是分光棱鏡加工的常用材料。鍺和硒化鋅在中長紅外波段都具有較高的折射率和穩(wěn)定的透射率，組合使用可以有效的校正系統(tǒng)的色差。紅外目標(biāo)模擬器是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下工作的，考慮到紅外材料的價格，各種機(jī)械性能等因素，準(zhǔn)直投射光學(xué)系統(tǒng)采用鍺和硒化鋅。

3 設(shè)計結(jié)果與像質(zhì)評價

取中心波長為10 μm，使用Zemax光學(xué)設(shè)計軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，系統(tǒng)的球差，畸變，色差等像差都得到了有效的校正，最終的設(shè)計結(jié)果如圖2所示。

該系統(tǒng)使用鍺和硒化鋅兩種材料，系統(tǒng)共有9片透鏡組成。除分束鏡和第6片透鏡使用硒化鋅外，其余透鏡均使用鍺材料。

利用Zemax優(yōu)化后的最終結(jié)果為：焦距230.559 9 mm，出瞳口徑100 mm，出瞳距600 mm，第一片透鏡的口徑229.77 mm。

系統(tǒng)的愛里斑D′=2.44λfD，其中f為系統(tǒng)的焦距，D為出瞳直徑，λ為中心波長，可得系統(tǒng)的愛里斑為56.3 μm。圖3為光學(xué)系統(tǒng)的點(diǎn)列圖，從系統(tǒng)的點(diǎn)列圖彌散斑大小可計算出，彌散角分別為 0.06 mrad，0.07 mrad，0.08 mrad，均優(yōu)于系統(tǒng)所需指標(biāo)。

圖4為系統(tǒng)的光學(xué)調(diào)制函數(shù)MTF圖，從圖4中可以看出，系統(tǒng)各視場在20 lp/mm處的MTF值均優(yōu)于0.39，達(dá)到衍射極限，滿足系統(tǒng)的需求。

圖5為光學(xué)系統(tǒng)的畸變圖，系統(tǒng)的最大畸變<1.4%，每100個像素點(diǎn)中，有不到2個像素畸變量，能滿足系統(tǒng)精度要求。

圖6為光學(xué)系統(tǒng)的能量圖，系統(tǒng)80%的能量都集中在23 μm的彌散圓內(nèi)，可滿足系統(tǒng)對能量的要求。

4 結(jié) 論

設(shè)計了適用于工作波段為8～12 μm的紅外目標(biāo)模擬器的光學(xué)系統(tǒng)。在設(shè)計時利用光路可逆的原理，將光學(xué)系統(tǒng)的工作方向與設(shè)計方向相反。系統(tǒng)具有大入瞳距，大入瞳口徑，大視場，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，在像差校正過程中引入了非球面以進(jìn)一步校正像差。該紅外目標(biāo)模擬器具有能量集中，空間分辨率高，動態(tài)范圍寬等特點(diǎn)，能很好地應(yīng)用于紅外武器的測試。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉鈞，高明.光學(xué)設(shè)計[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

[2] 趙秀麗.紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.

[3] 韓軍，劉鈞.工程光學(xué)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.

[4] 吉小輝，孫厚環(huán)，周必方，等.大視場平行光管的研究與設(shè)計[J].光學(xué)儀器，2007，29（3）：36-37.

[5] 毛文煒.現(xiàn)在光學(xué)鏡頭設(shè)計方法與實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[6] 呂銀環(huán)，張濤，董廣輝.大視場可見光目標(biāo)模擬器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J].光電工程，2012，39（6）：86-88.

[7] 于旭東，朱文超，李林，等.紅外多目標(biāo)復(fù)合模擬器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J].光學(xué)技術(shù)，2012，38（5）：630-632.

（編輯：張 磊）