劉芳芳，趙 健，叢 強(qiáng)，李妥妥，湯天瑾，吳 俊

制冷型中/長(zhǎng)波紅外雙波段一體化全反射式光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉芳芳1,2，趙 健1,2，叢 強(qiáng)3，李妥妥1,2，湯天瑾1,2，吳 俊1,2

（1. 北京空間機(jī)電研究所，北京 100076；2. 先進(jìn)光學(xué)遙感技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076；3. 航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

為避免透射式系統(tǒng)存在的色差問(wèn)題，采用離軸反射式光學(xué)系統(tǒng)，在三鏡后加分色片，分別成像到中波探測(cè)器及長(zhǎng)波探測(cè)器的焦面上，實(shí)現(xiàn)對(duì)中波紅外和長(zhǎng)波紅外兩個(gè)譜段信息的同時(shí)成像。該一體化系統(tǒng)由3個(gè)離軸反射鏡和一個(gè)分色片構(gòu)成，為校正系統(tǒng)像差，三鏡采用多項(xiàng)式曲面。采用二次成像結(jié)構(gòu)形式，具有100%冷光闌效率。系統(tǒng)F數(shù)為2.67，視場(chǎng)角11.4°×1.8°，工作波段為中波3.55～3.93mm，長(zhǎng)波10.3～12.5mm。中波紅外系統(tǒng)MTF平均值大于0.5@25lp/mm，長(zhǎng)波紅外系統(tǒng)MTF平均值大于0.4@12.5lp/mm，采用光學(xué)被動(dòng)式消熱差法對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，溫度適應(yīng)范圍為－40℃～＋60℃。

制冷型光學(xué)系統(tǒng)；紅外雙波段；離軸全反射式系統(tǒng)；被動(dòng)式消熱差

0 引言

紅外雙波段成像系統(tǒng)能夠同時(shí)在長(zhǎng)波和中波兩個(gè)波段獲取目標(biāo)信息，可以對(duì)復(fù)雜的背景進(jìn)行抑制，從而明顯降低虛警率，提高各類作戰(zhàn)任務(wù)的成功率，成為當(dāng)前各國(guó)軍事科學(xué)技術(shù)研究的應(yīng)用重點(diǎn)[1-3]。例如美國(guó)研制的多光譜熱成像儀共有15個(gè)譜段，其中包含2個(gè)中波紅外譜段和3個(gè)長(zhǎng)波紅外譜段。德國(guó)研制的BIRD衛(wèi)星為雙通道推掃成像儀[4]，工作譜段為3.4～4.2mm和8.5～9.3mm。非制冷型探測(cè)器利用紅外熱輻射效應(yīng)檢測(cè)，探測(cè)器在接收到紅外輻射后會(huì)轉(zhuǎn)換為熱，溫度會(huì)隨之升高，溫度的變化會(huì)以電信號(hào)的形式被放大和顯示出來(lái)。但同時(shí)也會(huì)形成噪聲信號(hào)，從而影響系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度，大大降低產(chǎn)品的可靠性[5]。制冷型探測(cè)器基于敏感材料的光電效應(yīng)，需要加制冷裝置，噪聲等效溫差極低，光靈敏度很高，因此大多軍用、航天、航船等紅外設(shè)備都采用制冷型紅外成像系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的紅外成像光學(xué)系統(tǒng)大都采用透射式系統(tǒng)或折反射形式，但可用于中波和長(zhǎng)波紅外譜段的透鏡材料較少，可同時(shí)應(yīng)用于兩個(gè)波長(zhǎng)的材料則更為有限，且透鏡材料價(jià)格昂貴。透射式系統(tǒng)在優(yōu)化設(shè)計(jì)中不可避免地會(huì)引入色差，且不易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的被動(dòng)式消熱設(shè)計(jì)。透鏡材料的均勻性對(duì)系統(tǒng)成像性能影響大，對(duì)透鏡材料的選擇提出一定的要求。

基于以上分析，本文采用離軸反射式系統(tǒng)通過(guò)分色片分光實(shí)現(xiàn)對(duì)中波紅外與長(zhǎng)波紅外的同時(shí)成像，采用二次成像的方式實(shí)現(xiàn)冷光闌匹配。

1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

1.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

針對(duì)目標(biāo)特性以及應(yīng)用需求，光學(xué)系統(tǒng)需要在500km軌道高度實(shí)現(xiàn)25m地面分辨率。采用像元尺寸為20mm的制冷型中波紅外和長(zhǎng)波紅外雙波段響應(yīng)探測(cè)器，其中短波有4000像元，長(zhǎng)波有2000像元。該光學(xué)系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

1.2 光學(xué)系統(tǒng)選型

制冷型紅外光學(xué)系統(tǒng)必須考慮探測(cè)器本身所帶的冷光闌和杜瓦瓶的位置和尺寸[6]。為滿足冷光闌效率大于98%的要求，需要保證光學(xué)系統(tǒng)出瞳與探測(cè)器冷光闌相匹配，為保證系統(tǒng)有足夠的出瞳距離，采用二次成像的結(jié)構(gòu)形式。同時(shí)，由設(shè)計(jì)指標(biāo)可知，系統(tǒng)的視場(chǎng)角大且F數(shù)小，離軸三反光學(xué)系統(tǒng)易于在弧矢方向?qū)崿F(xiàn)較大的線視場(chǎng)，使光學(xué)系統(tǒng)在焦面處完成推掃成像。且離軸反射式系統(tǒng)具有低輻射、無(wú)色差、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)[7]等優(yōu)點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)選擇了具有中間像的離軸三反光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式。

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)約束條件建立

根據(jù)上述分析，選擇CODEV軟件庫(kù)中的示例鏡頭作為初始結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 初始結(jié)構(gòu)圖

離軸反射式系統(tǒng)在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，易出現(xiàn)光線被反射鏡、分色片及像面等元件遮擋，且易出現(xiàn)系統(tǒng)出瞳、反射鏡、分色片及像面之間的干涉，因此在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)自定義函數(shù)構(gòu)建該系統(tǒng)的光線邊界約束條件，有效地控制各光學(xué)元件的離軸量和傾斜角度。

A1、A2為入射光位置，B1、B2為主鏡，C1、C2為次鏡，D1、D2為三鏡，E1、E2為分色片前表面，F(xiàn)1、F2為出瞳位置。自定義函數(shù)Point to Line對(duì)系統(tǒng)尺寸進(jìn)行約束，光線與表面的交點(diǎn)在光線上方為正，光線與表面的交點(diǎn)在光線下方為負(fù)，相應(yīng)的光路結(jié)構(gòu)與物理結(jié)構(gòu)約束條件如下式所示：

Point C1 to Line A2 B2≤－30mm (1)

Point A2 to Line B1 C1≥30mm (2)

Point B2 to Line C2 D1≥30mm (3)

Point D1 to Line B2 C2≤－30mm (4)

Point E1 to Line C1 D2≤－30mm (5)

Point F1 to Line C1 D2≤－30mm (6)

Point C2 to Line D1 E1≥30mm (7)

式(1)和(2)限制了入射光線與次鏡之間的位置關(guān)系，并留有一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)尺寸；式(3)和(4)限制了主鏡與次鏡的位置關(guān)系，并給雜散光抑制結(jié)構(gòu)留有一定的結(jié)構(gòu)余量；式(5)可以避免從次鏡出射的下邊緣光線被分色片遮擋；式(6)可以避免從次鏡出射的下邊緣光線被探測(cè)器的出瞳位置遮擋；式(7)限制了次鏡與像面的位置關(guān)系，并給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)留有一定的余量。以上公式保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理且緊湊。

2.2 光學(xué)系統(tǒng)初步優(yōu)化設(shè)計(jì)

采用上述初始結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)限制方法，確保系統(tǒng)各元件間不相互干涉。通過(guò)控制系統(tǒng)的理論像高與實(shí)際像高之差，保證系統(tǒng)的畸變滿足技術(shù)要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初步優(yōu)化設(shè)計(jì)。初步優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果如圖2所示，其中主鏡和三鏡采用高次非球面，次鏡采用二次曲面。由于視場(chǎng)角過(guò)大，只依靠三鏡難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的冷光闌匹配，所以在優(yōu)化過(guò)程中嘗試將中間像放到主鏡與次鏡中間，通過(guò)次鏡與三鏡共同作用實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)100%冷光闌效率。

圖2 初步優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

初步優(yōu)化后系統(tǒng)的MTF曲線如圖3所示。

中波譜段系統(tǒng)MTF全視場(chǎng)內(nèi)平均值大于0.5@25lp/mm，長(zhǎng)波譜段系統(tǒng)MTF全視場(chǎng)內(nèi)平均值大于0.36 @12.5lp/mm，未滿足技術(shù)要求，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化。

2.3 XY多項(xiàng)式自由曲面分析

目前，遙感衛(wèi)星的成像幅寬越來(lái)越寬，決定了光學(xué)系統(tǒng)的視場(chǎng)角也越來(lái)越大，傳統(tǒng)的二次曲面或高次非球面的設(shè)計(jì)自由度已經(jīng)不能滿足大視場(chǎng)的需求，具有更多自由度的自由曲面應(yīng)運(yùn)而生。自由曲面因具有非對(duì)稱的結(jié)構(gòu)形式，可提供更多的優(yōu)化自由度，提高光學(xué)系統(tǒng)的軸外像差平衡能力，有效校正離軸彗差與像散，從而大幅度提高大視場(chǎng)離軸光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量[8-13]。

自由曲面的數(shù)理模型有很多種，例如zernike多項(xiàng)式、多項(xiàng)式、高斯多項(xiàng)式等。本設(shè)計(jì)中的自由曲面表達(dá)式選擇多項(xiàng)式的數(shù)學(xué)模型，如式(8)所示與超精密光學(xué)元件加工車床的內(nèi)建自由曲面面型保持一致，可快速形成加工鏈路，并實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與加工的無(wú)損傳遞[10]。

式中：為半徑；為圓錐常數(shù)；a為xy項(xiàng)的系數(shù)，和為非負(fù)整數(shù)，且＋≥1；為xy的總項(xiàng)數(shù)。

為了保證自由曲面具有加工與檢測(cè)的可能性，在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，多項(xiàng)式自由曲面的多項(xiàng)式階次通常不超過(guò)8階。且xy中關(guān)于的奇次項(xiàng)系數(shù)設(shè)置為0，只采用的偶次冪項(xiàng)，可以保證表面關(guān)于面的對(duì)稱性，構(gòu)建對(duì)稱像質(zhì)。

圖3 初步優(yōu)化后系統(tǒng)MTF曲線

本設(shè)計(jì)所選用的光學(xué)系統(tǒng)包含主鏡、次鏡、三鏡和分色片4個(gè)光學(xué)元件。其中分色片起分光作用，實(shí)現(xiàn)光路的折轉(zhuǎn)與透射，其表面為平面。次鏡為凸面，其高精度檢測(cè)會(huì)成為后續(xù)生產(chǎn)過(guò)程中的難題，故放棄次鏡采用自由曲面的方案。由于系統(tǒng)F數(shù)小，視場(chǎng)角大且在后光路中需將中波與長(zhǎng)波進(jìn)行分光，將三鏡設(shè)置為自由曲面可更好地校正中間像處的像差，經(jīng)過(guò)分析優(yōu)化比較最終選擇三鏡為自由曲面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[14]。

自由曲面的面型參數(shù)也是從少到多，逐步增加。由于自由曲面加入后系統(tǒng)像差不再是絕對(duì)對(duì)稱，在優(yōu)化過(guò)程中需要觀察全視場(chǎng)的波像差圖，逐步增加控制點(diǎn)，保證全視場(chǎng)范圍內(nèi)無(wú)突變點(diǎn)。

2.4 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果

制冷型中長(zhǎng)波紅外雙波段一體化反射式光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后主鏡采用高次非球面，次鏡采用二次曲面，三鏡為多項(xiàng)式曲面，最高項(xiàng)為的8階項(xiàng)，光學(xué)系統(tǒng)結(jié)果如圖4所示。

經(jīng)優(yōu)化后系統(tǒng)成像質(zhì)量良好，滿足技術(shù)指標(biāo)的要求。針對(duì)紅外推掃成像的性能指標(biāo)要求，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行像質(zhì)評(píng)價(jià)。在全視場(chǎng)范圍內(nèi)中波紅外MTF在25lp/mm處均值大于0.54，長(zhǎng)波紅外MTF在12.5lp/mm處均值大于0.43，如圖5所示。

圖4 制冷型中長(zhǎng)波紅外雙波段一體化反射式光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖5 制冷型中長(zhǎng)波紅外雙波段一體化反射式光學(xué)系統(tǒng)MTF曲線

中波紅外與長(zhǎng)波紅外系統(tǒng)的畸變?nèi)鐖D6所示，最大畸變均不超過(guò)2%，具有很好的成像保真度。

圖6 制冷型中長(zhǎng)波紅外雙波段一體化反射式光學(xué)系統(tǒng)畸變網(wǎng)格

全視場(chǎng)范圍內(nèi)的波前像差圖如圖7所示，從圖中可以看出全視場(chǎng)范圍內(nèi)無(wú)突變點(diǎn)。

3 光學(xué)系統(tǒng)消熱設(shè)計(jì)

采用被動(dòng)消熱的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)－40℃～＋60℃的消熱設(shè)計(jì)。反射鏡材料選擇鋁合金，支撐材料也選擇鋁合金，反射鏡材料與支撐結(jié)構(gòu)材料相同，可消除溫度變化對(duì)系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)在兩個(gè)極端溫度的MTF曲線如圖8所示。

圖7 制冷型中長(zhǎng)波紅外雙波段一體化反射式光學(xué)系統(tǒng)全視場(chǎng)范圍內(nèi)RMS圖

圖8 制冷型中長(zhǎng)波紅外雙波段一體化反射式光學(xué)系統(tǒng)溫度分析

4 結(jié)論

本文基于多項(xiàng)式自由曲面設(shè)計(jì)了一個(gè)大視場(chǎng)，中波紅外與長(zhǎng)波紅外共光路，制冷型離軸三反光學(xué)系統(tǒng)。其視場(chǎng)角為11.4°×1.8°，F(xiàn)數(shù)為2.67，全視場(chǎng)范圍內(nèi)中波紅外在25lp/mm的空間截止頻率處MTF均值大于0.54，長(zhǎng)波紅外在12.5lp/mm的空間截止頻率處MTF均值大于0.43，系統(tǒng)畸變小于2%，系統(tǒng)整體成像性能優(yōu)良，溫度適應(yīng)范圍廣。在星載紅外推掃成像領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景。

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Design of Cooled Medium/Long Wave Infrared Dual-band Integrated Reflective Optical System

LIU Fangfang1,2，ZHAO Jian1,2，CONG Qiang3，LI Tuotuo1,2，TANG Tianjin1,2，WU Jun1,2

(1.,100076,; 2.,100076,; 3.,100094,)

A three-mirror anastigmatic(TMA) optical system was adopted to prevent chromatic aberration of the refractive system by adding a dichroic beam splitter behind the tertiary mirror to simultaneously implement the image to the MWIR and LWIR detectors. The integrated system included three off-axis mirrors and a dichroic beams plitter. The surface of the tertiary mirror was anpolynomial freeform surface that could correct system aberrations. The structure of the system was re-imaged with 100% cold shield efficiency. The F-number was 2.67, the full field of view(FOV) was 11.4°′1.8°, the working band is 3.55-3.93mm for the MWIR channel and 10.3-12.5mm for theLWIR channel. The modulation transfer function (MTF) average values of MWIR were greater than 0.5 at 25lp/mm, and the MTF average values of the LWIR were greater than 0.4 at 12.5lp/mm. The temperature compensation of the optical system was optical passive athermalization. The temperature range was-40℃ to+60℃.

cooled optical system, infrared dual-band, off-axis total reflection system, passive athermalization

TN216

A

1001-8891(2021)12-1166-06

2021-05-18；

2021-07-07.

劉芳芳（1991-）女，山東東營(yíng)人，工程師，碩士，主要從事遙感衛(wèi)星光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

國(guó)家自然科學(xué)基金（91738302）。