羅春華，王麗慧，王 鑫

（長春理工大學(xué)，吉林長春130022）

·紅外技術(shù)及應(yīng)用·

實用雙波段共孔徑光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

羅春華，王麗慧，王 鑫

（長春理工大學(xué)，吉林長春130022）

針對用于目標(biāo)定位、威脅告警以及搜索跟蹤等方面的雙波段共孔徑光學(xué)系統(tǒng)進行了研究，設(shè)計了一款將長波紅外與激光相結(jié)合的雙波段系統(tǒng)；該系統(tǒng)采用折射光學(xué)系統(tǒng)形式，在光路中采用分光片進行分光。該系統(tǒng)紅外波段傳遞函數(shù)值在25lp／mm時所有視場均大于0.2，在激光波段0.7視場以內(nèi)彌散圓直徑小于0.6 mm，且該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，既能滿足目標(biāo)搜索在捕獲階段的探測視場比較大的要求，又滿足目標(biāo)識別跟蹤階段的高分辨率要求，具有一定的實用價值。

光學(xué)設(shè)計；雙波段；ZEMAX；紅外；激光；分光

1 引 言

近幾年無論是在民用領(lǐng)域還是在軍事應(yīng)用領(lǐng)域，都對目標(biāo)探測的精度和抗干擾性提出了越來越高的要求。為了對目標(biāo)進行精確的探測，往往采用可見光系統(tǒng)、紅外系統(tǒng)、激光系統(tǒng)以及紫外系統(tǒng)等多系統(tǒng)拼接的方法來實現(xiàn)，但這種方式往往存在系統(tǒng)體積大、質(zhì)量大、不便于裝調(diào)、機動性能差等缺點［1］。為解決以上的缺點，本文設(shè)計了一款采用折射分光形式的雙波段共孔徑的光學(xué)系統(tǒng)［2］。該系統(tǒng)通過利用紅外熱成像不需要光源、能晝夜工作以及可透過煙幕屏障而看清目標(biāo)等優(yōu)點對目標(biāo)進行成像觀察，利用激光單色性好，抗干擾能力強等特點對目標(biāo)進行定位跟蹤，能夠出色的完成對目標(biāo)的精確定位、跟蹤以及成像觀察。

2 工作原理

根據(jù)黑體輻射曲線可知，與中波紅外相比，地面上的物體在長波紅外波段輻射出的能量更多，而且，對于一個確定的目標(biāo)背景溫差，長波紅外的輻射度差比在中波紅外大約高10倍，所以對長波紅外8～12μm波段進行成像設(shè)計是本次設(shè)計的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上對激光系統(tǒng)進行設(shè)計，激光系統(tǒng)采用的是輸出波長是1.064μm激光器，該波長正好處于大氣傳輸窗口，且在煙、塵土、霧等情況下傳輸性能好［3］。本次設(shè)計的系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，光線入射到透鏡組一，然后到達分光片，分光片將光束分為兩部分，其中一部分在分光片處發(fā)生反射，經(jīng)后續(xù)透鏡聚焦后到達激光探測器，另一部分透過分光片到達紅外探測器。本系統(tǒng)具體參數(shù)要求如表1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

表1 系統(tǒng)參數(shù)

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 結(jié)構(gòu)形式選擇

傳統(tǒng)的紅外光學(xué)系統(tǒng)有3類，即折射式、反射式和折反式。折射式鏡頭視場大，無遮擋損失，像差易通過光學(xué)設(shè)計校正，且易裝調(diào)；反射式鏡頭無色差，多波段系統(tǒng)可共用口徑，但其軸外像差較大，使用時多與折射系統(tǒng)相結(jié)合成折反式。通過對三種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的分析比較后，本次設(shè)計決定采用折射式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，相比于反射式和折反式具有視場大、無中心遮攔、易裝調(diào)等優(yōu)點［4］。同時為保證較高的透過率和比較簡單的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)采用四片透鏡加一片分光板的形式。

3.2 材料的選擇

由于本設(shè)計適用于紅外和激光兩個波段，所以對于材料的選擇尤為重要。對于激光部分可用的材料比較多，因為大部分的可見光材料都透過1.064μm波段，但是對于紅外部分可用的材料相對的比較少，根據(jù)查閱材料庫列出表2中材料滿足同時透過兩個波段。在本設(shè)計中選擇了用ZnSe和ZnS_BROAD兩種常見的紅外光學(xué)材料制做的透鏡作為雙波段的共用部分。

表2 雙波段可選材料

3.3 加入分光板

在平行平板表面鍍膜形成的分光片，傾斜45°后插入到系統(tǒng)中，引入的象差可以由以下幾個公式進行計算：

其中，U和u表示光線相對于光軸的傾斜角；Up和up表示平板的傾斜角；t表示平板厚度；n為基底材料的折射率；ν為基底材料的阿貝數(shù)。從理論分析可以看出分光片材料和厚度的選擇直接影響系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

本文對使用兩種不同分光片的系統(tǒng)進行了ZEMAX模擬設(shè)計，如圖2和3所示。

圖2 以ZnSe為分光片材料的系統(tǒng)

圖3 以ZnS為分光片材料的系統(tǒng)

同時分光板的加入使系統(tǒng)光線產(chǎn)生一個大小為D的橫向位移量如圖4所示，其大小可以由下式計算得出：

通過公式計算得出系統(tǒng)在加入以ZnSe為材料的分光片后系統(tǒng)的光軸向下偏移了約0.97mm，在加入以ZnS為材料的分光片后系統(tǒng)的光軸向下偏移了約0.93 mm。理論分析與模擬模擬實踐同時表明降低分光片材料的折射率可以有效的減少分光片產(chǎn)生的象差，降低其對系統(tǒng)成像質(zhì)量的影響，所以本次設(shè)計采用的是折射率較低的ZnS作為系統(tǒng)分光片材料［5］。

圖4 傾斜平板造成的光線橫向位移

3.4 激光部分系統(tǒng)設(shè)計

激光部分系統(tǒng)屬于被動成像系統(tǒng)，激光器照射目標(biāo)后，系統(tǒng)對目標(biāo)反射回來的信號進行檢測，并分析信號以確定目標(biāo)的位置，所以該系統(tǒng)不需要對目標(biāo)進行精確成像，對系統(tǒng)的分辨率要求不高，主要是要求能量要比較集中。所以在設(shè)計過程中僅采用點列圖的象質(zhì)評價方法，對系統(tǒng)成像質(zhì)量進行衡量，按照設(shè)計要求，系統(tǒng)中心視場點列圖的直徑小于0.6mm即可［6］。本設(shè)計該部分在原有共孔徑基礎(chǔ)上加入一片正光焦度的透鏡來縮小系統(tǒng)焦距，并提高成像質(zhì)量，其結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。

圖5 激光部分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.5 系統(tǒng)設(shè)計最后結(jié)果

該系統(tǒng)對長波紅外與激光雙波段進行了共孔徑設(shè)計，該系統(tǒng)激光部分的視場角為12°，焦距為40mm，相對孔徑比較大達到1／0.8這樣對于系統(tǒng)能量有更強的收集能力；系統(tǒng)中心視場的點列圖直徑小于0.6mm，可以對目標(biāo)進行大視場的定位跟蹤。該系統(tǒng)另一部分長波紅外的視場角為5°，F(xiàn)數(shù)為2，傳遞函數(shù)曲線在25lp／mm處所有視場均大于0.2，且接近衍射極限，可以完成對目標(biāo)的成像檢測。其結(jié)構(gòu)圖及兩部分的傳遞函數(shù)及點列圖如圖6～圖8所示。

圖6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖7 紅外系統(tǒng)的傳遞函數(shù)曲線和點列圖

圖8 激光系統(tǒng)的點列圖和相對照度圖

4 總 結(jié)

本論文首先對紅外及激光共孔徑系統(tǒng)進行了研究，然后用ZEMAX軟件對所選擇的結(jié)構(gòu)進行了一系列的分析及優(yōu)化，最后設(shè)計出一套比較理想的實用雙波段光學(xué)系統(tǒng)。其像質(zhì)在長波紅外8～12μm波段MTF曲線在25 lp／mm處所有視場均大于0.2，基本接近衍射極限；在激光1.064μm波段0.7視場以內(nèi)彌散斑直徑小于0.6mm，并且該系統(tǒng)總長度小于80mm，所有指標(biāo)滿足題目的要求，且結(jié)構(gòu)緊湊，裝校方便可行，該系統(tǒng)可以完成對目標(biāo)的搜索、定位及跟蹤。

［1］ GUO Bang-hui，SUN Qiang，WANG Zhi，et al.Design of 300－1100nm multiband optical imaging system and its stray light analysis［J］.Chinese Journal of Optics and Applied Optics，2010，3（5）：474－479.（in Chinese）郭邦輝，孫強，王志，等.300－1100nm多波段成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計及雜光分析［J］.中國光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)，2010，3（5）：474－479.

［2］ LIU Lin，HE Yi-liang，ZHANG Xing-de，et al. Design of a dual-band IR optic system based on harmonic diffraction［J］.Laser＆Infrared 2012，42（1）：85－88.（in Chinese）劉琳，賀誼亮，張興德，等.基于諧衍射特性的紅外雙波段光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計［J］.激光與紅外，2012，42（1）：85－88.

［3］ ZHAO Xiu-li.The infrared optical system design［M］.Beijing：Mechanical industry press，1986.（in Chinese）趙秀麗.紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1986.

［4］ LI Lin.Modern optical design method［M］. Beijing：Beijing Institute of technology Press，2009.（in Chinese）李林.現(xiàn)代光學(xué)設(shè)計方法［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2009.

［5］ Warren J Smith，ZHOU Jun-hua，et al.Modern Optical Engineering［M］.4th ed.Beijing：Chemical Industry Press，2011.（in Chinese）沃倫J史密斯，周君華，等.現(xiàn)代光學(xué)工程［M］.4版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

［6］ DIXiao-guang，YAO Yu，ZHOU Feng-qi.The Common aperture IR／Ladar dual-mode imaging seeker system［J］.Infrared and Laser Engineering，2005，34（5）：577－581.（in Chinese）諦小光，姚郁，周鳳岐.共孔徑紅外／激光雙模成像導(dǎo)引頭系統(tǒng)研究［J］.紅外與激光工程，2005，34（5）：577－581.

Design of practical dual-band common aperture optical system

LUO Chun-hua，WANG Li-hui，WANG Xin
（Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China）

Aiming at dual-band common aperture optical system for locating，warning and tracking，a dual-band optical system combining long wave infrared and laser was designed.The system adopts the refractive optical system，and the beam is splitby a beamsplitter.The MTF of the system in infrared band ismore than 0.2 at25lp／mm，the spot diameter is less than 0.6mm within 0.7 FOV of the laser band，and the system is compact.It can meet the requirement of larger field in capturing targetand the requirementof high resolution in tracking target，so the system has some practical value.

optical design；dual-band；ZEMAX；infrared；laser；beam split

TN219

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.02.0

1001-5078（2014）02-0196-04

羅春華（1963－），女，高級工程師，主要從事光學(xué)設(shè)計工作。E-mail：Lch＠cust.edu.cn

2013-06-26；

2013-07-19