李文強* 趙克軍 趙 翔

（中國航空工業(yè)集團公司洛陽電光設備研究所，河南 洛陽471000）

1 概述

紅外工作波段是機載光電探測系統(tǒng)使用最多的波段，利用溫差對進行目標探測，能夠晝夜使用。通常光學系統(tǒng)一般設計有多個視場，滿足不同使用功能，大視場可用于導航，中視場用于發(fā)現(xiàn)目標，小視場用于遠距識別。多視場一般為切換幾組透鏡或連續(xù)變焦的方式實現(xiàn)，陳呂吉等人介紹了多種實現(xiàn)多視場紅外光學系統(tǒng)的構(gòu)型[1]，張良等人采用衍射面實現(xiàn)了中波和長波多視場光學系統(tǒng)[2]，馬迎軍等詳細介紹了連續(xù)變焦光學系統(tǒng)像差設計方法[3]，透射式光學系統(tǒng)口徑一般小于150mm。通過反射式系統(tǒng)可以提高光學系統(tǒng)口徑，提高作用距離，常用的有卡式、離軸三反、離軸四反等構(gòu)型[4-7]，反射式系統(tǒng)可實現(xiàn)光學系統(tǒng)長焦高分辨設計，但難以兼顧大視場使用。透射式光學系統(tǒng)難以實現(xiàn)長焦設計，同時整個系統(tǒng)光路較長，反射式系統(tǒng)可實現(xiàn)長焦緊湊化設計，但是難以實現(xiàn)光學大視場設計，本光學設計通過綜合透射式系統(tǒng)和反射式系統(tǒng)的各自特點，提出了一種切換卡式次鏡的三視場光學系統(tǒng)，實現(xiàn)了光學系統(tǒng)長焦設計，同時實現(xiàn)了30 倍的大變倍比，滿足大中小視場觀測需求，光學系統(tǒng)總長約為焦距三分之一。

1 設計過程

中波紅外光學系統(tǒng)采用640×512 制冷型探測器。

紅外制冷型探測器冷光闌位于探測器內(nèi)部，光學系統(tǒng)設計時需要把光闌設置于冷光闌處可實現(xiàn)100%光闌匹配。光學系統(tǒng)一般為二次成像模式，光學系統(tǒng)采用三視場共用一次像點后會聚目鏡組，通過改變物鏡組的焦距實現(xiàn)視場變倍。長焦視場采用卡式反射鏡作為物鏡組，中、短焦視場采用透射式物鏡組構(gòu)型，兩組切換物鏡組位于次鏡處，通過旋轉(zhuǎn)形式實現(xiàn)，保證在旋轉(zhuǎn)過程中重心位置基本不變。主次鏡采用鋁材料，和結(jié)構(gòu)材料相一致，鋁反射鏡安裝形式較簡單，并有更好的溫度適應性，透鏡材料為硅和鍺，其中硅折射率大、色散小作為正透鏡，鍺色散大作為負透鏡。

機載光電系統(tǒng)工作在-40℃～+60℃溫度范圍內(nèi)，大的溫度變化會導致光學鏡片的厚度、間隔、曲率半徑以及光學材料的折射率發(fā)生改變。光學系統(tǒng)的焦點隨溫度變化發(fā)生漂移，探測器像面偏離最佳焦面。該光學系統(tǒng)設計時三個視場通過同一組調(diào)焦鏡組實現(xiàn)三個視場溫度補償。調(diào)焦鏡組設置在會聚鏡組中。固定會聚目鏡組位于主鏡開孔處，可壓縮整個光學系統(tǒng)，總長和主次鏡間距相當。

2 設計結(jié)果

通過光學傳遞函數(shù)評價光學系統(tǒng)成像質(zhì)量，在-40℃～+60℃工作溫度范圍內(nèi)，中波紅外三個視場的光學傳函離衍射極限下降小于0.1，可滿足全溫度范圍使用要求。

畸變會影響成像的視覺效果，光學設計時需要控制畸變在合理的范圍內(nèi)。圖1～3 為三個視場的畸變網(wǎng)格圖，全視場范圍內(nèi)畸變均小于3%，滿足成像使用要求。

圖1 紅外長焦光路畸變圖

圖2 紅外中焦光路畸變圖

圖3 紅外短焦光路畸變圖

3 結(jié)論

通過切換卡式次鏡的方式實現(xiàn)了大變倍比的紅外三視場光學系統(tǒng)。三個視場共用相同會聚鏡組，綜合了反射式和透射式光路的優(yōu)點，實現(xiàn)了光學系統(tǒng)緊湊化設計。三視場共用一個調(diào)焦鏡組，在-40℃～ +60℃溫度范圍內(nèi)，成像質(zhì)量良好，滿足機載設備溫度范圍變化大的使用要求。整個系統(tǒng)長度約為焦距三分之一，符合機載光電探測設備小型化、輕量化的需求。