王春雨， 牛錦川， 張 超， 王 聰， 趙英龍，張 凱， 張生杰， 伏瑞敏， 湯天瑾， 黃 陽(yáng)

(北京空間機(jī)電研究所，北京 100000)

0 引言

隨著民用及軍用領(lǐng)域?qū)δ繕?biāo)探測(cè)精度和抗干擾性要求的不斷提高，為了對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確探測(cè)及定位跟蹤，往往采用可見光系統(tǒng)、紅外系統(tǒng)、激光系統(tǒng)及紫外系統(tǒng)等多系統(tǒng)拼接的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，但該種方式存在系統(tǒng)體積大、質(zhì)量大、不便于裝調(diào)、機(jī)動(dòng)性差等缺點(diǎn)[1]。為克服上述缺點(diǎn)，復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)得到大力發(fā)展。其中，共孔徑復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)可以在有限孔徑內(nèi)實(shí)現(xiàn)兩種及以上譜段的融合聚焦，獲取更多目標(biāo)及背景信息，具有融合程度高、空間利用率高的優(yōu)點(diǎn)。該類系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度大，材料可供選擇的范圍有限，在設(shè)計(jì)中需要針對(duì)不同探測(cè)波段的特點(diǎn)，利用不同波段的共性特征，選擇合適的光路結(jié)構(gòu)、材料、高效的分光器件，在一定空間結(jié)構(gòu)內(nèi)實(shí)現(xiàn)不同譜段高度融合[2-7]。

國(guó)際上，歐美、日本等均對(duì)雙模(多模)復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)有所研究。美國(guó)是最早進(jìn)行該領(lǐng)域研究的國(guó)家，先后發(fā)展了紅外/紫外及紅外/微波雙模復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)；進(jìn)入21世紀(jì),歐美紅外探測(cè)器和激光集成技術(shù)日益成熟，使紅外成像/激光雷達(dá)雙模技術(shù)有了進(jìn)一步發(fā)展，美國(guó)洛馬公司、德國(guó)Diehl BGT防御中心均先后研制了紅外/激光雙模復(fù)合系統(tǒng)[8]；國(guó)內(nèi)科研人員利用卡塞格林系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種紅外/激光雙模共口徑光學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)利用次鏡分光，即激光直接透過(guò)次鏡，在頭罩與次鏡之間會(huì)聚成光斑，而紅外則經(jīng)過(guò)次鏡反射后再經(jīng)過(guò)紅外透鏡組成像，主、次鏡均為二次曲面，加工成本高、裝調(diào)難度大；羅春華等[1,9]設(shè)計(jì)了一種透射式系統(tǒng)，采用在會(huì)聚光路中設(shè)置傾斜平板進(jìn)行分光的方式實(shí)現(xiàn)雙模復(fù)合方案，結(jié)構(gòu)緊湊，但質(zhì)量大、透過(guò)率較低。

常見的紅外/激光雙模系統(tǒng)有透射式、反射式和折反式3種。透射式鏡頭視場(chǎng)大、無(wú)遮攔損失，像差易通過(guò)設(shè)計(jì)校正，且易裝調(diào)；反射式鏡頭無(wú)色差，多波段系統(tǒng)可共用口徑，但其反射鏡多為非球面，加工、裝調(diào)成本大，且其軸外像差較大，使用時(shí)多與折射系統(tǒng)相結(jié)合成折反式[1]。通過(guò)對(duì)3種系統(tǒng)形式的分析比較，本文設(shè)計(jì)了一種透射式紅外/激光雙模共口徑系統(tǒng)，采用透鏡加分光片的結(jié)構(gòu)形式實(shí)現(xiàn)紅外與激光通道的共口徑設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、視場(chǎng)大、無(wú)遮攔、雜散光影響小、易加工和易裝調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。

1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 光學(xué)系統(tǒng)形式及指標(biāo)

本文中的光學(xué)系統(tǒng)采用5片透鏡加1片分光片的透射式光學(xué)系統(tǒng)，激光通道透過(guò)分光片，長(zhǎng)波紅外通道經(jīng)過(guò)分光片前表面折轉(zhuǎn)光路，如圖1所示，性能指標(biāo)要求如表1所示。紅外通道需清晰成像，激光通道離焦使用，形成一個(gè)形狀對(duì)稱、能量均勻的彌散斑。

圖1 光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Layout of optical system

表1 光學(xué)系統(tǒng)性能指標(biāo)要求Table 1 Lens performance index

1.2 材料選擇

由于系統(tǒng)包括長(zhǎng)波紅外波段(8 ～12 μm)和激光譜段(1.064 μm)，跨越波段較寬，材料選取尤為重要。對(duì)于激光部分，大部分可見光材料均可透過(guò)，可用的材料較多，再考慮到紅外部分需要較高的透過(guò)率，所以選用多光譜材料。最終設(shè)計(jì)完成后:頭罩和透鏡2選用多光譜硫化鋅材料；透鏡1選用IGR204多光譜材料；分光片選用高透過(guò)率的重火石類材料H-ZF52A；透鏡3屬于紅外通道，選用鍺材料;透鏡4屬于激光通道，同樣選用高透過(guò)率的重火石類材料H-ZF52A。

1.3 分光片影響分析

紅外與激光通道共用頭罩、透鏡1、透鏡2，對(duì)于激光通道，在其匯聚光路中存在45°傾斜放置的分光片，匯聚光路中傾斜放置的平板會(huì)帶來(lái)彗差和像散，影響激光通道彌散斑形狀及能量分布。分光片傾斜45°后插入系統(tǒng)，引入的像差分別為[1]

(1)

(2)

(3)

(4)

表2 分光片厚度與彌散斑質(zhì)量對(duì)比表Table 2 Comparison of the thickness of the beamsplitter and the quality of the diffuse spot

從表2可以看出，在考慮光學(xué)加工易實(shí)現(xiàn)的前提下，采用4 mm厚分光片時(shí)激光通道出射彌散斑形狀更理想。同時(shí),為了進(jìn)一步減小分光片對(duì)不同視場(chǎng)彌散斑影響的差異，最終將分光片設(shè)計(jì)為一個(gè)中心厚度為4 mm、楔角為0.12°的楔板。

1.4 設(shè)計(jì)結(jié)果

該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)波紅外與激光雙譜段共孔徑設(shè)計(jì)，系統(tǒng)指標(biāo)設(shè)計(jì)結(jié)果見表3，紅外通道的傳函及畸變曲線、激光通道彌散斑點(diǎn)圖分別見圖2、圖3。

表3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果表Table 3 Optical system design result

圖2 紅外通道傳函及畸變曲線Fig.2 MTF and distortion curve of infrared channel

圖3 激光通道彌散斑點(diǎn)列圖Fig.3 Diffuse spot pattern of laser channel

2 裝調(diào)及驗(yàn)證

采用該系統(tǒng)方案的光學(xué)鏡頭完成詳細(xì)設(shè)計(jì)后，運(yùn)用高精度光學(xué)定心與三坐標(biāo)精密測(cè)量相結(jié)合的方法完成了鏡頭裝調(diào)。首先運(yùn)用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x完成分光片組件的精確定位，再使用可見光及長(zhǎng)波紅外定心儀分別對(duì)紅外通道和激光通道進(jìn)行定心裝調(diào)，以保證偏心及鏡間距公差，調(diào)整到位后,采用側(cè)面注膠、軸向安裝壓圈的固定方式來(lái)完成各透鏡在鏡筒中的固定。

2.1 紅外通道測(cè)試結(jié)果

利用長(zhǎng)波紅外干涉儀對(duì)紅外通道MTF進(jìn)行了測(cè)試，紅外通道性能指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表4。

表4 紅外通道性能指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表Table 4 Measured data of infrared channel performance index

2.2 激光通道測(cè)試結(jié)果

利用平行光管、小孔靶標(biāo)、1.064 μm激光器、積分球及探測(cè)器搭建測(cè)試光路，完成了激光通道彌散斑測(cè)試，性能指標(biāo)如表5所示。

表5 激光通道性能指標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表Table 5 Measured data of laser channel perfor mance index

從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，該光學(xué)鏡頭質(zhì)量良好，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種透射式紅外/激光雙譜段共孔徑光學(xué)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)、無(wú)遮攔的設(shè)計(jì)形式，且成本低、易于加工和裝調(diào)。通過(guò)楔板分色片的使用，很好地保證了紅外通道和激光通道的成像質(zhì)量，并通過(guò)了實(shí)際光學(xué)鏡頭的裝調(diào)驗(yàn)證。最終，紅外通道MTF全視場(chǎng)平均優(yōu)于0.38(30 lp/mm)，遠(yuǎn)高于MTF不小于0.3的使用要求，激光通道彌散斑在線性區(qū)內(nèi)形狀對(duì)稱、能量分布均勻，滿足使用要求，該系統(tǒng)可廣泛用于目標(biāo)探測(cè)識(shí)別、定位、跟蹤等領(lǐng)域。