激光/红外双模环形孔径导引头光学系统设计

导读

信息化条件下的战争，使精确制导武器成为实施毁灭性打击的重要手段。精确制导武器的打击精度主要依赖导引头的制导技术。随着精确制导武器的对抗层次越来越多，对抗手段越来越复杂，在多变的现代战场环境中，单一模式的制导很难满足精确打击的需要，所以多模复合制导光学系统得到了飞速发展。红外/激光双模复合制导技术是世界各国研究的重点，它能实现光电互补，从而克服各自的不足，又综合利用了二者的优点。红外成像系统主要用于探测场景，排除各种轻重诱饵的干扰，识别出欲拦截目标。激光雷达发射激光束照亮所选目标，反射回的激光会聚到探测器上以提取频谱幅度、相位等多种信息。将这两种传感器提供的多种信息经过信息融合处理可准确识别目标。

近日，中国电子科技集团公司第二十七研究所谢亚峰团队在《红外与激光工程》发表“激光/红外双模环形孔径导引头光学系统设计”一文，文中介绍了该团队为了实现激光/红外双模导引头成像系统的小型化，简化光学系统结构，设计了四次反射的双模共光路环形孔径超薄成像系统，实现了仅有单一光学元件的长波红外7.7~9.5μm和激光1.064μm双模导引头成像系统。

1 双模共光路环形孔径超薄成像系统的设计原理

环形孔径超薄成像系统仅由单块光学材料构成，超薄透镜的两个表面均为环带非球面反射面，在不同的环带反射区域有不同的面型。成像光束通过超薄透镜的外环通光口径进入光学系统，经过一系列同心圆环反射区域后进入位于透镜中心的探测器进行成像。激光/长波红外双模环形孔径超薄成像系统的原理如图1所示，两个不同焦距的光学系统共用一个通光口径分别成像在各自的探测器上。图1中红色成像光束是激光成像波段，蓝色成像光束是长波红外波段。激光/长波红外双模成像系统的近轴折射式光路如图1(a)所示，在其中引入多个反射镜对两个波段光路进行多次折叠，通过分光面分离长波红外和激光波段成像光路，可以显著减小系统的轴向尺寸，如图1(b)所示。

     

图1 激光/长波红外双模环形孔径超薄系统成像原理图

（a）双模近轴折射式结构；(b)双模近轴环形孔径反射式结构

2 激光/长波红外双模共光路环形孔径超薄成像系统的设计

设计了应用于长波红外7.7~9.5μm和激光1.064μm的双模导引头成像系统，该系统的设计指标参数如表1所示。对于超薄成像系统的基底材料，不仅需要考虑两个波段的透过率，还要考虑材料的光学特性和加工特性。选择红外硫系玻璃IRG206作为双模环形孔径超薄成像系统的基底材料，这种材料可以通过精密模压实现批量化加工。

     

表1 激光/长波红外双模环形孔径超薄成像系统的设计指标

通过优化各环带面型参数并控制系统总长和口径，得到设计结果如图2所示。系统的外径直径为80mm，遮拦区域直径为53.4mm，遮拦比为0.67。经过分光面后系统左侧为长波红外波段，系统右侧为激光波段，双模环形孔径超薄成像系统的轴向尺寸为28mm，远远小于目前常用的卡式双模导引头成像系统尺寸。激光/长波红外双模环形孔径超薄成像系统的实体结构如图3所示。图3(a)中，黄色透明区域表示折射透光环带，银白色区域表示反射环带，粉色区域表示分光面。图3(b)中，银白色区域表示反射环带，黄色透明区域表示折射透光环带。

     

图2 激光/长波红外双模环形孔径超薄成像系统的光路图

图3 激光/长波红外双模环形孔径超薄系统成像实体结构。

(a)前表面；(b)后表面

3 结论

文中设计了一种适用于激光和长波红外波段的双模共光路环形孔径超薄成像光学系统，给出了双模环形孔径系统的设计方法。根据设计指标，完成了系统初始结构参数的计算，通过环带非球面的优化，实现了长波红外7.7~9.5μm和激光1.064μm的双模环形孔径超薄导引头成像系统，该系统的外径直径为80mm，轴向尺寸为28mm。在长波红外波段，空间频率为41.7lp/mm时各视场MTF曲线接近衍射极限，MTF大于0.136。在激光波长、系统全视场范围内的光斑分布均匀，光斑弥散斑RMS最大值为280μm。对双模环形空间超薄成像系统进行了无热化设计，在−40~80℃范围内，长波红外波段的MTF曲线基本不变，各视场MTF最小值均大于0.13，激光波长的弥散斑形状和能量分布基本没有变化。考虑公差后，该系统在全视场范围内的MTF大于0.1，具备可加工性。设计结果对未来低成本、小型化激光/长波红外双模导引头成像系统的实现提供了新思路。

审核编辑：刘清