中波红外长焦距折反光学系统设计

摘要: 针对多模制导中长焦距红外光学系统结构紧凑及宽温度范围热稳定性的要求,设计了一种中波红外折反光学系统。该系统根据其它模式制导的要求,采用固定焦距和口径的主镜,通过二次成像,在保持长焦距的同时减小了透镜的口径,降低了到达中继成像系统主光线的高度,同时也降低了制造成本。设计了波长为3.7~4.8 μm、焦距f为300 mm、F数为2的中波红外成像系统。结果表明,该系统结构紧凑像质优良,各视场光学传递函数均大于0.6,接近衍射极限,并且在-50~70℃可实现光学被动消热差。针对该光学系统进行了公差分析并提出了抑制杂散辐射的方法,该系统满足实际加工和应用需求。

1. 引言

近年来，随着红外探测器技术的飞速发展，探测器像元尺寸逐渐缩小，面阵规模逐渐增大，这为设计简单、紧凑、远作用距离的前视红外光学系统奠定了基础。目前在中波红外长焦距光学系统设计中，由于大口径的红外材料价格昂贵，因此多采用反射式的结构，但是视场无法做大。采用折反式红外成像系统能够集合透射式和反射式的优点，具有更大的远摄比和视场。尤其在多模式混合制导系统中，要求光学系统有较低的遮拦比和紧凑的结构，以减少对其它模式探测的影响，这种结构的优势更为明显。

一般多模制导系统的工作环境温度在-50~70 ℃，而红外材料的折射率受温度影响较大，严重降低成像质量。目前针对红外系统的无热化分析。主要采用衍射元件，利用其特殊的色散性质，实现消色差、消热差。但是衍射元件的衍射效率也是需要考虑的问题，而且会给系统引入额外的杂散光。另外机电式主动调焦补偿系统也常用于红外光学系统无热化设计当中。

针对上述分析，本文设计了一种适用于多模式制导的长焦红外折反系统，波段为3.7~4.8μm，F数为2，100%冷光阑效率，并且在-50~70 ℃实现了消热差，成像质量接近衍射极限。

2. 折反系统设计

中波红外系统由于要满足冷阑效率，需要使系统的出瞳与探测器的冷阑匹配，而如果采用R-C反射镜结构，将会导致次镜口径过大，增加系统的遮拦比，因此中波红外反射系统通常采用二次成像的方式来实现，如图1所示。前组采用R-C双反射结构，后组采用具有一定放大率的中继成像系统。

图1.二次成像折返结构

图2.光学系统结构图

7. 杂散光分析

在红外光学系统中，杂散辐射对成像质量的 影响成为必须考虑的因素。折反二次成像系统的杂散光抑制可以采用以下方法：首先对于来自成像视场外的杂散光，可以采用主镜遮光筒和次镜遮光筒，内外表面可以进一步加工消光螺纹，有效地减少一次及多次反射进入探测器的杂散光，通过设置主镜镜筒的长度可以控制入射到主镜的视场外的杂光;其次利用二次成像部分，在一次成像面附近加入视场光阑限制入口的光束。

本文最后使用Lighttools，采用逆光路法，将有效光线和杂散光分离，最终得到了百分比表示的杂散光系数，分析时因为没有实际测量各个表面的透射率，按照经验取2%的反射率，追迹107条光线，在右侧接收器的光线能量占输出总能量的96%，由此可以分析出，该光学系统的杂散光的能量占探测器接收能量的2%，可以满足成像探测需求。

图8.Lighttools光线追迹图

8. 结 论

本文设计了一种紧凑型中波折反光学系统，用于多模混合制导中，该系统遮拦比低，体积小，且成像质量优良，-50~70 ℃消热差，公差分析结果显示该系统满足加工及装调成像要求。本文最后提出了一些消杂散光的措施，使得该系统能够有效抑制太阳背景辐射以及系统内部杂散辐射，从而提高信噪比。

审核编辑：汤梓红