大视场凝视型红外共形光学系统设计_姜洋
第41卷第6期红外与激光工程2012年6月Vol.41No.6Infrared and Laser Engineering Jun.2012
大视场凝视型红外共形光学系统设计
姜洋1,2，孙强1，孙金霞3，刘英1，李淳1，王健1，杨乐1,2
(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033；
2.中国科学院研究生院，北京100049；
3.中国空空导弹研究院，河南洛阳471009)
摘要：为提高导弹整流罩气动性能，增强导引头系统稳定性，增大观察视场，完成了共形整流罩结合红外鱼眼镜头的新型红外凝视成像导引头光学系统设计。光学系统采用的椭球形共形整流罩将反远距结构与f-θ成像相结合，通过控制像方视场角提高像面照度的均匀性。对不同结构共形系统的像差特性进行了分析。光学系统解决了大视场光阑像差问题，最终获得±90°的无渐晕观察视场，其冷光阑效率为100%，全视场MTF在15lp/mm处均大于0.5，点斑均方根半径小于30μm，在半径为50μm 圆内能量集中度为93%以上，像面相对照度高于85%，满足大视场光学系统的成像要求。
关键词：光学系统设计；共形光学；红外成像制导；鱼眼镜头
中图分类号：TN216文献标志码：A文章编号：1007-2276(2012)06-1575-06
Design of infrared staring conformal optical system with wide
field of view
Jiang Yang1,2,Sun Qiang1,Sun Jinxia3,Liu Ying1,Li Chun1,Wang Jian1,Yang Le1,2
(1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun130033,China;
2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China;
3.China Airborne Missile Academy,Luoyang471009,China)
Abstract:In order to optimize the aerodynamic performance of missile domes,enhance the stability and enlarge the FOV,an infrared staring imaging seeker combining the conformal dome and infrared fisheye lens was designed.The solution used an ellipsoidal conformal dome,inverted telephoto lens and f-θlens.Uniform illumination was realized through managing the imaging angle and pupil aberrations.Aberration characteristics of conformal dome were analyzed.The pupil aberrations at large FOV were solved.An optical system with±90°unvignetted FOR,100%cold stop efficient was designed.The MTF is higher than0.5at the spatial frequency of15lp/mm across the entire field.The RMS radiuses of spot diagram are less than 30μm;the geometric encircled energy is above93%in50μm range;the relative illumination is above85% at margin FOV.The specifications can meet the requirements of the wide field systems.
Key words:optical system design;conformal optics;infrared imaging guidance;fisheye lens
收稿日期：2011-10-05；修订日期：2011-12-03
基金项目：国家自然科学基金(60977001)；国家863计划(2007AA122110)
作者简介：姜洋(1984-)，男，博士生，主要从事光学系统设计等方面的研究。Email:le_zhi@https://www.sodocs.net/doc/d718696635.html,
导师简介：孙强(1971-)，男，研究员,博士生导师，博士，主要从事现代红外光学仪器、二元光学、红外系统仿真等方面的研究。
Email:sunq@https://www.sodocs.net/doc/d718696635.html,
红外与激光工程第41卷
0引言
红外成像制导是利用目标与背景间的光谱辐射差异获取目标图像来实现目标的识别。制导精度高、抗干扰能力强，是当代精确制导技术发展的重点。整流罩位于导弹的最前端，为导引头的光学窗口。传统的整流罩形状为旋转对称的半球形，相应的导引头光学系统设计较为简单。但是球形罩在导弹高速飞行时空气阻力较大，限制了导弹的作战性能。其后出现了用流线型的外表面代替球面的整流罩，改善了空气动力学性能，这种优先考虑气动性能的整流罩称为共形整流罩(Conformal dome)。美国国防部高级研究计划局于1998年联合多所大学与公司成立了精密共形光学技术(PCOT)合作组织，对椭球形整流罩的光学像差特性、像差校正结构、加工制造及检测等做了大量的研究，验证了其可行性，并将其应用到武器系统中[1]。
与球形罩相比，共形整流罩不但能够减小空气阻力，有效抑制湍流，减小气动加热、气动光学效应对成像质量的影响，还可以获得大于90°的无渐晕视场。目前，普遍使用的万向支架式导引头通常采用折反式光学系统，瞬时视场很小。共形整流罩在非零度视场时失去了旋转对称性，从而引入随扫描视场变化的动态像差，需要额外的像差补偿结构[1-4]。校正结构的引入不但限制了观察视场的大小，而且增加了导引头的设计及装调难度。小视场扫描需要足够时间对目标空域进行搜索，目标定位精度受到机械结构的制约。采用凝视成像的捷联式导引头直接固定在弹体上，若视场足够大可对前方全空域目标进行实时成像。与扫描成像相比，光学系统不再依赖于机械扫描，系统结构简单、紧凑，可以增加探测器的积分时间，并能同时处理多个目标[4]。捷联式结构有利于提高红外成像导引头的抗过载能力[5]，导弹的机动性能可以进一步提高。
文中给出大视场凝视成像导引头结合共形整流罩的具体设计实例，将扫描结构与凝视结构共形系统的像差特性进行了对比分析。针对红外成像制导系统特点，探讨了系统初始结构等具体设计问题。系统采用的大视场捷联式结构性能稳定，能够满足高速高机动性目标的侦测需求。1系统结构
系统结构如图1所示，光线经共形整流罩进入导引头镜片组，成像于焦平面阵列(FPA)。
图1共形光学系统示意图
Fig.1Layout of the conformal optical system
整流罩的径长比是影响其气动性能的重要参数，定义为外表面顶点到对称中心的长度和其口径大小之比，如图2所示。传统的半球形罩的径长比为0.5。整流罩的径长比越大，其空气阻力越小。权衡罩外表面的气动性能与光学成像质量，系统选用径长比为1、外表面口径为127mm[6]的椭球形整流罩[7]。考虑到导引头工作波段、材料透过率、加工难度等因素，材料选用MgF2晶体。
图2径长比
Fig.2Fineness ratio
导引头为全视场180°的鱼眼镜头。鱼眼镜头的视场角较大，焦距很短，为获得更大的工作距离，初始结构必须选择反远距结构。将负光焦度透镜组作为前组，正光焦度透镜组作为后组，使整个系统的后主面向后移出物镜外[8]。采用反远距结构的系统最终工作距离达到20.53mm，为探测器制冷留有足够的空间。
导引头第一片透镜为大光焦度的弯月形负透镜，作为反远距结构的前组。负透镜尽可能弯向光
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阑，以引入较大的光阑彗差，从而增大轴外视场的入射光瞳直径，有利于提高轴外像点的照度，改善像面照度分布均匀性[9]。光线经由前组发散后进入第二片到第五片镜构成的后组，成像于焦平面上。
焦平面阵列选用国内外同类系统常用的HgCdTe 制冷探测器[10]。在探测器前方设置冷光阑阻挡杂散热辐射。导引头的光学系统为捷联式结构，直接固定在弹体上。探测器根据实际像点的位置直接获取目标
位置信息实现探测和跟踪。系统半视场达90°，可对前方全空域实时成像。系统的具体设计参数如表1所示。
表1光学系统参数
Tab.1Parameters of the optical system
2共形光学系统的像差特性对比分析采用理想近轴透镜替代整流罩后面的光学导引头进行建模，模拟万向支架式的共形光学系统。如图3所示，导引头以入瞳中心为轴旋转，对0~90°目标空域扫描，利用出瞳面上不同观察视场的Zernike 多项式系数进行像差的分析。
图3万向支架式共形光学系统
Fig.3Optical system of gimbaled conformal dome
图4是0~90°观察视场整流罩的Zernike多项式系数拟合曲线。Z5、Z8、Z9项分别为Zernike多项式
图4共形整流罩的全视场Zernike多项式系数曲线
Fig.4Zernike polynomial coefficients for conformal dome of all regards
系数的第5、8、9项，对应代表光学系统的三级像散、彗差和球差。从图中可以看出，像差为随视场变化的动态像差，像散对该系统成像性能的影响最为显著。像散和彗差的大小与光阑位置有关，设入瞳距整流罩顶点距离为L p。如图5所示，将L p为20mm，30mm 和50mm时的Z5曲线进行比较，可以看出，像散大小随节点位置的选择不同而不同。通常采用的校正结构仅能对某一固定节点位置校正像差。装调不当和使用过程中的节点偏差，都会对像质产生重大影响。
图5不同节点位置处的像差Z5曲线比较Fig.5Aberrations Z5comparison of different gimbal points
图6为凝视结构的共形光学系统示意图。图7为凝视导引头在罩中不同位置处的像差曲线。
图6凝视型共形光学系统
Fig.6Staring conformal optical system
Parameter Specification
FOV/(°)90
Work wavelengths/μm3-5
Fineness ratio1
Effective focal/mm4
Resolution/pixel320×240
Pixel size/μm30
MTF＞0.5@15lp/mm
RMS spot diagram/μm＜30
F/#2
Dome diameter/mm127
姜洋等：大视场凝视型红外共形光学系统设计1577
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图7凝视结构不同位置处的像差Z5曲线比较
Fig.7Aberrations Z5comparison of staring seeker with different position
从图7可以看出，将导引头置于不同位置时，各视场的像差变化极小，整个曲线的动态范围也比扫描结构要小得多。移动过程中，经优化后的系统保持了良好的像差特性。优化时可将整流罩内表面半径和厚度设为变量参与优化，进一步补偿后面光学系统的残余高级像差[11]。大视场凝视型导引头与共形整流罩具有更好的匹配性，更加适合军事领域简单可靠的实用需求。捷联凝视型共形系统结构紧凑，易于装调，相比万向支架式结构结合动态补偿部件的方法，能够提高系统的稳定性。
3设计思想
3.1物像关系与目标定位
万向支架式结构的导引头需要以一定的扫描方式锁定目标，通过视轴与弹轴的偏差来确定导弹与目标的相对位置。凝视成像导引头因为有足够大的视场，无需机械扫描结构就能获取目标方位信息，同时可对目标轨迹实时追踪。
根据高斯光学理论，物体在无限远处理想像高满足：
y′=f tanθ(1)式中：y′为像高；f为系统焦距；θ为半视场角。但是，当半视场角等于90°时(即物方主光线与光轴垂直)，上述公式不再适用。对于超大视场的鱼眼镜头，必须采用与高斯光学不同的成像思想，人为引入大量畸变，对物空间进行变形压缩，将半球视场投影在像平面上。若物像关系满足：
y′=fθ(2)即视场角与像高成简单的正比关系，则相同的视场角在像面上对应相等的径向距离，这种成像思想称为等距投影[9]。这样可以通过像点位置(y′)直接获得空间目标的空间方位(θ)信息，具有较好的实时性。并且光学系统的畸变大小只与主光线有关，畸变只会造成图形的变形而不会影响像的清晰度。主光线仍可以精确追迹，不影响定位精度。
3.2优化设计
轴外物点主光线的准确标定是像质评价的前提。当视场较大时存在较大的光阑像差，尝试主光线会发生光线溢出，大视场光线追迹无法自动完成。所以在使用Zemax软件对系统优化过程中，必须选择光线校准(ray aiming)选项，才能获得正确的入瞳位置，顺利完成追迹过程。
系统中的光阑位置选在距焦平面阵列20mm 处，这样可以有效阻挡前方镜片组产生的热辐射。冷光阑自身没有热辐射，效率为100%。光阑后置还可以产生较大的畸变，有利于得到系统所需的物像关系。
导引头的初始结构为4片透镜[12]，均选用在中波红外波段折射率较高的锗材料。高折射率有利于减小光学元件的表面弯曲程度和光线在镜片表面的入射角度，易于校正像差。但系统像差较大，无法满足使用要求。为补偿前组负透镜与整流罩产生的负像散，在第四片锗透镜前增加一片折射率较小的硅正透镜。在中波红外波段，锗的折射率变化很快，进而导致较大色散，增加硅正透镜可以兼顾校正色差。第二片透镜前表面选用旋转对称的偶次非球面(even asphere)，描述方程为：
z=cr2
1-(1+k)c2r2
姨
+a1r4+a2r6+a3r8+ (3)
式中：c为顶点处曲率；k为圆锥曲线常数；r为垂直光轴方向的径向距离。非球面的高次项表示其与圆锥曲面的偏离量，正比于r4、r6、r8…。文中系统设计非球面高次项只用到r6、r8两项。非球面的位置远离光阑，有利于大视场离轴像差像散和彗差的校正。光学非球面的加工公差要求正比于工作波长，工作波长越长越易加工。此面使用单点金刚石车削加工即可满足公差要求。
轴外点照度E′按照公式(4)的规律下降，
E′=E0cos4θ(4)式中：E0为轴上点照度；θ为像方半视场角。由公式(4)可知，像方视场角θ的减小有利于提高像面照度均
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匀性。轴外光线经第一片透镜发散后与光轴夹角显著减小。通过合理分配后组透镜的光焦度，可以进一步控制像方视场角，提高像面相对照度。
4设计结果
图8为系统点列图，点斑的RMS半径均在30μm 以下，小于像元尺寸。图9为MTF曲线图，系统传函在15lp/mm处大于0.5。图10、图11分别为系统
相对照度与能量集中度曲线图。像面相对照度在85%以上，各视场圈入能量均在93%以上，满足使用要求。
图8点列图
Fig.8Spot diagram
图9调制传递函数曲线
Fig.9Modulation transfer function curves
图10相对照度
Fig.10Relative illumination
图11能量集中度曲线
Fig.11Geometric encircled energy curves
5结论
文中提出椭球形共形整流罩结合红外鱼眼镜头的红外成像导引头解决方案。采用共形整流罩可以有效减小空气阻力，提高导弹作战性能。大视场捷联式结构增强了系统稳定性，提高了捕获目标的能力，可以实时地对目标位置进行准确定位。用Zemax软件对像差的分析结果表明，各项指标均达到导引头系统使用需求。实际使用过程中，可以通过加衍射面等方法对像差进一步校正。大视场光学系统牺牲了系统空间分辨率，对于难以探测的小目标，可通过探测器高帧频处理或多模复合制导的方法增强探测概率[13]。随着系统不断完善，大视场凝视型共形导引头在红外制导领域将拥有广阔的发展空间。
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高体份SiC/Al 反射镜在空间光学应用可行性的分析
高明辉，张军，刘磊，王永宪，许艳军，李景林，任建岳(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033)
摘
要：简述了空间遥感器设计中反射镜材料选择的重要性及影响。对SiC 和SiC/Al 复合材料与常用光学
材料的空间应用综合品质因子进行了比较，
SiC 材料的综合品质因子为8072.92，高体分SiC/Al 复合材料的综合品质因子为1687.50。
并对高体分SiC/Al 复合材料应用在反射镜上的光学性能进行了检测。检测结果得出材料的表面粗糙度能够达到1.49nm ，
小于5nm ；反射率达到95%以上，能够满足反射镜的性能要求。对采用高体分SiC/Al 复合材料作为反射镜和背板材料的相机结构进行分析。分析结果得出整体结构前三阶模态为115Hz 、120Hz 、203Hz ，满足空间遥感器大于100Hz 的技术要求，各反射镜的面形精度满足RMS ≤1/50λ(λ=632.8nm)的技术要求。各项测试数据和有限元分析结果表明，高体份SiC/Al 复合材料作为反射镜在空间光学中应用是可行的。
≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤≤
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