双谱段共孔径光学镜头设计与验证

王春雨， 牛锦川， 张 超， 王 聪， 赵英龙，张 凯， 张生杰， 伏瑞敏， 汤天瑾， 黄 阳

(北京空间机电研究所，北京 100000)

0 引言

随着民用及军用领域对目标探测精度和抗干扰性要求的不断提高，为了对目标进行精确探测及定位跟踪，往往采用可见光系统、红外系统、激光系统及紫外系统等多系统拼接的方式来实现，但该种方式存在系统体积大、质量大、不便于装调、机动性差等缺点[1]。为克服上述缺点，复合光学系统得到大力发展。其中，共孔径复合光学系统可以在有限孔径内实现两种及以上谱段的融合聚焦，获取更多目标及背景信息，具有融合程度高、空间利用率高的优点。该类系统设计难度大，材料可供选择的范围有限，在设计中需要针对不同探测波段的特点，利用不同波段的共性特征，选择合适的光路结构、材料、高效的分光器件，在一定空间结构内实现不同谱段高度融合[2-7]。

国际上，欧美、日本等均对双模(多模)复合光学系统有所研究。美国是最早进行该领域研究的国家，先后发展了红外/紫外及红外/微波双模复合制导技术；进入21世纪,欧美红外探测器和激光集成技术日益成熟，使红外成像/激光雷达双模技术有了进一步发展，美国洛马公司、德国Diehl BGT防御中心均先后研制了红外/激光双模复合系统[8]；国内科研人员利用卡塞格林系统设计了一种红外/激光双模共口径光学系统，系统利用次镜分光，即激光直接透过次镜，在头罩与次镜之间会聚成光斑，而红外则经过次镜反射后再经过红外透镜组成像，主、次镜均为二次曲面，加工成本高、装调难度大；罗春华等[1,9]设计了一种透射式系统，采用在会聚光路中设置倾斜平板进行分光的方式实现双模复合方案，结构紧凑，但质量大、透过率较低。

常见的红外/激光双模系统有透射式、反射式和折反式3种。透射式镜头视场大、无遮拦损失，像差易通过设计校正，且易装调；反射式镜头无色差，多波段系统可共用口径，但其反射镜多为非球面，加工、装调成本大，且其轴外像差较大，使用时多与折射系统相结合成折反式[1]。通过对3种系统形式的分析比较，本文设计了一种透射式红外/激光双模共口径系统，采用透镜加分光片的结构形式实现红外与激光通道的共口径设计，具有结构简单、视场大、无遮拦、杂散光影响小、易加工和易装调等优点。

1 光学系统设计

1.1 光学系统形式及指标

本文中的光学系统采用5片透镜加1片分光片的透射式光学系统，激光通道透过分光片，长波红外通道经过分光片前表面折转光路，如图1所示，性能指标要求如表1所示。红外通道需清晰成像，激光通道离焦使用，形成一个形状对称、能量均匀的弥散斑。

图1 光学系统示意图Fig.1 Layout of optical system

表1 光学系统性能指标要求Table 1 Lens performance index

1.2 材料选择

由于系统包括长波红外波段(8 ～12 μm)和激光谱段(1.064 μm)，跨越波段较宽，材料选取尤为重要。对于激光部分，大部分可见光材料均可透过，可用的材料较多，再考虑到红外部分需要较高的透过率，所以选用多光谱材料。最终设计完成后:头罩和透镜2选用多光谱硫化锌材料；透镜1选用IGR204多光谱材料；分光片选用高透过率的重火石类材料H-ZF52A；透镜3属于红外通道，选用锗材料;透镜4属于激光通道，同样选用高透过率的重火石类材料H-ZF52A。

1.3 分光片影响分析

红外与激光通道共用头罩、透镜1、透镜2，对于激光通道，在其汇聚光路中存在45°倾斜放置的分光片，汇聚光路中倾斜放置的平板会带来彗差和像散，影响激光通道弥散斑形状及能量分布。分光片倾斜45°后插入系统，引入的像差分别为[1]

(1)

(2)

(3)

(4)

表2 分光片厚度与弥散斑质量对比表Table 2 Comparison of the thickness of the beamsplitter and the quality of the diffuse spot

从表2可以看出，在考虑光学加工易实现的前提下，采用4 mm厚分光片时激光通道出射弥散斑形状更理想。同时,为了进一步减小分光片对不同视场弥散斑影响的差异，最终将分光片设计为一个中心厚度为4 mm、楔角为0.12°的楔板。

1.4 设计结果

该系统实现长波红外与激光双谱段共孔径设计，系统指标设计结果见表3，红外通道的传函及畸变曲线、激光通道弥散斑点图分别见图2、图3。

表3 光学系统设计结果表Table 3 Optical system design result

图2 红外通道传函及畸变曲线Fig.2 MTF and distortion curve of infrared channel

图3 激光通道弥散斑点列图Fig.3 Diffuse spot pattern of laser channel

2 装调及验证

采用该系统方案的光学镜头完成详细设计后，运用高精度光学定心与三坐标精密测量相结合的方法完成了镜头装调。首先运用三坐标测量仪完成分光片组件的精确定位，再使用可见光及长波红外定心仪分别对红外通道和激光通道进行定心装调，以保证偏心及镜间距公差，调整到位后,采用侧面注胶、轴向安装压圈的固定方式来完成各透镜在镜筒中的固定。

2.1 红外通道测试结果

利用长波红外干涉仪对红外通道MTF进行了测试，红外通道性能指标实测数据见表4。

表4 红外通道性能指标实测数据表Table 4 Measured data of infrared channel performance index

2.2 激光通道测试结果

利用平行光管、小孔靶标、1.064 μm激光器、积分球及探测器搭建测试光路，完成了激光通道弥散斑测试，性能指标如表5所示。

表5 激光通道性能指标实测数据表Table 5 Measured data of laser channel perfor mance index

从实测数据可以看出，该光学镜头质量良好，各项指标均满足设计要求。

3 结束语

本文设计了一种透射式红外/激光双谱段共孔径光学系统，可实现大视场、无遮拦的设计形式，且成本低、易于加工和装调。通过楔板分色片的使用，很好地保证了红外通道和激光通道的成像质量，并通过了实际光学镜头的装调验证。最终，红外通道MTF全视场平均优于0.38(30 lp/mm)，远高于MTF不小于0.3的使用要求，激光通道弥散斑在线性区内形状对称、能量分布均匀，满足使用要求，该系统可广泛用于目标探测识别、定位、跟踪等领域。