中波红外双视场光学系统的设计-激光与红外

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1、第３９卷第６期激光与红外Ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．６２００９年６月ＬＡＳＥＲ＆ＩＮＦＲＡＲＥＤＪｕｎｅ，２００９文章编号：１００１５０７８（２００９）０６０６４００３·光学材料器件与薄膜·中波红外双视场光学系统的设计李荣刚，杨栋梁，刘琳，张兴德（华北光电技术研究所，北京１０００１５）摘要：设计了一款用于较大规模制冷型面阵焦平面探测器的双视场红外光学系统。该光学系统采用二次成像的光学结构形式与切换式的视场变倍方式，实现了大倍率、小体积用于红外前视（ＦＬＩＲ）的光学系统设计；通过仿真，在系统的合理位置设立非均匀性校正单元与视场光阑，以提高系统的抗干扰性；微扫组件的引入，提高了系统的空间分辨率。关

2、键词：红外光学系统；光学设计；焦平面探测器；微扫描中图分类号：ＴＮ２１４文献标识码：ＡＤｅｓｉｇｎｏｆｄｕａｌｆｉｅｌｄｏｆｖｉｅｗｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｍｉｄｗａｖｅｉｎｆｒａｒｅｄｆｏｃａｌｐｌａｎｅａｒｒａｙｓＬＩＲｏｎｇｇａｎｇ，ＹＡＮＧＤｏｎｇｌｉａｎｇ，ＬＩＵＬｉｎ，ＺＨＡＮＧＸｉｎｇｄｅ（ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１５，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｄｕａｌｆｉｅｌｄｏｆｖｉｅｗｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｆｏｒｌａｒｇｅｆｏｒｍａｔｉｎｆｒ

3、ａｒｅｄｆｏｃａｌｐｌａｎｅａｒｒａｙｓｉｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．ＴｈｅｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｃｈｏｏｓｅｓｒｅｉｍａｇｉｎｇｏｐｔｉｃｓｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎａｎｄｒｏｔａｔｅｉｎｍｏｔｉｏｎｉｎｏｒｄｅｒｔｏｒｅａｌｉｚｅｈｉｇｈｒａｔｉｏａｎｄｓｍａｌｌｖｏｌｕｍｅｆｏｒＦＬＩＲ．Ｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｓｅｔｓｔｈｅｎｏｎｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ（ＮＵＣ）ａｎｄｆｉｅｌｄｓｔｏｐｂｙｏｐｔｉｃｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｏｉｍｐｒｏｖｅａｎｔｉｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ．ＴｈｅｌｅｎｓｅｓｉｍｐｒｏｖｅＦＬＩＲｓｐａｔｉａｌｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｗｉ

4、ｔｈｍｉｃｒｏｓｃａｎｎｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｆｒａｒｅｄｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ；ｏｐｔｉｃａｌｄｅｓｉｇｎ；ｆｏｃａｌｐｌａｎｅａｒｒａｙｓ；ｍｉｃｒｏｓｃａｎｎｉｎｇ１引言表１红外光学系统基本参数随着红外探测器技术的发展，红外探测器的工作波段／μｍ３．７～４．８像元尺寸逐渐减小，面阵规模逐渐增大，这为设计２１４（小视场）焦距ｆ′／ｍｍ制造结构紧凑、分辨率高的机载热成像设备奠定３０．６（大视场）了基础。探测器面元尺寸的减小对红外光学系统１．９２×２．５６（小视场）［１］视场２ω／（°）的成像质量提出更高的要求。另外，为了满足１３．４２×１７．８３（大视场）红外前视系统（ＦＬ

5、ＩＲ）搜索与跟踪目标的目的，Ｆ／＃４ＦＬＩＲ红外光学系统一般需要双视场（ＤＦＯＶ）设倍率７×计，甚至多视场设计。为了满足１００％的孔径效率，探测器杜瓦中的本文基于工作波段为３．７～４．８μｍ、面元尺寸冷光阑（Ｃｏｌｄｓｈｉｅｌｄ）应作为光学系统的孔径光阑与为１５μｍ×１５μｍ、面阵规模６４０×４８０制冷型红外出瞳进行处理。由于系统的焦距较长以及系统小视探测器，设计了一款用于实际工程中的前视红外双场的孔径较大，光学系统采用二次成像的结构形式，视场光学系统。２光学设计作者简介：李荣刚（１９７７－）男，硕士，高级工程师，从事光学系根据红外探测器的要求，红外光学系统的基本统的设计与研究工作。Ｅｍａ

6、ｉｌ：ｉｒｏｐｔｉｃｓ＿ｌｒｇ＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ参数如表１所示。收稿日期：２００８１２３１激光与红外Ｎｏ．６２００９李荣刚等中波红外双视场光学系统的设计６４１以提高系统的孔径效率。由于系统两个视场的像差表现形式不同，为了满足系统对双视场成像质量的要求，系统采用切换形式的变视场结构，使大小视场的像差相对独立，并对其进行校正。系统通过硅、锗两种材料的搭配使用校正色差，采用非球面技术校正球差与控制畸变，实现了７倍双视场红外系统。根据机载吊舱空间体积的要求，对光学系统的ｓｐａｔｉａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙ／（ｃｙｃｌｅ·ｍｍ－１）结构进行调整，最终采用三反射的结构形式以实现（ａ）小视场轴上光

7、学传递函数测量值吊舱空间的合理利用。光学系统如图１所示。－１ｓｐａｔｉａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙ／（ｃｙｃｌｅ·ｍｍ）（ｂ）大视场轴上光学传递函数测量值图３光学系统轴上光学传递函数实测值３抗干扰措施图１红外光学系统由于红外目标为低对比度的弱目标，红外系统设计完成的红外光学系统的光学传递函数对温度分辨率的要求也越来越高，这就要求红外光（ＭＴＦ）如图２所示；系统实测轴上的光学传递函数学系统采取一定措施以抑制和降低系统