一体式紧凑型折反光学系统设计

近年来 ，在各种飞行器和导弹的红外搜索与跟踪系统中 ，光学 系统结构 的小型化和轻量化是设计的重要标准 ，R-C双反射光学 系统 以其结构尺寸小 、质量轻 、大 口径等优势成为国内外研究人员的主要选择l ]。然而，双反射镜的装调和次镜支架的固定-直是 R-C系统设计的难点，原因在于：(1)双反射系统公差敏感，装调困难；(2)为了减少支架对光线的遮挡，支架截面积受到限制，导致次镜的结构强度和稳定性降低 ]，并且导 弹在行进过程 中(加速前进 、横滚 、转 向)的加速度很大，会使次镜的支架发生变形，严重影响成像质量 ，降低了制导的精确性。

本文提出了-种-体式的双反射结构--主次镜集成在-个透镜前后表面，安装时只需对透镜进行固定即可，无需支架，在极大地简化光学系统结构的同时增加 了系统的通光量 ，增强了成像的稳定性。这种结构中次镜的装调精度要求在加工阶段保证，已引进的单点金刚石车床的加工精度可以满足要求。设计的紧凑型二次成像光学系统的波段为 3.7～4.8/zm，口径为 60 mm，能实现消热差和 100 冷光 阑效率 ，成 像质量也达 到了衍射极限。

2 折反 系统设计- 体式光学系统设计可以先从分离 的 R-C系统设计出发，通过在两反射镜之间增加材料获得初始结构 ，最终通过光学设计软件优化得到结果 。由于分离的 R-C系统要满足光瞳匹配，为了使系统 口径不致太大 ，通常采用二次成像 的方式孔径光阑D1图 1 二次成像折返结构Fig.1 Relay imaging system来实现。对有中继成像的两镜系统，有Ⅲ：z ， (1) 。 A～ B A --2D1如f/Dr Z。 ， (2)B - d/Ms。， (3)M - D / . (4)其中：长度变量指代如 图 1所示 ；f为系统焦距 ；D为系统入瞳直径 ； 为系统出瞳直径 ；D 为孔径光 阑直径 。

式(1)中只要确定 了两镜系统的结 构以及探测器的参数，就可以算出转像系统的共轭成像位置及焦距 。为了满足大视惩消色差 的要求 ，转像系统通常需要 2～3片透镜组成 ，逐步增加透镜数 目并输入 自动优化程序 中就可以获得分离 的两镜二次成像系统 ，然后在两镜之间增加光学材料 ，进-步优化即可得到-体式的光学系统。

3 衍射光学设计为了使系统在缩型简化结构的同时能够很好地消单色像差和色差，采用了二元衍射光学元件5。]。普通的光学元件产生的色差是 由元件本身选用的材料决定的，而衍射元件的色差是由元件表面的微结构引起的，与基底材料无关，等效为阿贝常数 和部分色散 P。。

衍射光学元件的色散公式表示为 ]：厂- f。， (5)7式中：厂。为设计 波 长 。的焦距 ，m 为衍 射级 次(通常取 m-1)，f为元件在波长为 下 的焦距 。

对 比普通光学元件的焦距公式 ，将衍 射元件的焦距表示成含有等效折射率 的表达式 ：，- ， (6)式中：C。为表面 曲率 ， 为衍射元件 的等效折射率。

由式(5)、式(6)以及阿贝常数和相对色散的定义式，可得衍射元件等效的阿贝常数和相对色散为 ：- 箬 - ， ㈩- nf- nef2- ， (8)式中 ：A ， 。为需要消色差的两个 波长 ， z为中心564 光学 精密工程 第21卷理论上该光学系统的成像质量达到了衍射极限。图 3为系统的传递 函数 曲线 ，不管是轴上点还是轴外点都与衍射极限下的传递函数曲线重合，空间频率在 17 lp/mm处均大于 0.6。图4所示 的点列图中，最大的几何点斑直径小于 36 ptm，成像质量较好 。图 5所示 的系统像差曲线表 明，系统很好地满足了消色差要求 。

4 690G4 580C 4.470C 、4 360C 、4 250C 宙41400 ；4 83o0奎 / 3 920C3 8100 // 。

O . 。 。。 。。F 0 AIs T 0 20 3O 40 500HRUMA J0 FOCAL洲 1SA-TD-ECu31r2。01c1n s T R A N GE ：DIFFRACTIONLIMI TE f I z 。 I 。 ，图 5 系统的色差曲线Fig.5 Chromatic curve of system4.2 消热差分析由于衍射元件具有特殊 的色散特性 ，利用衍射元件可以很好地校正光学系统的单色像差和色差 ，而且它受温度影响小，因此设计时只需合理地分配各个表面的光焦度就可实现消热差 ]。其中，-4O，6O℃ 的系统传 递函数分别如 图 6，7所示。在各个温度时系统的传递函数均大于 0.4，消温差效果较好。

图 6 6O℃时系统传函曲线Fig.6 MTF curves at 60℃. 1盯i2 0Il2060oDEUEGG I- IO 8 ；- !竺! 目奄高 I、兰0，5、 、 O。2 0 1 7 3 4 5 6 8 8 5 10 2 11 9 13 6 15 3 17SPATI削 FREQUENCY IN CYCLES PER MMtR.Olvl/IIC 1)l RAC1ION iIF。SA T DE C 31，2 0。1。。1SURFRCE：IM AGE，。 。。。 lIIcYoITNI4nOGJauORZ M XoN 20F 4图 7 -40℃时系统传递函数曲线Fig.7 MTF curves at- 40℃4.3 公差分析为了验证光学 系统 的加工实现的可行性 ，并降低加工成本 ，需要合理地进行公差分配。使用Zemax的蒙特卡罗反复分析，得到如表 2所示的公差分布 ，相应的仿 真传递 函数如图 8所示。公差分析结果表明 ，该 系统能够满足实际加工装调成像的要求。

表 2 公差分布表Tab.2 Toleranee distribution公差 公差面形 3(光圈) 表面偏心 1-4 0.01 mrn面形不 均匀 0.3(光 圈) 表面偏 心 5-6 0.02 mm厚度 1-4 0.01 mm 表 面偏 心 7-8 0.02 mm厚度 4-6 0.02 mm 表面倾 斜 1-8 3O”厚度 6 8 0.02 mm， 09。0000000OCl2600ODDEoEOll0n0 O0 1 2-fi 00DE-G 1 5.O30O 18003DEGI cIlI 10 8I、 囊 -ilm- 目 日，--邑 O 7 、、写S 2 0.6 、、0.5- 曼 毒西 ：。1 0 1 7 3 4 5 1 6 8 8 5 l0 2 l1 9 l3 6 15 3 1 7SPATIALFRE QUE NCYIN CYCLES PERMMu LY0H MAIlc埘 KAC1IuNM 1 PJRF ReE D /tAGE。 IIJcY0ITtI 4F 0aSL0 .ZMXoNl( 图 8 蒙特卡洛仿真分析后的 MTF曲线Fig.8 MTF curves after Monte-Carlo simulation第3期 虞林瑶，等：-体式紧凑型折反光学系统设计 5654.4 杂散光分析在红外光学系统中，必须要考虑杂散辐射对成像质量 的影响。由于-体式结构的特殊性，无法采 用 常规 R-C结 构 的主 次镜 内遮 光 罩结构，因此，需要对其消杂散辐射进行分析。

为 了减少不经主次镜反射而直接达到转向系统的杂散辐射，可以将透镜 M 后表面无光线照射的表面涂上红外吸收材料，相当于主镜内遮光罩的作用；对于太阳背景的杂散辐射，仍可以使用外遮光罩加挡光环结构；视场内不按成像光路行进的杂散光将在探测器上形成鬼像 ，可以通过在透射面镀增透膜和提高反射面的光洁度来降低鬼像的影响；对于导弹内部产生的杂散辐射，中继转向系统 的外筒能够很好地削弱它对成像的影响 。

4.5 -体式结构与分体式结构分析- 体式结构和分体式结构的优缺点对比如表2所示。通过对比发现，虽然采用-体式结构会增加系统的质量和成本，但是大大降低了装调难度、提高了系统的成像质量和稳定性，而且使系统