宽谱段近红外星敏感器光学系统的设计

星敏感器主要用于恒星定位 和确定运载体的姿态 ，其观测 目标是天空 中的恒星。对 于水面舰艇和飞机导航等应用 而言，对 白天测 星能力 提出了相当高的要求。研究发现在近红外波段测星概率比可见光波段大约高-个数量 级，而且在 近红外波段大气具有更高的传输率、低的散射效应和大气衰减。随着近红外探测器性能的提高，大大提高了星敏感器的白天测星能力，目前近红外波段测星已成为地面和机载高性能星敏感器的重点发展方向之-l j。

为使近红外波段工作 的星敏感器对弱亮度恒星具有较高的探测能力，其光学系统要求具有较宽的工作谱 段、大 的通光 口径。同时星敏感 器光学系统在工作时需保证恒星在CCD上的成像位置有-定的精度，因此像差校正时，需考虑在宽谱段范围内工作时光 学系统 需要具 有 良好 的色差 特性，以减小不同波段色差造成的光斑质心计算误差。本文针对某近红外星敏感器需求，分析了宽谱段条件下近红外波段光学系统的二级光谱，设收稿 日期 ：2012-05-31； 修回 日期 ：2012-06-12作者简介：赵坤(1964-)，男，湖北荆门人，研究员，主要从事光电成像系统和导航系统的研究工作。

E-mail：Zhaokun7 1 7###yahoo.tom.cn· 22 · 应用光学 2013，34(1) 赵 坤，等 ：宽谱段近红外星敏感器光学系统的设计计了具有宽谱段、大孔径的近红外星敏感器光学系统，可以满足星敏感器的探测能力要求。

1 近红外星敏感器光学 系统的设计要求某近红外星敏感器光学 系统的主要技术指标如表 1所示 。

表 1 光学系统的技术指标-览表Table 1 Technical indices of optical system项 目 参数要求系统焦距 150 mm人瞳直径 1。0 mm光谱范围 900 nm～1 700 nm系统透过率 ≥85能量集中度 嚣 饕从上述技术指标要求可以看出，光学系统的工作波段范围为 900 nm～1 700 nlTl，谱段宽度 △- 800 nm，因此该光学系统在设计时必须有效地减小其色差才能获得良好的像质。

2 消二级光谱的基本理论光学系统对两种色光校正位置色差后 ，即两种色光的焦点相重合，其相对于第 3种色光的焦点仍有偏离，这种偏离则称为二级光谱，二级光谱是高级色差的-种。对于-定焦距的透射光学系统，二级光谱初级量的大小与系统结构参数无关，完全 由玻璃的色散特性决定。

对于宽谱段的光学系统在满足光焦度要求的前提下校正正位置色差的条件[6 。 为C - >：h ( /v )-0 (1)- 1式中：c 为轴向色差；h 为入射光线高度； 和u为第 i个透镜的光焦度和色散系数 。

从式 (1)可以看出，在单片透镜光焦度不增加的情况下，系统设计时正透镜选用大色散系数、负透镜选用小色散系数的玻璃材料组合能有利于系统色差的消除。

光学系统在校正色差 的基础上 ，同时校正二级光谱的条件为>： ( / )P -0 (2)i 1式中P 为透镜材料的相对部分色散。

3 玻璃材料选择根据上述消二级光谱理论中的公式(1)和公式(2)，为了同时校正色差与二级光谱 ，-种方法是选择 3种玻璃 ，它们在部分色散系数 P 与 u 的分布图上所 围的三角形具有尽 可能大的面积 。实际上是其中的2种玻璃组合成-种新的虚拟玻璃，它与第3种玻璃具有相同或接近的部分色散系数，而同时又有-定 的阿贝数 之差。用该方法时 ，还需要通过合适的光焦度分配才能达到同时校正位置色差与二级光谱的目的，因此给光学系统的像差 自动校正带来较大的困难 。

另-种做法是选用相对部分色散 相同或接近、色散系数 相差比较大的玻璃组合，其优点是可以使系统的二级光谱校正与光焦度分配无关，解除了光学系统自动优化设计中二级光谱对光焦度的约束条件 ，亦即它满足消位置色差条件后，自动满足消二级光谱条件，较容易设计出高像质的光学系统4]。该方法也是本文在设计中采用的方法。

以可见 光玻璃材料数据库进行分析 ，玻璃 材料在不同波段时色散系数与相对部分色散系数的分布如图 1所示 ∩以看出玻璃材料的色散系数与相对部分色散 系数分布在可见光波段 呈线状 ，在近红外波段呈散布状。

蠡1箍蛆]霞色散 系数图 1 不同波段内玻璃材料 的色散特性Fig.1 Dispersion characteristics of glass chromatic disper。

sion in different bands考虑到具有 良好消色差效果的 CaF 晶体较脆、化学稳定性差、光学工艺性欠佳、价格昂贵，故在该光学系统中未采用，而是选择了成都光明牌号为 H-FK61、H-ZF3、H-ZBaF3的玻 璃材 料。3种玻璃材料在 900 nm～ 1 700 nm波段内的折射率、色散系数和相对部分色散系数见表 2。从表 2可以看出，3种玻璃的相对部分色散系数非秤近 ，然而色散系数又有较大的差异。

应用光学 2013，34(1) 赵 坤，等：宽谱段近红外星敏感器光学系统的设计 ·23 ·表 2 玻璃材料的折射率与色散特性表Table 2 Refractive index and dispersion coefficient of glass material4 设计结果分析利用 CODE V光学设计软件 ，在保 证系统有足够高的透过率 的条件下 ，旧能减少 系统 中光学零件 的数 目，同时为减少系统 中光学零 件的外形尺寸，系统光阑位于第-片透镜的前表面，经优化设计 ，系统共 由 6片透镜构成 ，总长 185 mitt，系统光路 图如图 2所示 。

图 2 系统光路 图Fig.2 Optical path of system系统的色球差曲线、像散和畸变曲线如图 3所示 ，垂轴色差如 图 4所 示。从 图 3和 图 4可以看出，系统已经达到了较好的二级光谱校正效果，系统的最大畸变小于 0.6 。

图 3 二级光谱 、色球差、像散和 畸变 曲线Fig.3 Curves of secondary spectrum ，spherochroma-tism ，astigmatism and distortion图 4 光学 系统 的垂轴色差Fig.4 Longitudiinal aberration of optical system系统各视场的弥散斑如图5所示，弥散斑能量分布曲线如图 6，弥散斑的 85 能量集中的最大直径为 13.4"m，满足光学系统 的技术指标要求 。

0.OO 1.O0 O.O0， 0.85O .000，4.200 DG 0.000，3.570 DG霹裹0.00， 0.750.000，3 .150 DG 0.00， 0.50 0.00， 0.30 0。00， 0.000.000，2.1O0 DG 0.000，1.260 DG 0.000，0.0OO DG图 5 系统的弥散斑Fig.5 Dispered spot diagrams of systemFig.6 Geometric encircled energy curves of dispered spots· 24 · 应用光学 2013，34(1) 赵 坤，等：宽谱段近红外星敏感器光学系统的设计光学系统的光学传递函数见图 7所示。传递函数的计算结果表明，当空间频率等于 32 ip/mm时，中心视场 MTF达到 0.82，边缘视场 MTF仅TNo.15，复色光各视场 MTF均大于 0.65。 [3]图 7 光学系统的传 递函数 曲线Fig.7 M TF of optical system5 结论针对近红外星敏感器使用波段宽的特点，依据消二级光谱理论 中可行的两种消二级光谱方法 ，采用了选用相对部分色散系数相同或接近 、色散系数相差较大的玻璃组合的方法对近红外星敏感器光学系统进行 了设计 ，在 900 nm 1 700 am的宽光谱范围内实现了二级光谱的校正，使系统具有 良好的像质。

注 ：实际工程设计 中，由于玻璃材料制造过程中的不稳定性，必须对玻璃材料在使用波段范围内的折射率进行测定，然后依据折射率实测值对设计数据进行修正。