引言

由于成本低、可提供全面精准的测试数据，在实验室内利用半实物仿真试验系统对红外搜索跟踪光电系统、红外导引头进行仿真测试与评估已成为一种普遍的方法。红外目标投影系统^[1]与五轴转台一起构成半实物仿真试验系统，是半实物仿真系统的关键设备之一。投影系统主要由2大部分构成：目标投影子系统和控制子系统，其中目标投影子系统为红外光电系统提供来自无穷远的弹目视线运动和等效的红外目标辐射特性，控制子系统对其进行实时控制。

越来越多的红外光电系统要求目标投影系统可提供多路动态红外点源目标辐射特性和运动特性，以完成在强干扰条件下对光电系统性能的测试与评估。针对目标投影系统的这种需求，需要设计多通道的准直投影光学系统。为此，哈尔滨工业大学、西安光机所和中国空空导弹研究院^[2-4]对双通道目标投影系统展开了一系列研究，设计了波长为3 μm~5 μm，出瞳在60 mm~90 mm，视场在±3°~±4°，出瞳距为550 mm~1 050 mm的双通道准直投影光学系统，结构上采用了望远系统与成像系统组合的方式。

根据这些研究成果和经验，我们对大视场、长入瞳距的双通道长波红外目标投影系统进行了研究。本文重点讨论了波长为8 μm~12 μm、视场为12°的双通道准直投影光学系统的设计，其中包括光学系统参数的分配和优化方法。

1   光学系统的指标

双通道红外目标投影系统包括双路红外点源通道：目标源1、目标源2分别进行目标由远逼近模拟及在视场内横向、远近复合运动模拟。准直投影光学系统利用合束镜(投影方向分束镜为合束镜)将置于其焦平面上的2个目标源合成一幅场景，并以平行光投射出去，以满足红外目标投影系统对无限远目标的要求。根据投影子系统结构的要求、转台的接口尺寸、负载以及红外光电系统测试需要，确定了光学系统的设计指标(按光路追迹方向)，如表 1所示。

表  1  准直投影光学系统设计指标

Table  1.  Design specifications of collimating projection optic system

光学参数	指标
工作波段/μm	8~12
视场/(°)	12
像面大小(直径)/mm	48
入瞳距离/mm	800
入瞳直径/mm	100
角分辨率/mrad	< 0.2

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分析以上设计指标，光学系统入瞳位于透镜组前800 mm处，受入瞳距离、入瞳直径以及视场的约束，第1片透镜通光口径在268.17 mm左右。本系统视场较大、入瞳距较长、第1片透镜口径大，因此要合理选择光学系统结构以满足投影系统对光学参数、像质以及外形尺寸的要求。

2   光学设计

2.1   光学系统结构和参数的确定

红外目标投影系统目标由黑体、渐变衰减器、可变光阑构成^[5]。黑体提供红外辐射; 渐变衰减器完成目标强弱变化; 光阑大小变化用来模拟目标远近变化。为了保证渐变衰减器和光阑控制电机安装和运动的空间，光学系统需要有较长的后截距。如果采用单组透镜，整个系统的透镜口径都很大，材料的选取和加工困难，成本增加，同时视场、入瞳距引起轴外光束在镜组上投射高和透镜表面入射角增大，轴外像差校正难度加大。

文献[6]中的准直投影光学系统，采用二次成像结构，通过对光束的压缩，减小透镜的口径，在会聚光束中插入分束镜引入目标源通道，并通过减薄分束镜的厚度来控制透射方向的像差。但对于12°视场，采用这种结构，分束镜口径会比较大，为了保证面形加工精度，厚度也会相应增加，因此这种结构不能保证2个通道同时具有良好像质。

如图 1所示，本系统采用望远系统和成像系统组合的光学结构，在望远系统和成像系统之间的平行光路中以45°角插入分束镜引入另一个目标源通道。在平行光路或近似平行的光路中，倾斜的平行平板只会引起光轴的平移，不会引起严重的像差变化，而在会聚光路中，倾斜的平行平板会使光学系统不再旋转对称，产生较大的像差。

图  1  准直投影光学系统示意图

Figure  1.  Schematic diagram of collimating projection optic system

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在光学设计中，2组或多组透镜组合时要合理分配焦距，并考虑光瞳匹配^[7]。

根据几何光学的理论。焦距f′与像面H、视场ω的关系为

而且系统的总焦距f′、望远系统物镜f′₁、目镜焦距f′₂以及成像物镜焦距f′₃之间存在以下关系：

已知光学系统的像面大小即可变光阑张开的最大口径为48 mm，根据公式(1)计算得到组合光学系统的总焦距f′为228.34 mm，望远系统的放大率取到3.5左右，f′₁为315 mm，f′₂为90 mm，由公式(2)得到f′₃为65 mm左右。

光瞳匹配是指前一个透镜组的出瞳要和下一个透镜组的入瞳重合。如果光瞳不匹配，前一个透镜组出瞳的光线部分或者完全不能进入下一个透镜组的入瞳，造成光路渐晕或几组透镜不能彼此成像。渐晕使投影系统在出瞳处不能得到能量均匀的光束，造成红外光学系统图像变形，不能彼此成像则会使整个图像丢失。对于本系统而言，望远物镜的像方孔径角应和目镜的物方孔径角匹配，成像物镜的入瞳应和目镜的出瞳匹配。

光瞳匹配包括位置和大小的匹配。由图 1可知，目镜和成像物镜又构成一个近距成像系统，而望远物镜的f/#₁数和这个近距成像系统的放大倍数β、整个系统的f/#密切相关，存在以下关系：

又知光学系统的f/#、入瞳D以及像方数值孔径NA的关系为

由设计指标可知系统的f/#为2.28，已知近距成像系统的放大倍数β为0.72左右，根据公式(3)得到望远物镜的f/#数约为3左右，利用公式(4)即可得到望远物镜的像方数值NA孔径约为0.17，目镜的物方数值NA即为0.17，再利用公式(4)计算得到目镜的出瞳为30 mm左右，那么成像物镜的入瞳也为30 mm。

根据以上方法确定的焦距、相对孔径等参数在优化过程中取得良好效果。

在8 μm~12 μm的长波红外波段常用的光学材料有锗、硫化锌、硒化锌等。红外材料具有较高的折射率，可有效地校正像差，但红外材料是以晶体生长或化学汽相沉积的方式制造，因此口径和厚度会受到限制，尤其是硒化锌和硫化锌，因此在使用材料组合校正像差时，应在口径较小的目镜或成像物镜中使用ZnSe或ZnS材料，以节约成本。

2.2   光学系统的优化

利用美国Focus公司研制的Zemax光学辅助设计软件对光学系统进行优化计算和像差平衡优化。在优化过程中，望远物镜组、目镜组、成像物镜先单独校正像差，将望远物镜、目镜组合为一个望远系统，加入理想像面对这个无焦系统进行优化，然后再和分束镜、成像物镜组合优化。

由图 1可知，2个目标源通道一个是利用分束镜的透射光，另一个是利用分束镜的反射光。Zemax具有可实现光学系统多状态变化的多重结构功能，它可以同时模拟系统参数、环境参数或镜头参数的不同变化，实现多状态操作，因此可利用Zemax的多重结构功能对组合系统的2个通道同时进行优化。在本系统中，望远系统是2个通道共用的镜组，它的结构参数为公共变量，在透镜数据编辑器中设置，而成像系统的结构参数为独立变量，可在多功能编辑器中设置。

如图 2所示在多功能编辑器中插入2个通道的结构，并对空气间隙、曲率半径、玻璃厚度、材料及非球面等结构参数进行设置，然后在评价函数编辑器中对2个结构的焦距、总长、畸变等光学参数及像差的目标值进行设置，在优化过程中可对光学参数以及像差进行监控，根据需要调整优化评价函数及优化操作数，逐步放开2个结构的曲率半径、玻璃厚度、空气间隙，并控制边界条件。另外应对系统的总长进行控制以满足转台对长度的限制，为了更好地校正像差，还可引入非球面。由于望远物镜透镜的口径较大，为了便于加工和检测，非球面适宜加在口径较小的目镜或成像物镜中。

图  2  光学系统多重结构及评价函数设置

Figure  2.  Setting of multi-configuration and merit function for optic system

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3   设计结果

根据以上设计方法，光学系统的最终设计结果如图 3所示，系统2个通道由12片透镜组成。望远物镜由2片透镜组成，材料分别为锗和硒化锌，目镜为2片锗透镜，成像物镜由材料分别为硒化锌-锗-锗-锗的4片透镜组合。光学系统仅采用2片硒化锌透镜，其余均为锗透镜，材料全部实现国产化，节约了成本。系统采用2个二次非球面提高了像质，并减少了透镜的数量，望远物镜和成像物镜之间近似平行的光路减小了分束镜引起的像差。

图  3  光学系统结构图

Figure  3.  Layout of optic system

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光学系统具有以下性能参数：

焦距  f′_通道1=228.33 mm;

f′_通道2=228.34 mm

视场  2 ω

f/#  2.28

入瞳距离  800 mm

入瞳直径  100 mm

外形尺寸  600 mm×200 mm

质量  8.06 kg

以上性能参数保证了红外光电系统测试的能量和视场，还满足了转台接口尺寸、负载的要求以及红外光电系统和投影系统在转台上安装的需要。

图 4和图 5为光学系统在2个通道的点列图。图 4、图 5表明在全视场以内，系统的均方根弥散圆直径均小于艾里斑直径55.88 μm，目标通道1的角分辨率在0 ω、0.707 ω、1.0 ω分别为0.07 mrad、0.13 mrad、0.18 mrad，目标通道2的角分辨率在0 ω、0.707 ω、1.0 ω分别为0.07 mrad、0.13 mrad、0.17 mrad，满足0.2 mrad的指标要求，而且2个通道像质均匀。光学系统在2个通道的调制传递函数曲线如图 6和图 7所示。图 6、图 7表明光学系统在18 lp/mm，2个通道3个视场点MTF均大于0.32，可满足投影系统的使用要求。

图  4  目标通道1光学系统点列图

Figure  4.  Spot diagram of target channel 1

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图  5  目标通道2光学系统点列图

Figure  5.  Spot diagram of target channel 2

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图  6  目标通道1光学系统调制传递函数

Figure  6.  Modulation transfer function of target channel 1

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图  7  目标通道2光学系统调制传递函数

Figure  7.  Modulation transfer function of target channel 2

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4   公差分析

公差和加工、装配、校准密不可分，因此合理分配光学元件的公差是保证光学系统性能的关键。在Zemax中可利用蒙特卡罗分析来确定公差，即通过计算视场内平均像差和单个视场点的像差，得到蒙特卡罗样本的名义值、最佳值、最差值、平均值和标准差以及对像差影响最大的参数和公差。根据这个像差分析结果，在考虑加工因素的前提下，放松不敏感公差，收紧敏感公差。利用这种方法对光学系统进行分析计算，确定了最终公差，如表 2所示。根据这个公差分析计算得到90%镜头的MTF在18 lp/mm可达到0.3以上，与理论值接近。

表  2  准直投影光学系统的公差

Table  2.  Tolerance of collimating projection optic system

参数	公差
光圈数N	2~3
光圈局部误差ΔN	0.5
中心厚度d/mm	±0.05
空气间隙/mm	±0.02~±0.05
面倾角x/′	0.13~0.53
偏心差c/mm	0.023~0.15
折射率n	±0.001

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5   结论

本文设计的准直投影光学系统具有视场大、入瞳距长的特点。光学系统采用望远系统和成像系统组合的结构，在望远系统和成像系统之间的平行光路中插入分束镜，导入第2个目标源通道，通过合理分配各镜组的光学参数，利用Zemax光学设计软件的多重结构功能对2个通道同时进行优化计算，取得良好效果。光学系统从光学参数到像质满足了长波红外投影系统的指标要求，为红外光电系统的测试和评估有效地提供了弹目视线运动和等效的红外目标辐射。