摘要: 針對多模制導中長焦距紅外光學系統結構緊湊及寬溫度范圍熱穩定性的要求,設計了一種中波紅外折反光學系統。該系統根據其它模式制導的要求,采用固定焦距和口徑的主鏡,通過二次成像,在保持長焦距的同時減小了透鏡的口徑,降低了到達中繼成像系統主光線的高度,同時也降低了制造成本。設計了波長為3.7~4.8 μm、焦距f為300 mm、F數為2的中波紅外成像系統。結果表明,該系統結構緊湊像質優良,各視場光學傳遞函數均大于0.6,接近衍射極限,并且在-50~70℃可實現光學被動消熱差。針對該光學系統進行了公差分析并提出了抑制雜散輻射的方法,該系統滿足實際加工和應用需求。

1. 引言

近年來，隨著紅外探測器技術的飛速發展，探測器像元尺寸逐漸縮小，面陣規模逐漸增大，這為設計簡單、緊湊、遠作用距離的前視紅外光學系統奠定了基礎。目前在中波紅外長焦距光學系統設計中，由于大口徑的紅外材料價格昂貴，因此多采用反射式的結構，但是視場無法做大。采用折反式紅外成像系統能夠集合透射式和反射式的優點，具有更大的遠攝比和視場。尤其在多模式混合制導系統中，要求光學系統有較低的遮攔比和緊湊的結構，以減少對其它模式探測的影響，這種結構的優勢更為明顯。

一般多模制導系統的工作環境溫度在-50~70 ℃，而紅外材料的折射率受溫度影響較大，嚴重降低成像質量。目前針對紅外系統的無熱化分析。主要采用衍射元件，利用其特殊的色散性質，實現消色差、消熱差。但是衍射元件的衍射效率也是需要考慮的問題，而且會給系統引入額外的雜散光。另外機電式主動調焦補償系統也常用于紅外光學系統無熱化設計當中。

針對上述分析，本文設計了一種適用于多模式制導的長焦紅外折反系統，波段為3.7~4.8μm，F數為2，100%冷光闌效率，并且在-50~70 ℃實現了消熱差，成像質量接近衍射極限。

2. 折反系統設計

中波紅外系統由于要滿足冷闌效率，需要使系統的出瞳與探測器的冷闌匹配，而如果采用R-C反射鏡結構，將會導致次鏡口徑過大，增加系統的遮攔比，因此中波紅外反射系統通常采用二次成像的方式來實現，如圖1所示。前組采用R-C雙反射結構，后組采用具有一定放大率的中繼成像系統。

圖1.二次成像折返結構

圖2.光學系統結構圖

7. 雜散光分析

在紅外光學系統中，雜散輻射對成像質量的 影響成為必須考慮的因素。折反二次成像系統的雜散光抑制可以采用以下方法：首先對于來自成像視場外的雜散光，可以采用主鏡遮光筒和次鏡遮光筒，內外表面可以進一步加工消光螺紋，有效地減少一次及多次反射進入探測器的雜散光，通過設置主鏡鏡筒的長度可以控制入射到主鏡的視場外的雜光;其次利用二次成像部分，在一次成像面附近加入視場光闌限制入口的光束。

本文最后使用Lighttools，采用逆光路法，將有效光線和雜散光分離，最終得到了百分比表示的雜散光系數，分析時因為沒有實際測量各個表面的透射率，按照經驗取2%的反射率，追跡107條光線，在右側接收器的光線能量占輸出總能量的96%，由此可以分析出，該光學系統的雜散光的能量占探測器接收能量的2%，可以滿足成像探測需求。

圖8.Lighttools光線追跡圖

8. 結 論

本文設計了一種緊湊型中波折反光學系統，用于多模混合制導中，該系統遮攔比低，體積小，且成像質量優良，-50~70 ℃消熱差，公差分析結果顯示該系統滿足加工及裝調成像要求。本文最后提出了一些消雜散光的措施，使得該系統能夠有效抑制太陽背景輻射以及系統內部雜散輻射，從而提高信噪比。

審核編輯：湯梓紅