用于紅外目標模擬器的紅外光學系統(tǒng)

用于紅外目標模擬器的紅外光學系統(tǒng)

紅外圖像閱讀器的組成隨著紅外對抗技術的發(fā)展，大樓奇跡技術得到了發(fā)展。紅外仿真系統(tǒng)是由紅外計算機圖像生成系統(tǒng)(IR-CIG系統(tǒng))、紅外圖像轉換器(IR-CRT系統(tǒng))和目標運動仿真系統(tǒng)3個部分組成的。紅外目標圖像發(fā)生器和投影光學系統(tǒng)組成了紅外目標模擬器,它是整個仿真系統(tǒng)的關鍵子系統(tǒng)。本文討論紅外目標模擬器的重要組成部分——紅外耦合光學系統(tǒng)的設計,以及它與引導光學系統(tǒng)一起構成的紅外投影光學系統(tǒng),使IR-CRT產生的圖像可通過紅外投影光學系統(tǒng)成像在導引接收器上。1紅外橋接合光學系統(tǒng)的主要技術要求紅外耦合光學系統(tǒng)是與設計好的2種引導光學系統(tǒng)匹配使用的,所以,系統(tǒng)主要技術指標包括2個方面。1.1光學系統(tǒng)參數1出瞳距l(xiāng)p0.格蘭長的測量口徑D=Φ60mm,視場角2ω=6°,出瞳距l(xiāng)p′>550mm長焦距鏡頭:口徑D=Φ80mm,視場角2ω=4°,出瞳距l(xiāng)p′>200mm2測量圖像的大小為30μm1.2遠心光照要求1)IR-CRT線視場Φ60mm2)視場角2ω=7°3)焦距f=490mm4)工作波長λ=3～5μm5)要求像方遠心光路或接近像方遠心光路,出瞳距l(xiāng)p′與引導系統(tǒng)lp′相匹配。6)分辨率:在空間頻率N=16lp/mm條件下,0ωMTF≥0.4光學畸變:D′T≤-0.25%,0.7ωMTF≥0.32成像遠心的要求紅外耦合光學系統(tǒng)不是一個獨立的成像系統(tǒng),它與引導光學系統(tǒng)組合起來使用,所以其指標要滿足與它匹配的2個光學系統(tǒng)的光學參數和成像質量要求,即1)要滿足長焦系統(tǒng)的口徑D耦≥D導;2)要滿足短焦系統(tǒng)的出瞳距要求,即要有像方遠心(或接近遠心)光路;3)滿足探測器要求的分辨率和畸變要求。導引短焦光學系統(tǒng)的出瞳距l(xiāng)p′≥550mm,因此耦合光學系統(tǒng)的出瞳距為:lp′耦≥d耦+lp耦+lp′導一般地,成像系統(tǒng)孔徑光闌在鏡頭里,其入瞳與出瞳均在鏡頭光闌的2側。本系統(tǒng)的孔徑光闌(即入瞳)必須在鏡頭外才能把出瞳距拉到鏡頭外,并且離開鏡頭很遠,這樣會帶來2個問題:1)遠離光闌的鏡片口徑加大(特別是在視場較大情況下)使成本加大。2)軸外像差校正難度加大,視場邊緣分辨率變差。根據以上要求,我們設計的紅外耦合光學系統(tǒng)是一個長焦距、大視場,具有接近像方遠心光路的系統(tǒng),采用簡單的柯克三片式結構,并且光學材料選為硅(Si)-鍺(Ge)-硅(Si)。光學系統(tǒng)原理如圖1所示。3設計結果的評估下面對以上設計的光學系統(tǒng)從2方面進行評價。3.1入豐富/配色。為鏡頭外型光學系統(tǒng)總長度(從第一面到像面)ΣL≈680mm,鏡片外徑φmax≈110mm,光闌(即入瞳)在鏡頭外lp≈110mm,出瞳lp′>1400mm。滿足設計指標要求。3.2光學統(tǒng)mtf/mm紅外光學系統(tǒng)的極限分辨率為N=1/λF(1)式中,λ=4μm;F=6.25;N極限≈40lp/mm,此時MTF≈0。經過Zemax計算,在N=16lp/mm時,極限(理論)MTF為0.5左右。我們設計的光學統(tǒng)在N=16lp/mm,0ω時,MTF≥0.4;0.5ω時,MTF=0.42;0.7ω時,MTF≥0.35。如圖2所示。RMS彌散圓直徑為:0ω時,Δd=17.8,像元尺寸為0.59;0.5ω時,Δd=31,像元尺寸為1.03;0.7ω時,Δd=46.85,像元尺寸為1.03;0.7ω時,Δd=46.85。如圖3所示。光學畸變?yōu)?ω時,D′T≤-0.13%;0.7ω時,D′T=-0.06%,如圖4所示。4系統(tǒng)像質分析筆者采用簡單的柯克三片式結構組成中波(λ為3～5μm)紅外耦合光學系統(tǒng),具有較高的MTF及比較小的畸變,其像質也較好(見圖2和4)。以圖3點列圖(鏡頭對目標成像所形成的幾何像斑)為依據來分析該系統(tǒng)的像質。光學系統(tǒng)與像素化傳感器的接收器一起工作時,其均方根彌散斑直徑包含70%能量圓直徑,于目標像軸上(0ω)在1個像素之內,于軸外(0.7ω)在1.5個像素之內。這是除MTF外又一個評價像質的重要標準。我們設計的光學系統(tǒng)的均方根彌散斑于軸上(0ω)為0.6個像素,0.5ω時為1個像素,0.7ω時為1.5個像素(1個像素為30μm)。最后,需指出該系統(tǒng)可進