林 森 蔡 伟 魏小林 常 虹

(1.北京航天计量测试技术研究所，北京 100076；2.北京航天自动控制研究所，北京 100039)

带摆镜的制冷型中波红外像方扫描光学系统设计

林 森1蔡 伟2魏小林1常 虹1

(1.北京航天计量测试技术研究所，北京 100076；2.北京航天自动控制研究所，北京 100039)

基本形式的像方扫描光学系统依然需要复杂的二维回转机构带动成像镜组做二维扫描，所以二维回转机构需要承担较大载荷。分析了基本形式的像方扫描光学系统形式，并在基本形式基础上加入摆镜，只通过二维摆镜的旋转达到扫描像面的目的，大大减小二维回转机构载荷，提高扫描速度，简化了系统结构，减小了系统体积。加入摆镜后的光学系统除具有基本形式像方扫描光学系统的性质外，还有了新的限制条件，对带摆镜的像方扫描光学系统进行了分析，提出了设计条件及设计方法，并设计出具有较大视场的像方扫描光学系统。

像方扫描 中波 摆镜 光学系统

1 引 言

在探测器一定的情况下，凝视型红外热像仪若要实现大视场则会降低系统分辨率，扫描型红外热像仪可在不损失分辨率的情况下实现对大视场内目标的搜索及跟踪，其基本形式包括物方扫描形式及像方扫描形式。传统物方扫描光学系统口径大，体积大，而且回转机构需要承担较大载荷。而像方扫描形式的光学系统具有较小的口径，回转机构载荷较小，扫描速度块，与物方扫描相比具有明显的优势。在对像方扫描光学系统成像特点分析的基础上，设计带摆镜的制冷型中波红外像方扫描光学系统，确定了摆镜摆放位置的条件，设计出具有大视场的像方扫描光学系统。

2 设计原理

2.1系统原理

像方扫描光学系统基于二次成像光学系统，由前置镜组及成像镜组组成。前置镜组为望远镜组，具有较大视场，将大范围目标成像在一次像面上，像面有一定曲率半径。成像镜组有一定的放大倍率，一次像面上的实像经过成像镜组成像在探测器上，通过成像镜组的转动，扫描一次像面以达到对物方大视场景物的扫描。其结构形式如图1所示。

2.2光学系统特点分析

2.2.1 像方扫描光学系统瞬时视场较小，通过扫描实现对大视场景物的搜索。

为满足一定分辨率要求，根据已有的探测器焦平面大小及探测距离等参数可计算得到所需要的瞬时视场大小及瞬时视场对应的光学系统总焦距f0。

根据组合光学系统性质可得

f0=f1×β2×β3×…×βi

(1)

式中：f1——光学系统第一个镜组的焦距，本系统中为前置镜组；βi——第i组镜组的放大倍率。

前置镜组像方F数要与成像镜组物方F数匹配。因此，制冷型探测器选定之后，可根据两镜组设计的难易程度，合理分配各组的焦距及F数大小。

2.2.2 回转中心位置与一次像面曲率中心位置重合

为使在成像镜组回转过程中目标不丢失，或一直保持成像质量良好，成像镜组回转中心位置必须与一次像面曲率中心位置重合，否则转动过程导致各视场光程变化，无法在各个状态均呈实像。

像面曲率半径越大，前置镜组越容易实现，但成像镜组物距越远，系统总长越大，因此在设计中需合理规划一次像面曲率半径值。

2.2.3 前后组主光线方向对应并共线

若前置镜组及成像镜组能够匹配，则一次像面前，前置镜组的像方各视场主光线必须与一次像面后成像镜组物方各视场主光线相对应并共线。为保证实时成像，前置镜组及成像镜组各个视场主光线要与像面法线重合，因此成像镜组物面也为曲面，其曲率半径与一次像面相等，曲率中心与一次像面曲率中心、成像镜组回转中心重合。

2.2.4 入瞳(出瞳)与回转中心重合

根据回转中心位置及主光线方向可确定入瞳(出瞳)位置。各视场主光线垂直于像面，即指向像面曲率中心，而根据光学系统性质，各视场主光线N次成像光学系统与光轴有N个交点，每个焦点即为光阑位置，前置镜组及成像镜组均为一次成像镜组的情况下，回转中心即为孔径光阑位置。

2.3光学系统基本形式

根据回转中心的位置不同，像方扫描光学系统有两种基本形式。

2.3.1 回转中心在前置镜组像方：前置镜组出瞳位置与回转中心重合，像面曲率为负，前置镜组各视场主光线必定与像面法线重合。成像镜组各视场主光线在设计时需设定边界条件，与一次像面法线重合。图1所示为像面为负曲率半径的像方扫描光学系统示意图。

2.3.2 回转中心在后组物方：后组入瞳位置与回转中心重合，像面曲率为正，前置镜组各视场主光线需设定边界条件使其与一次像面法线重合。图2所示为像面为正曲率半径的像方扫描光学系统示意图。

相比与物方扫描，像方扫描减轻了系统体积及重量，但二维回转机构依然承担了较大载荷，因此限制了扫描速度。

2.4摆镜对光学系统的影响分析

为了进一步降低二维回转机构的载荷，增加扫描速度，在像方扫描光学系统中加入摆镜，目的是只通过摆镜的二维运动实现对前置镜组大视场的扫描。摆镜旋转速度快，不需要大型回转机构，无大载荷，因此跟传统像方扫描光学系统相比重量更轻，体积更小。但摆镜的加入使光学系统设计的边界条件更加严格。

由于系统中的运动组件只有摆镜，因此从一次像面到摆镜之间不能有镜片，否则转动时摆镜与透镜一起转动，增大回转的惯量。加入摆镜后，系统同样有两种结构形式。

(1)若回转中心在前置镜组像方，则前置镜组出瞳与一次像面之间无镜片，即孔径光阑与出瞳重合，与摆镜回转中心重合，而此时，由于孔径光阑距离前置镜组第一片镜较远，导致前置镜组口径较大，没有起到缩小体积的作用。其结构示意图如图3所示。

(2)若回转中心在成像镜组物方，则成像镜组光学系统入瞳在镜组之外，在一次像面的回转中心处，对于制冷型光学系统，主光线与光轴分别在一次像面曲率中心和冷光阑处有两交点，因此成像镜组必为二次成像结构。

3 设计实例

根据上述像方扫描形式的光学系统原理，在基本形式的像方扫描光学系统中加入摆镜，并将回转中心放置在一次像面之后，设计带摆镜的光学系统参数如下：

(1) 光学系统瞬时圆视场：2ω=±6.4°；

(2) 扫描视场：θ=±15°；

(3) 瞬时视场对应的焦距：f=54.8mm。

设计时考虑到系统对尺寸、重量的要求，将回转中心放置在成像镜组物方，经过多次计算，均衡设计难度，选择一次像面曲率半径为75mm。前组像方F数2.5。后组倍率为0.8。

4 设计结果

经过设计优化，得到最终光学系统结构如图4所示，各视场成像质量如图5所示。

由图5，折转后系统总长度小于300mm，成像质量在全视场范围内MTF@16lp≥0.5，根据结构设计结果，重量较物方扫描方式减小了50%，二维回转机构载荷由原来的3kg减小到0.5kg，因此大大增加了扫描速度。表1为像方扫描形式的光学系统与物方扫描光学系统参数对比。

序号项目物方扫描像方扫描1体积Φ300×500Φ200×3502总质量15kg7．5kg3扫描视场±15°±15°4瞬时视场±6．4°±6．4°

6 结束语

通过对像方扫描成像特性的分析，给出像方扫描光学系统的两种基本形式，并在此基础上加入摆镜，讨论了加入摆镜后光学系统的设计难度及设计特点，最后，设计出带摆镜的像方扫描形式的中波红外光学系统，成像质量良好。其与物方扫描形式相比具有尺寸小、重量轻、结构简单等特点，在满足使用要求的前提下，大大节省了系统空间。但本系统仍存在部分难点需解决，如多系统之间的联合装调，以及对振动环境的适应性等，还需进一步解决。

[1] 孙露露，刘春华，张鹏，潘枝峰，陈建发．像方扫描机制的红外成像制导光学系统设计[J]．电光与控制,2014,21(2):65～68.

[2] 杨争，周伟，徐惠忠．红外成像系统在军事领域的应用前景[J]．红外与激光工程,2008,38(S2):691～694．

[3] 黄培康，袁起，朱振福，等． 光学精确制导技术的发展现状与展望[J]． 红外与激光工程,2007,37(S2):1～6．

[4] 赵超，杨号．红外制导的发展趋势及其关键技术[J]．电光与控制,2008,15(5):48～53.

DesignofImageSpaceScanningSystemwithTiltMirrorforCooledMediumWaveInfraredOpticalSystem

LIN Sen1CAI Wei2WEI Xiao-lin1CHANG Hong1

(1. Beijing Aerospace Institute for Metrology and Measurement Technology，Beijing 100076，China； 2. Beijing Aerospace Automatic Control Institute，Beijing 100039，China)

In basic form of image space scanning optical system, the complex rotating mechanism is necessary for driving the lens to do two-dimensional scanning, thus the bearing load on the rotating mechanism is large. The basic form of image space scanning system is analyzed，and a new form of scanning is proposed ,in which a tilt mirror is added. The new system has the advantages of much smaller load on the rotating mechanism, higher scanning speed, more simple structure and smaller size. With the tilt mirror added, the image space scanning optical system has new restriction as well as original characters. The new form of image space scanning system is discussed, the design condition and method are proposed，and the design of an image space scanning system with wide FOV is introduced.

Image space scanning Medium wave Tilt mirror Optical system

2015-10-12，

2016-08-18

中国运载火箭技术研究院创新基金项目。

林森(1986-)，男，工程师，主要研究方向：光学工程。

1000-7202(2017) 04-0016-04

10.12060/j.issn.1000-7202.2017.04.04

P225.2

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