高光学效率可见红外共口径/视场离轴系统设计

贾永丹 孙建 聂云松

高光学效率可见红外共口径/视场离轴系统设计

贾永丹1,2孙建1,2聂云松1,2

（1 北京空间机电研究所，北京 100094） （2先进光学遥感技术北京市重点实验室，北京 100094）

针对高光学效率可见红外共口径光学系统的应用需求，基于光学效率的定义分析了影响光学系统效率的主要因素，确定了采用离轴反射式共视场光学系统实现高光学效率的技术路线。比对了可见红外共口径/视场离轴光学系统的主流构型，提出了一种共用主次镜的紧凑型全反射式离轴系统构型。给出了光学系统设计实例，其技术指标为：可见光通道焦距6 000mm，F数12.4，视场角2°×0.1°，光谱范围400～700nm，全谱段全视场调制传递函数（MTF）数值在奈奎斯特频率处（71.4线对/mm）大于0.31，相对畸变小于0.29%；红外通道焦距1 700mm，F数3.5，视场角2°×0.1°，光谱范围3～5μm，冷光阑效率100%，全视场全谱段MTF数值在奈奎斯特频率处（33线对/mm）大于0.31，相对畸变小于0.73%。分析结果表明，同等技术指标条件下，文章所述共口径光学系统红外通道光学效率较复杂折反射式共口径光学系统效率至少提升40%，可解决传统离轴系统畸变较大的问题。

低畸变 共口径/视场 光学效率 离轴系统 光学设计 光学遥感

0 引言

红外成像用于获取地物的温度辐射特性，具有热辐射识别能力强、远距离和全天时工作等优点[1]，是空间光学遥感侦察、去伪探测的重要手段。同等指标条件下中波红外衍射极限分辨率高于长波红外，并且中波红外探测器的噪声更小，灵敏度更高[2]，因此中波红外光学系统在成像过程中能够实现较高的空间分辨率和温度分辨率[3]。但红外图像的清晰度与可见光图像相比仍有较大差距，故将红外图像与可见光图像融合可使同一场景的目标更为清晰，通过谱段细分亦能实现地物的精细识别。综上所述，兼具可见和红外谱段的遥感相机通过可见及红外通道参数的差异化配置可以提高分辨率，获得相对高的清晰度，且能够兼顾目标的温度分辨率。

双波段共口径系统整机较传统双相机系统整机大幅减小体积、降低成本[4-5]。红外探测一般对光学系统的噪声等效温差有一定要求，对于高灵敏度系统而言，如果能提高光学系统效率，将有效减小红外探测的工程实施难度。双通道光学系统设计时，通过尽量多的共用光学元件，以达到提高光学系统效率的目的。但共用光学元件数量的增加，直接导致系统可优化变量的减少，这与成像品质的最优目标存在矛盾。同时，巧妙的光学系统设计还要考虑元件的加工性和系统紧凑性的要求。因此，高光学效率可见红外共口径共视场光学系统在具有上述诸多优点的同时，也大大增加了系统设计难度，具有较高的研究价值。

由于本文研究的可见红外共口径共视场光学系统的成像谱段为可见光到中波红外的较宽光谱范围，基本无法找到既可矫正宽光谱像差又能实现0.5m口径的透射式光学材料，所以无法选用透射式光学系统。反射式光学系统可分为同轴反射式和离轴反射式两种类型。同轴反射式系统，存在中心遮拦，损失信噪比[6-7]。离轴反射式系统可规避同轴反射式系统存在的中心遮拦问题[8-13]，在同等系统指标情况下，有利于保证红外通道的光学系统效率和成像品质。所以本文致力于研究高光学效率可见红外共口径共视场离轴反射式光学系统。

对于此类光学系统已有不少学者展开了研究，文献[14]中介绍了一种双视场共孔径离轴光学系统，可以很好的解决大小视场共口径应用问题。但每个通道需要6～7片红外透镜，导致光学系统效率大幅降低，并且需要通过校正镜切入切出实现共口径成像，增加了活动机构，降低了整机可靠性。文献[15]中介绍的两种双波段光学系统，均包含8片红外透镜，且其系统体积庞大，同样由于引入过多透射元件而使光学系统效率降低。文献[16]虽然采用全反射式光学系统实现了可见红外共口径设计，达到了提高光学效率的目的，但可见红外双通道采用分视场成像的技术手段，不具备双波段同时成像的优势；同时，垂直光轴方向系统体积偏大，增加了系统质量；且未见文中提及考虑红外通道冷光阑问题，其杂散辐射光对成像品质可能存在一定影响。

本文针对高光学效率可见红外共口径共视场光学系统应用需求，对比了现有双通道离轴系统的优缺点，分析了该类光学系统的设计难点，研究了光学效率的影响因素，确定了双波段共口径系统的设计思路，提出了一种紧凑型全反射式高光学系统效率共口径离轴系统构型，给出了可见红外共口径离轴反射光学系统设计实例，应用光学设计软件对系统布局及像质进行迭代优化。

1 设计思路

光学效率的概念常用于聚光及光纤耦合系统中[17-18]，后延伸到成像光学系统。对于透射式光学系统可定义为透镜中透射光的总能量与入射到透镜上的光能量之比，其值与透射式系统的光学损失密切相关[19-20]。由此可知光学效率与其光学损失密切关联，透射元件因受到两个透射表面的透过率及材料吸收率的双重影响，较反射元件损失更多的光学效率。据此分析可知影响光学系统光学效率的主要因素为光学系统遮拦和透射元件数量。

基于同轴反射式系统存在中心遮拦损失部分光学效率的固有特点，本文选取离轴光学系统形式，目前离轴共口径/共视场光学系统的主要型式如图1所示。图1（a）所示光学系统型式简洁，光学效率高，但系统体积庞大，不利于整机质量和成本控制。在共口径、共视场和紧凑性的多重要求下，双通道各包含3片反射镜的整体构型导致其能实现的视场角指标存在一定局限。光学系统焦平面结构布局从图1（a）上看也存在一定问题。图1（b）所示系统型式焦平面布局合理，但系统共用光学元件部分采用韦瑟雷尔（wetherell）结构、无中间像离轴三反构型，导致其沿光轴方向及垂直于光轴方向的二维方向上体积均较大，不利于实现紧凑性要求，并且红外通道由于引入中继透镜组光学系统效率相对较低。图1（c）所示系统型式共用光学元件部分采用柯尔施（Korsch）结构、有中间像离轴三反构型，较图1（b）型式紧凑，但同样由于引入中继透镜组而存在光学效率偏低的问题。

针对上述双通道光学系统的优缺点，本文提出一种全反射式共口径/共视场离轴光学系统构型，该光学系统理论构型如图2所示。

图2 全反射式可见红外共口径/共视场离轴光学系统构型示意

可见光通道与红外通道共用主次镜，可见光通道光阑置于主镜上，红外通道光阑置于红外探测器冷屏开口处，由此实现共口径。双通道经过主次镜后通过分色片分光，以此保证双通道共视场，实现可见、红外通道同时成像。经分色片分光后可见光三镜置于主镜上方，实现可见光通道的紧凑型布局，红外通道经分色片分光后接红外通道三镜和红外通道四镜，避免使用红外透镜元件，最大限度的保证了红外通道的光学效率。经分析，同等技术指标条件下该种型式光学系统光学效率较图1（c）所示光学系统效率至少提升40%，详见2.2部分。

共口径离轴光学系统为兼顾双通道的成像品质，一般会对光学元件引入平移或倾斜变量，从而导致系统的对称性损失，因此一般此类系统畸变较为明显。初级畸变的分布式为

式（1）中

或者

由式（2）可知，孔径光阑位于球心，系统将不产生畸变。由式（3）可知，预消除畸变需同时满足光阑位置的正弦条件和角倍率的正切条件，即

本文所提出的全反射式共口径/共视场离轴光学系统构型，显然不满足上述消除畸变的条件。所以该种构型方式红外通道的红外三镜和红外四镜与可见光通道三镜剥离，可最大限度的矫正光阑离轴带来的非对称像差，从而更好的矫正系统畸变。

2 设计实例

根据上述设计思路，给出一个光学系统设计实例，并据此设计实例分析光学系统的成像品质、畸变及光学效率。

2.1 设计指标

光学系统设计指标如表1所示。

表1 光学系统设计指标

2.2 设计结果及像质评价

根据技术指标要求，光学系统型式如图2所示，按照高斯光学成像理论[21]或矢量像差理论[22-24]确定系统初始参数后带入ZEMAX光学设计软件，采用像差平衡手段对双通道初始解进行联合优化，最终得到满足技术指标要求的可见红外共口径共视场光学系统。图3为光学系统整体构型图，可见光通道由带中间像离轴三反系统组成，最大限度的保证了系统体积及光学效率，红外通道与可见光通道共用主次镜，通过红外三镜和红外四镜实现红外通道紧凑型布局、压缩焦距及畸变矫正的目标。可见光通道光阑置于主镜前方，既满足了系统像差矫正要求又保证了主镜的小口径。红外光学系统光阑置于探测器冷屏开口处，保证冷光阑效率为100%。共口径光学系统最终体积约为1 300mm×1 200mm×485mm。光学系统结构参数如表2所示。其中各主要反射表面均为非球面表面，设计过程充分考虑了非球面的各项加工及待检参数，保证各反射镜参数能够适应现阶段光学制造水平。

图3 光学系统整体构型图

表2 光学系统结构参数

图4为光学系统调制传递函数（MTF）曲线，如图4所示，可见光通道在71.4线对/mm处全视场全谱段MTF数值大于0.31，红外通道在33线对/mm处全视场全谱段MTF数值大于0.31，可满足系统技术指标要求。

图4 光学系统MTF曲线

光学系统相对畸变数值如表3所示，可见光通道光学系统最大相对畸变为0.285 0%，红外通道光学系统最大相对畸变为–0.726 8%，满足系统技术指标要求。

表3 光学系统相对畸变数值

根据现阶段光学元件加工及镀膜技术水平，将图1（c）所示构型（包含5片透镜）系统光学效率与本实例光学系统光学效率相比较。按照透射元件表面透过率99%，材料吸收1%；反射元件表面反射率98%，推算两光学系统红外通道光学系统效率，本文设计实例光学系统光学效率比图1（c）所示构型光学系统光学效率至少提升40%。

3 结束语

本文通过梳理可见光及红外成像的优缺点，肯定了可见红外共口径成像在空间探测领域的应用优势，从光学效率的定义出发，分析了影响光学系统效率的主要因素，确定了采用离轴反射式光学系统实现高光学效率共口径系统的技术路线。对比现有双通道离轴系统的优缺点，分析了该类光学系统的设计难点。研究了光学效率的影响因素，确定了双波段共口径系统的设计思路，提出了一种紧凑型全反射式高光学系统效率共口径离轴系统构型。实现了可见红外复合光学系统的紧凑型要求。给出了全反射式可见红外共口径离轴光学系统设计实例，设计结果表明，同等技术指标情况下，该光学系统光学效率较复杂折反射式双通道共口径光学系统效率至少提高40%，且系统双通道畸变均得到有效矫正。

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Design of a High Optical Efficiency Off-axial Optical System for VIS/IR with Common Aperture and FOV

JIA Yongdan1,2SUN Jian1,2NIE Yunsong1,2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China） （2 Beijing Key Laboratory of Advanced Optical Remote Sensing Technology, Beijing 100094, China）

As to the needs of the high optical efficiency optical system for VIS/IR with common aperture, based on the definition of optical efficiency, the factors affecting the optical system efficiency are analyzed, and the technical route of using off-axial reflective optical system to achieve high optical efficiency is determined. The typical configurations of the VIS/IR common-aperture/common-FOV off-axial optical system are compared, and a compact total-reflection off-axial system configuration with common primary and secondary mirrors is proposed. A design example was given. The technical indicators are as followed. For the VIS channel, the focal length, F number, field of view and the operating wave band are 6 000mm, 12.4, 2°×0.1° and 400～700nm respectively. The modulation transfer function in the pan-spectral band is above 0.31 all over the field of view at the Nyquist frequency of 71.4lp/mm, and the relative distortion is less than 0.29%. For the IR channel, the optical system focal length is 1700mm, F number is 3.5, field of view is 2°×0.1°, and the operating wave band is 3～5μm with 100% cold shied efficiency. The modulation transfer function of the system is above 0.31 all over the field of view at the Nyquist frequency of 33lp/mm, and the relative distortion is less than 0.73%. The analysis results indicate that under the same technical conditions, the optical efficiency of the infrared channel for common-aperture optical system described in this paper is at least 40% higher than the complex catadioptric optical system.

low distortion; common-aperture/common-FOV; optical efficiency; off-axial system; optical design; optical remote sensing

TH743

A

1009-8518(2023)01-0126-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.01.014

2022-01-02

科工局民用航天项目（D040101）

贾永丹, 孙建, 聂云松, 等. 高光学效率可见红外共口径/视场离轴系统设计[J]. 航天返回与遥感, 2023, 44(1): 126-134.

JIA Yongdan, SUN Jian, NIE Yunsong, et al. Design of a High Optical Efficiency Off-axial Optical System for VIS/IR with Common Aperture and FOV[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(1): 126-134. (in Chinese)

贾永丹，女，1984年生，2012年获长春理工大学光学工程专业硕士学位，高级工程师。研究方向为空间光学遥感器光学设计及仿真。E-mail：jwana@126.com。

（编辑：庞冰）