共形导引头光学系统设计及其MTF测试

孙金霞，李贤兵，武 伟，潘国庆，董光鹏



共形导引头光学系统设计及其MTF测试

孙金霞1，李贤兵1，武 伟1，潘国庆1，2，董光鹏3

( 1. 中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009；2. 航空制导武器航空科技重点实验室，河南 洛阳 471009；3. 中国人民解放军96275部队，河南 洛阳 471009 )

共形导引头光学系统因在非零观察视场中失去旋转轴对称性而存在随视场不断变化的动态像差。为验证共形光学系统的光学成像性能，设计了采用固定校正板进行像差校正的万向支架式共形导引头光学系统。系统在±55°观察视场内设计的传递函数值大于0.5，像元内能量集中度大于80%。为简化位标器结构并完成光学系统的成像性能测试，提出了采用头罩旋转的方式替代位标器结构的旋转。光学系统调制传递函数测量结果表明系统在小观察视场中的调制传递函数大于0.45，在全观察视场内大于0.25，满足目标探测要求。

共形光学；整流罩；固定校正板；光学设计；MTF测试

0 引 言

目前红外空空导弹整流罩的形状多为球冠或半球形，内部位标器光学系统受整流罩尺寸的限制，其无渐晕搜索视场小于±90°。且球形整流罩在导弹高速飞行(超过3马赫)时将产生很大的阻力，极大地限制了导弹飞行速度的进一步提高。现代战争要求制导武器向高速、高精度、远程化方向发展，常规球形整流罩已经无法满足现代军事的发展需求，因此人们提出了共形光学的概念。

我们把将作战系统整体性能作为首要考虑因素，其次考虑光学成像性能的整流罩或整流窗结构称为共形整流罩，与之相关的导引光学系统称为共形光学系统[1]。共形整流罩不仅气动阻力小，且雷达散射截面小，在一定条件下能够获得大于±90°的无渐晕搜索视场。共形导引头结构虽然能够降低空气阻力，但非球形整流罩在弹轴外搜索视场中的非轴对称性使此类系统的像差校正设计、机械控制结构设计、光学加工以及整体性能检测都存在诸多困难。针对这些问题，Sparrold和Knapp等提出了利用固定校正板或弧形校正板[2-4]等方式的光学像差校正方案；罗彻斯特大学研发了精密的NanotechTM500FG车床[5]，并对磁流变抛光加工技术[6]进行了深入的研究；Ronald等人提出了零位检测[7]等多种检测此类高陡度非球形整流罩面型的方法。2001年PCOT项目组宣布世界上第一个共形导引头光学系统研制成功[8]，并进行了室外成像实验,该系统在某单一视场内的目标像质良好。但精密共形光学项目及近年来的研究工作并未对共形光学样机系统的像质做MTF测试或像质均匀性等指标性的评价，故对于共形光学系统的工程化应用尚存在很多的不确定性。近十年来，国内许多单位在共形光学系统的设计、加工和检测等方面开展了跟踪研究工作：长春光机所、北京理工大学、中国空空导弹研究院[9-10]等少数单位有设计类的文章发表；人工晶体所、北京有色金属研究院、国防科技大学[11]发表过保形整流罩制备和检测相关技术研究的文章。近几年长春光机所开展了保形导引头结构样机[12-13]的研制工作，样机光学系统的折反射式成像系统中采用双固定校正板进行波前像差校正，搜索视场±20°。该系统室外成像效果较好，但±20°的搜索视场不足以验证共形导引头光学系统的动态像差特性，且该单位也未开展光学系统在全视场内的信息传递能力测试评价等工作。

本文利用单非球面固定校正板实现了具有±55°搜索视场的共形导引头光学系统的设计，该系统采用折反射式二次成像结构以满足导引头结构对空间体积和温度等条件的要求。为简化位标器结构并达到验证光学系统成像性能的要求，该系统中采用了头罩组件旋转的方式模拟共形光学系统的非零搜索视场，并利用MTF测试设备检测了该系统的性能，测量结果表明该系统的光学MTF满足设计指标要求。

1 共形导引头光学系统设计

1.1 主要技术指标

数学意义上的共形曲线有多种形式，可以是多项式型、指数型、贝塞尔曲线型或者样条曲线型等。通常外表面为抛物面的整流罩具有比椭球整流罩更好的气动性能，但其光学成像质量却非常的恶劣，光学系统的设计也要比椭球型整流罩困难的多，所以文中选择具有较多对称特性的椭球面作为共形整流罩设计的基本面型。导引头光学系统参数的确定主要由探测距离、分辨率和空间体积等因素决定，本文设计的演示验证共形导引头光学系统采用了长径比为1的氟化镁椭球整流罩，主要设计参数如表1所示。

表1 共形导引头光学系统主要参数

Table 1 Parameters of conformal optical system

1.2 光学系统设计

该共形光学系统由多晶氟化镁椭球整流罩、硫化锌非球面固定校正板和折反射式实际成像系统组成，如图1所示。

图1 0°观察视场中的共形导引头光学系统

非球面的使用虽然会增加光学系统设计的自由度，但共形光学系统设计的难点不在于单一视场内像差的校正，正如增加整流罩内表面的高次非球面项能够在一定程度上改善经整流罩的透射波前，但对于全搜索视场内动态像差的平衡仍很困难。同样，固定校正板的使用在增加像差校正自由度的同时，挤占了内部成像系统的旋转空间。受空间体积、搜索视场和多视场像差校正等条件的限制，固定校正板在共形光学系统中的像差校正能力并不理想。该演示验证光学系统在设计时首先根据二次非球面光学系统中的消像散条件[14]选择万向节点位于整流罩后92 mm处，然后在整流罩后加入硫化锌非球面固定校正板以验证其在大搜索视场中的像差补偿能力。折反射式实际成像系统因次镜挡光造成的光能损失小于30%，二次成像光路部分采用硅透镜、锗透镜和两片硒化锌透镜的组合方式以实现光学系统消热差设计。光学系统在0°、15°、30°和55°搜索观察视场中的设计MTF和像元内能量集中度分别如图2和图3所示。

图2 不同观察视场中的光学系统设计MTF

图 3 0°和55°观察视场中的像元内能量集中度

从图中可以看到小视场中设计的MTF值大于0.7，接近衍射极限，全视场内设计的MTF值大于0.5。但在固定校正板满足小视场中像差补偿条件时，55°搜索视场中边缘瞬时视场的截止频率处子午和弧矢方向的MTF仍有0.2的差异，同时像元内的能量集中度也从90%降到80%。上述设计结果也充分证明了固定校正板在共形光学系统中的应用局限性，非球面在完成某种像差校正任务时也会影响其他像差分布和传递特性。若要获得更大的搜索视场角就必须考虑采用动态像差补偿方案或者赋予整流罩和固定校正板更多的自由度，例如衍射面的使用等。图4为该共形光学系统加工公差分析后的结果曲线，该系统像质易受校正板元件倾斜偏心的影响，但在现有的粘接装配工艺条件下对系统公差分配调整后系统的全视场内MTF仍有80%的可能达到0.5以上。

图4 0°和55°观察视场中的公差分析曲线

1.3 机械结构设计

为简化位标器结构降低系统研制成本并达到验证共形光学系统成像性能的要求，该系统中采用了头罩旋转的方式模拟共形光学系统的非零搜索视场，并利用该结构完成不同观察视场中的像质评价。在结构设计中，首先将共形整流罩和固定校正板装配在壳体上，如图5所示；然后将折反式实际成像系统的镜筒组件装配在底座上，最后将头罩组件通过轴装配在底座上，如图6所示。头罩组件通过销锁定机构可实现±55°内的手动转动，在0°、±20°、±50°位置可通过销锁定，锁定精度±0.32°。该设计方案简单易于实现，简化了位标器的结构设计，降低了光学系统的研制成本，并且头罩旋转的方式避免了光学系统调制函数测试设备中探测器行程短且无法旋转测量等问题。

图5 头罩组件

图6 头罩旋转销锁结构

2 共形导引头光学系统性能测试

共形光学系统各观察视场内的像质存在很大的不一致性，如何客观的评价此类系统的性能也是共形光学系统研究中的难点。对光学系统进行MTF测试可以客观的评价光学系统的成像质量，定性的判断共形光学系统像差校正情况以及设计结果是否满足设计指标要求。测量设备通常采用狭缝扫描或刀口扫描等方式采集待测镜头焦面位置的能量信息并用中继透镜传递到探测器中，对获得的点或线能量扩散函数进行傅里叶变化后即可获得系统在某视场中的空间频率MTF。

图7为采用红外MTF测试设备对共形导引头光学样机系统轴外视场的光学性能进行测试的过程，图8为0°观察视场中离焦测试传递函数曲线，图9为0°、15°、30°和55°观察视场中共形导引头光学系统MTF测试结果。由于镜头装配过程中未采用对中心偏等精密装调设备，仅靠透镜与镜筒间严格的配合公差保证装配精度，光学系统的测试传递函数明显低于设计值。从图中可以看到该光学系统在小观察视场内的测试传递函数大于0.45，较设计值降低0.25左右，在全观察视场内测试的MTF大于0.25。在旋转轴对称的0°观察视场中子午和弧矢方向最佳焦平面位置不重合，存在小量像散，说明该光学系统对光学零件尤其固定校正板的倾斜和偏心敏感，在镜头装配过程中仅靠严格的装配公差无法保证全视场内的像质，而应采用精密的对中心偏等辅助装调设备严格控制敏感元件的位置公差至10mm以下。在大观察视场中，测试传递函数值虽满足红外目标探测成像要求，但较设计值降低明显，系统有明显残余像散，变化特征与设计结果一致。从设计和测试结果的比较可知，非球面固定校正板对大视场中的像差校正能力是有限的，仅对于±50°观察视场内的动态像差有一定的控制补偿作用，超出±50°时固定校正板边缘向超半球形式转化。椭球整流罩在不同观察视场中的面对称性使得其在±20°和±65°观察视场附近存在两个像差偏转点，小视场中因为头罩尖顶部存在非连续渐变对称性，±65°观察视场中的偏转是因为椭球罩向柱面转化造成近主光线子午和弧矢方向曲率半径差变为负值造成的，所以观察视场大于±50°的共形光学系统的设计应考虑采用超半球固定校正板或者其他的动态像差校正方式。

图7 共形光学系统MTF 测试过程

图 8 0°观察视场中光学系统离焦测试传递函数

图9 不同观察视场中的光学系统测试传递函数

3 结 论

为验证共形导引头光学系统在常温工作条件下的光学成像性能，确定其工程应用的难点，文中针对椭球整流罩在非零观察视场中因失去旋转轴对称性而存在随视场不断变化的动态像差问题，设计了采用单非球面固定校正板进行像差校正的万向支架式共形导引头光学系统，并提出了采用头罩旋转的方式替代位标器旋转的光学系统传递函数测试方案。该系统在小观察视场内的成像质量良好，但在接近±55°边缘观察视场时残余像散明显，一方面是因为非球面固定校正板的像差校正能力受限，另一方面整流罩及校正板的面型加工精度和装配精度也会影响光学系统在非零视场中的像质。因目前国内还不具备针对大口径高陡度非球面的面型检测手段，且该常温验证系统未采用精密的装调手段，故测试结果无法界定大口径非球面的面型精度和装调方式的影响程度。

目前国内外所使用的制冷探测器空间体积较大，非球面固定校正板的使用一方面挤占了整流罩内部空间，使位标器结构很难获得更大的旋转观察视场；另一方面固定校正板对大观察视场中的像差校正能力是有限的，仅对于±50°观察视场内的动态像差有一定的控制补偿作用，超出±50°时固定校正板边缘向超半球形式转化，所以观察视场大于±50°的共形光学系统的设计应考虑采用超半球固定校正板或者其他的动态像差校正方式。

光学系统性能测试中所利用的头罩旋转替代位标器光学系统旋转的方式很好的模拟了共形光学系统在非零搜索视场中的成像过程，该方法简化了导引头位标器结构的设计，降低了光学系统研制成本，并实现了验证光学系统成像性能的要求。对于观察视场大于±60°的共形系统，头罩旋转测量方式将不再适用，头罩端部将会与测量设备发生干涉，故大视场共形光学系统的测试应考虑采用条形整流罩或其他的像质评价方式。

[1] Patrick A Trotta. Precision conformal optics technology program [J]. Proceedings of SPIE(S0277-786X)，2001，4375：96-107.

[2] Scott W Sparrold. Arch corrector for conformal optical systems [J]. Proceedings of SPIE(S0277-786X)，1999，3705：189-200.

[3] Scott W Sparrold，David J Knapp，Paul K Manhart，. Capabilities of an arch element for correcting conformal optical domes [J]. Proceedings of SPIE(S0277-786X)，1999，3779：434-444.

[4] David J Knapp. Fundamentals of conformal domes design [J]. Proceedings of SPIE(S0277-786X)，2002，4832：394-409.

[5] Jeffrey L Ruckman，Edward M Fess，Harvey M Pollicove. Deterministic processes for manufacturing conformal(freeform) optical surfaces [J]. Proceedings of SPIE(S0277-786X)，2001，4375：108-113.

[6] Aric B Shorey，William Kordonski，Justin Tracy，. Developments in the finishing of domes and conformal optics [J]. Proceedings of SPIE(S0277-786X)，2007，6545：65450Q-1-65450Q-9.

[7] Ronald G Hegg，Bill Chen C. Testing and analyzing conformal windows with null optics [J]. Proceedings of SPIE(S0277-786X)，2001，4375：138-145.

[8] James P Mills. Conformal optics：theory and practice [J]. Proceedings of SPIE(S0277-786X)，2001，4442：101-107.

[9] 李岩，李林，黄一帆，等. 基于反转光楔和泽尼克多项式的共形光学设计 [J]. 光子学报，2008，37(9)：1788-1792.

LI Yan，LI Lin，HUANG Yifan，. Conformal optical design using counterrotating wedges and zernike polynomial [J]. Acta Photonica Sinica，2008，37(9)：1788-1792.

[10] 王超，姜湖海，朱瑞飞，等. 共形光学导引头瞄视误差分析与修正 [J]. 光学学报，2013，33(9)：0912001-1-0912001-7.

WANG Chao，JIANG Huhai，ZHU Ruifei，. Boresight error analysis and correction of conformal infrared seeker [J]. Acta Optica Sinica，2013，33(9)：0912001-1-0912001-7.

[11] 闫惠刚，尹自强，王贵林. 轮带光学抛光技术与实验研究 [J]. 航空精密制造技术，2012，48(6)：5-9.

YAN Huigang，YIN Ziqiang，WANG Guilin. Belt polishing technology and experimental research for optics [J].Aviation Precision Manufacturing Technology，2012，48(6)：5-9.

[12] 魏群，王超，姜湖海，等. 中波红外弹载共形光学系统研制 [J]. 红外与激光工程，2013，42(5)：1298-1301.

WEI Qun，WANG Chao，JIANG Huhai，. Manufacture of mid-wave infrared missile used conformal optical system [J]. Infrared and Laser Engineering，2013，42(5)：1298-1301.

[13] 姜振海，王超，魏群，等. 超音速共形整流罩风洞试验及其光机特性 [J]. 光学 精密工程，2012，20(9)：1999-2005.

JIANG Zhenhai，WANG Chao，WEI Qun，Wind tunnel experiment of supersonic conformal dome and its optical and structure characteristics [J].Optics and Precision Engineering，2012，20(9)：1999-2005.

[14] 孙金霞，刘建卓，孙强，等. 消像差条件在共形光学系统中的应用 [J]. 光子学报，2010，39(2)：223-226.

SUN Jinxia，LIU Jianzhuo，SUN Qiang，. Application of the aberration correction criteria in conformal optical system design [J].Acta Photonica Sinica，2010，39(2)：223-226.

Conformal Optical System Design and MTF Measuring

SUN Jinxia1，LI Xianbing1，WU Wei1，PAN Guoqing1,2，DONG Guangpeng3

( 1. China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, Henan Province, China;2. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Airborne Guided Weapons, Luoyang 471009, Henan Province, China;3. Unit 96275, PLA, Luoyang 471009, Henan Province, China )

An aerodynamic conformal dome calls for bullet shaped aspherical surfaces. The aspherical domes with gimbaled missile seeker have a large amount of dynamic aberrations varying with gimbal angle because of the non-rotationally symmetric character in non-zero field of regard. A fixed corrector is used to correct aberrations introduced by the ellipsoidal dome with fineness ratio 1.0 in our demonstrating conformal optical system. In this system, we use the gimbaled dome instead of the gimbaled inner optical system to simulate non-zero field of regard. The designed modulation transfer function of the simplified conformal seeker is higher than 0.5 and the encircled energy in one pixel is higher than 80% in all field of regard. The measuring result shows that the modulation transfer functions at 17 lp/mm are higher than 0.45 in small fields and higher than 0.25 in large field of regard.

conformal optics; dome; fixed corrector; optical design; MTF testing

V249.32

A

10.3969/j.issn.1003-501X.2016.05.008

2015-03-02；

2015-06-15

中航工业集团公司创新基金；航空基金资助课题

孙金霞(1982-)，女(汉族)，吉林安图人。高级工程师，博士，主要从事光学系统设计方面的研究。E-mail: sunjinx@126.com。