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短波中波红外折反射式共口径光学系统设计

马洪涛 韩冰 许洪刚 李旭 张明亮

马洪涛, 韩冰, 许洪刚, 李旭, 张明亮. 短波中波红外折反射式共口径光学系统设计[J]. 中国光学(中英文), 2025, 18(2): 359-367. doi: 10.37188/CO.2024-0154
引用本文: 马洪涛, 韩冰, 许洪刚, 李旭, 张明亮. 短波中波红外折反射式共口径光学系统设计[J]. 中国光学(中英文), 2025, 18(2): 359-367. doi: 10.37188/CO.2024-0154
MA Hong-tao, HAN Bing, XU Hong-gang, LI Xu, ZHANG Ming-liang. Design of SWIR/MWIR catadioptric common-aperture optical system[J]. Chinese Optics, 2025, 18(2): 359-367. doi: 10.37188/CO.2024-0154
Citation: MA Hong-tao, HAN Bing, XU Hong-gang, LI Xu, ZHANG Ming-liang. Design of SWIR/MWIR catadioptric common-aperture optical system[J]. Chinese Optics, 2025, 18(2): 359-367. doi: 10.37188/CO.2024-0154

短波中波红外折反射式共口径光学系统设计

cstr: 32171.14.CO.2024-0154
基金项目: 吉林省与中国科学院科技合作高技术产业化专项资金项目(No. 2023SYHZ0047);2024年度长春市卫星及应用产业重大科技专项(No. 2024WX03)
详细信息
    作者简介:

    马洪涛(1980—),男,吉林长春人,硕士,副研究员,硕士生导师,2006年于哈尔滨工业大学航天学院获得工学硕士学位,主要从事航天光机系统设计、检测、装调方面的研究。E-mail:mhtgjs@163.com

    韩 冰(1981—),男,吉林长春人,博士研究生,正高级工程师,2004年于吉林大学物理学院获得理学学士学位,2024年于长春理工大学光电工程学院攻读博士学位,主要从事光学检测技术研究与检测设备研发工作。E-mail:hanbing@ciomp.ac.cn

  • 中图分类号: O435

Design of SWIR/MWIR catadioptric common-aperture optical system

Funds: Supported by Jilin Province and Chinese Academy of Sciences Science and Technology Cooperation High-Tech Industrialization Special Fund Project (No. 2023SYHZ0047); Major Science and Technology Project of Satellite and Application Industry of Changchun in 2024 (No. 2024WX03)
More Information
  • 摘要:

    为了实现高精度、高可靠性的动态场景模拟,设计了一套短波中波多波段折反射式共口径光学系统。该系统结合了反射、折射和共口径光路的优势,该系统分为主光学系统、短波光学系统和中波光学系统,3个系统分别独立设计。通过理论计算得到光学系统的初始结构,再利用光学设计软件对光学参数作进一步细化,最后,按照光瞳匹配原则将各分系统组合在一起,并对系统的成像质量作进一步优化设计。利用调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)和畸变等定量评价指标,仿真验证了系统设计的合理性。结果显示:所设计的短波光学系统视场角为±0.107°、焦距为2500 mm、入瞳尺寸为300 mm,MTF达到衍射极限,畸变小于0.3%;中波光学系统的视场角为±0.65°、焦距为750 mm、入瞳尺寸为300 mm,MTF接近衍射极限,畸变小于1%。该系统成像质量好、体积小、实用性强,在光电跟瞄和空间探测等领域具有较大应用潜力。

     

  • 图 1  光学系统设计流程图

    Figure 1.  Flow chart of the optical system design

    图 2  主系统离轴两镜光学设计图

    Figure 2.  Optical design diagram of the off-axis two-mirror main system

    图 3  主光学系统MTF曲线

    Figure 3.  MTF curves of the main optical system

    图 4  中波主系统的光路形式

    Figure 4.  Optical path configuration of the mid-wave main system

    图 5  中波主光学系统MTF曲线

    Figure 5.  MTF curves of the mid-wave main optical system

    图 6  短波后端光学系统设计图

    Figure 6.  Design diagram of short-wave back-end optical system

    图 7  短波后端光学系统MTF曲线

    Figure 7.  MTF curves of the short-wave back-end optical system

    图 8  短波后端光学系统畸变曲线

    Figure 8.  Distortion curve of the short-wave back-end optical system

    图 9  中波后端系统光学设计图

    Figure 9.  Optical design diagram of the mid-wave back-end system

    图 10  中波后端光学系统MTF曲线

    Figure 10.  MTF curves of the mid-wave back-end optical system

    图 11  中波后端光学系统畸变曲线

    Figure 11.  Distortion curve of the mid-wave back-end optical system

    图 12  目标与背景模拟光学系统设计图

    Figure 12.  Design diagram for target and background simulation optical system

    图 13  五路系统的MTF曲线

    Figure 13.  MTF curves of a five-way system

    图 14  五路系统的畸变曲线

    Figure 14.  Distortion curves of a five-way system

    图 15  光线追迹渐晕分析

    Figure 15.  Ray tracing vignetting analysis

    表  1  折反射式共口径光学系统的主要参数

    Table  1.   Main parameters of the catadioptric common-aperture optical system

    Num.SpecificationShort-wave systemMid-wave system
    1Wave band/ μm1.0-1.73.7-4.8
    2Channels13.7-4.0,4.1-4.35,
    4.35-4.6,4.55-4.8
    3FOV/ω±0.107°±0.65°
    4Focus/mm2500750
    5Entrance PD/mm300300
    6Exit PD/mm13001300
    7Image size/The same size/4
    8Distortion≤0.3%≤1%
    注:Entrance PD= Entrance Pupil Diameter,入瞳尺寸;Exit PD=Exit Pupil diameter,出瞳距离。
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    表  2  主系统光学设计参数

    Table  2.   Optical design parameters of the main system

    Mirror
    Num.
    Curve radius
    /mm
    Distance
    /mm
    Semi-diameter
    /mm
    Off-axis
    /mm
    1 1500 −900 170 300
    2 300 40 −58
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    表  3  中波主系统光学设计参数

    Table  3.   Optical design parameters of the mid-wave main system

    Mirror
    Num.
    Curve radius
    /mm
    Distance
    /mm
    Semi-diameter
    /mm
    Off-axis
    /mm
    1 1500.00 −900 170.00 300
    2 300.00 40.00 −58
    3 207.93 19 33.33 KBR
    4 −128.33 0.50 33.10
    5 −754.76 10 32.36 SILICON
    6 776.51 0.50 32.13
    7 234.00 20 32.19 KBR
    8 −89.34 0 31.84
    9 −89.34 17.20 31.84 GAAS
    10 −148.50 200 35.36
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    表  4  短波后端系统的光学参数

    Table  4.   Optical parameters of the short-wave back-end system

    Num.SpecificationShort-wave system
    1Wave band/ μm1.0-1.7
    2FOV/ω(°)±0.54
    3Focus/mm500
    4Entrance PD/mm60
    5Image size/
    6Distortion≤0.3%
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    表  5  短波后端光学系统设计参数

    Table  5.   Design parameters of the short-wave back-end optical system

    Mirror
    Num.
    Curve radius
    /mm
    Distance
    /mm
    Semi-diameter
    /mm
    Materials
    1 229.09 20 50.61 H-LAF55
    2 −192.78 4.31 49.90
    3 −177.10 12 48.22 H-LAF50B
    4 1950.66 6.70 46.73
    5 −533.78 11 45.87 H-ZF88GT
    6 476.42 35.99 45.19
    7 4768.94 10 45.16 H-LAF55
    8 −329.67 436.70 45.19
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    表  6  中波后端系统的光学参数

    Table  6.   Design parameters of the mid-wave back-end optical system

    Num.SpecificationMid-wave system
    1Wave band/ μm3.7-4.8
    2FOV/ω±3.23°
    3Focus/mm150
    4Entrance PD60
    5Image sizeThe same size/4
    6Distortion≤1%
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    表  7  中波后端光学系统设计参数

    Table  7.   Design parameters of the mid-wave back-end optical system

    Mirror
    Num.
    Curve radius
    /mm
    Distance
    /mm
    Semi-diameter
    /mm
    Materials
    1 168.31 29.02 47.50 SILICON
    2 229.17 9.64 42.54
    3 6736.72 15.00 41.43 GERMANIUM
    4 773.91 102.20 40.61
    5 820.84 26.25 35.63 SILICON
    6 −330.43 7.58 34.56
    7 −214.63 18.00 31.30 GERMANIUM
    8 −446.58 0.10 31.49
    9 79.49 22.50 30.22 SILICON
    10 69.43 230.28 23.24
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    表  8  加工与装调公差

    Table  8.   Machining and fitting tolerances

    Num.Tolerance classificationTolerance value
    1Aperture2
    2Thickness (spacing)/mm0.02
    3Refractive index0.0003
    4Dispersion coefficient0.005
    5Local aperture0.2
    6Single-mirror tilt/(′)1
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-08-29
  • 修回日期:  2024-09-18
  • 网络出版日期:  2024-10-25

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