引言

在现代化的战场中, 地空、空空导弹对战机的威胁日趋严重, 这使得导弹告警系统成为各国重要的研究课题。导弹告警系统通常可分为雷达告警、红外告警和紫外告警3种方式, 同前两者相比紫外告警具有虚警率低、灵敏度高、隐蔽性强、无需制冷、功耗低和质量轻等优点^[1-4]。大气层中的臭氧层对位于太阳光中240~280 nm的紫外波段会产生强烈吸收, 形成所谓的日盲紫外区, 紫外告警系统对来袭导弹的探测正是利用大气的“日盲紫外”特性来实现的。紫外告警系统从技术上可分为以光电倍增管为核心元件的第一代系统和以像增强器为核心探测器的第二代系统^[5]。从探测器类型的角度可分为真空探测器件和固体探测器件^[6]。

本文针对日盲紫外告警系统的成像系统要求, 设计了一款系统焦距为160 mm、F数为3.5的日盲紫外光学系统。

1 光学系统设计 1.1 系统设计要求

基于用户要求, 该镜头的结构参数为:焦距为160 mm, 波段范围为240~280 nm, 半像高为9 mm, F数为3.5, 接收器紫外CCD的像素尺寸为25 μm×25 μm。要求在CCD接收面范围内, 光能接收大于85%, 光学总长控制在155 mm以内, 畸变小于3%。

1.2 材料选择

由于紫外波段穿过普通光学玻璃时透过率很低, 因此在紫外光学系统中不能采用普通光学玻璃, 而一些光学晶体在日盲紫外波段具有较好的透过性能, 所以在工程上大多采用光学晶体。根据材料的机械强度、耐热性、热膨胀系数及加工性能等, 实际可用的材料仅有氟化钙、氟化镁和熔石英3种, 由于氟化镁具有双折射, 所以本文最终选择了熔石英和氟化钙2种材料, 两者的性能参数如表 1所示。紫外滤光片主要是用来屏蔽日盲紫外以外的波段, 而常用的日盲紫外滤光片主要有干涉型、声光型、组合型和吸收型几种形式^[7]。

1.3 光学系统初始结构的确定

初始结构的确定对实现最终的设计非常重要, 如果初始结构选择不恰当, 在后期仅仅依赖于光学设计软件是无法对结构做出突破性的改变^[8]。本文根据设计要求查找文献得到如图 1所示的初始结构, 基本结构参数是:焦距为150 mm, 波长范围为240~280 nm, F数为4, 视场角为8°, 光学总长为158 mm。

1.4 光学系统的优化设计

初始结构的焦距与本文的要求不同, 所以需对初始结构进行焦距缩放使焦距达到160 mm, 并在后面的优化中通过操作数EFFL来控制系统的焦距。由于选用的紫外材料的色散系数差别不大, 而消色差的基本原则是负透镜选择阿贝数小的材料, 正透镜选用阿贝数大的材料^[9]。根据表 1所示的材料特性, 负透镜选熔石英较为合适, 正透镜选氟化钙较为合适。图 1所示的系统存在着较大的球差和色差, MTF曲线很差。由于后组的第1片透镜较厚, 因而采用分裂透镜的方法增加1片透镜, 以减小球差^[10]。采用Zemax中默认评价函数RMS+Wavefront+Centroid, 并合理设置默认评价函数的权重^[11]。由于刚开始系统的像差较大, 所以总长先放宽到160 mm, 并在优化过程中用TOTR与OPLT这2个操作数共同控制系统总长, 同时合理控制系统的边界条件, 在优化过程中反复地对边界条件进行考察修改。初步优化的结果如图 2所示。

在初步优化的结果上进一步将光学系统总长缩小到154 mm, 再对其进行优化。在优化过程中有些轴外光线对像质的影响较大, 可设置一些渐晕将对成像质量不利的边缘光线拦掉, 同时要保证边缘相对照度不能小于70%。在优化中还对几何像差LONA、AXCL、TARY、DIMX进行控制, 优化后期, 使用MTFT、MTFS控制系统轴外的MTF, 这对像质的提升有所帮助。

1.5 像质评价

经优化后的光学系统结构如图 3所示, 图 4~8为该光学系统的各种特性曲线。

由图 3可知光学系统共用了6片透镜, 其中紫外滤光片离石英保护玻璃的距离大于7 mm, 符合系统大于4.5 mm的要求, 系统结构简单合理。由图 4可知系统在20 lp/mm处全视场光学传递函数都大于0.8。从图 5能量集中度曲线可以看出在紫外CCD接收面内, 能量集中度大于90%。从图 6中可见, 全视场均方根半径均小于7.4 μm即小于CCD的最小像元直径, 成像质量良好。从图 7中可见系统的全视场的相对照度大于70%。从图 8中可知系统的场曲校正到0.26 mm以内, 畸变小于2%。

根据照相物镜的波像差小于λ/2时视为像质优良的原则, 常把波像差小于λ/2~λ作为照相物镜轴上球差的公差标准^[12]。相应的初级球差公差表示如下:

(1)

式中:λ为波长; n′为像方折射率; u′_m为像方孔径角。

图 9为系统的球差曲线图, 由图可知, 该系统主波长的实际球差最大值为0.262 mm, 在边光初级球差公差要求范围内, 轴向色差为0.1 mm。由此可见, 该光学系统各项指标均满足设计要求, 可用于日盲紫外导弹告警系统以及其他紫外光电探测设备。

2 公差分析

基于目前的加工工艺, 对紫外光学系统进行公差分配时通过分析各项公差参数在特征频率20 lp/mm处MTF的下降情况, 确定最终的公差分配值。鉴于此将元件的倾斜公差设置为±0.015 mm, 有些较为敏感的元件设为±0.01 mm; 元件的厚度或空气间隔公差TTHI设为±0.05 mm, 有些较为敏感的设为±0.02 mm; 折射率公差TIND设为±0.001, 较为敏感的元件设为±0.000 7;偏心公差Decenter设为±0.015 mm, 较为敏感的设为±0.01 mm; 元件曲率半径公差TFRN设置为±4个光圈; 透镜面型局部误差ΔN设为0.4个光圈。灵敏度分析及蒙特卡罗分析对MTF下降的结果如表 2、表 3所示, 蒙特卡罗分析的结果显示该紫外光学系统的90%以上的蒙特卡罗样本在20 lp/mm处的MTF值大于0.485。由表 2可知第4片透镜的空气间隔比较敏感, 折射率公差0.000 7, 属于中等, 总共有00、0、1、2、3、4类别, 0.000 7属于2类, 00类最高, 为0.000 2, 在加工生产时要严格控制。根据系统的要求及相应的公差分析最后得出系统的公差分配情况如表 4所示。

3 结论

基于用户需求, 设计了一款日盲紫外光学系统。该系统的工作波段在240~280 nm, 采用6片标准球面透镜, 其焦距为160 mm, F数为3.5, 总长为154 mm。从点列图、能量分布曲线图、MTF曲线图及公差分析情况来看该系统成像质量良好, 满足导弹告警系统的使用要求。