350mm口径1778.9mm焦距0.4~5μm波段离轴三反光学系统的制作方法

本发明涉及一种350mm口径1778.9mm焦距0.4～5μm波段离轴三反光学系统，属于目标仿真技术领域。

背景技术：

随着光电探测技术的发展，多波段目标成像探测在军事中的应用愈来愈广泛，通常将可见光探测器、红外光探测器、微光探测器及激光测距仪集成于一体，构成多视轴光电跟踪系统，能够在多波段范围内探测、识别、跟踪动态目标。

目标模拟光学系统能够为光电跟踪系统提供无穷远动态目标，同时，配合光电跟踪系统视轴一致性的标校，辅助光电跟踪系统动态性能的测试，即仿真测试，所述动态性能测试包括检测和评估光电跟踪系统的探测、识别、跟踪目标的能力，如捕获概率、抗干扰能力等，以及探测、识别、跟踪目标的精度。采用目标模拟光学系统在室内就能够完成光电跟踪系统的标校和测试，相比于外场测试，能够避免劳顿，降低成本，使得标校测试过程变得简单、容易。

目标模拟光学系统是目标模拟装置(仿真器)的关键组成部分，另外，在目标模拟装置中还有场景生成元件，包括动态和静态两种，如果场景生成元件非自发光，如十字叉丝或者星点，这时，在目标模拟装置中还需配置照明光源。

目标模拟光学系统决定了目标模拟装置的性能，是目标模拟装置与待测试光电跟踪系统的光信息接口。

一篇发表在《应用光学》第32卷第6期，题为“离轴三反红外双波段景象模拟器光学系统设计”的文献公开了一项目标模拟光学系统方案。在该方案中，由主镜、次镜、三镜构成一个离轴三反光学结构，主镜和三镜为标准二次曲面，次镜为高次非球面。该目标模拟光学系统的出瞳直径(口径)为110mm，出瞳距为750mm，工作波段为3～5μm和8～12μm，焦距为330mm，视场为6°×4.5°，f数为3。该目标模拟光学系统能够在大视场范围内为光电跟踪系统的标校、测试提供中/长波红外动态目标。但是，该目标模拟光学系统存在一些问题，首先，出瞳直径较小，无法满足多视轴光电跟踪系统的标校与检测；其次，焦距短，光电跟踪系统中的各个探测单元的焦距在200～300mm之间，根据光学设计及实际使用要求，目标模拟光学系统的焦距应当是光电跟踪系统焦距的5倍以上；第三，工作波段包含3～5μm和8～12μm，不过，这两个红外波段彼此呈并用关系，实际上其中一个波段即可完成动态目标的探测、识别、跟踪，而该方案在工作波段上却缺少可见光波段，而许多光电跟踪系统包含可见光波段探测部分。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的技术问题，增大目标模拟光学系统的口径，以适应多视轴光电跟踪系统的标校和测试；同时延长目标模拟光学系统的焦距，以满足光学设计及实际使用要求；将可见光波段也列为目标模拟光学系统的工作波段，以适应多视轴光电跟踪系统中可见光探测器的标校和测试；为此，我们发明了一种350mm口径1778.9mm焦距0.4～5μm波段离轴三反光学系统。

本发明之350mm口径1778.9mm焦距0.4～5μm波段离轴三反光学系统由主镜、次镜和三镜组成，主镜、次镜、三镜的镜面的曲率中心位于一条直线上，该直线与各个镜面的交点的切线彼此平行；主镜、次镜、三镜的材质均为碳化硅；其特征在于，主镜和三镜是方形口径的高次非球面反射镜，次镜是圆形口径的球面反射镜；主镜为正光焦度反射镜，曲率半径为-2980mm，通光口径为560mm×570mm，离轴量为410mm，次镜为负光焦度反射镜，曲率半径为-2000mm，通光口径为81mm，三镜为正光焦度反射镜，曲率半径为-3613.9mm，通光口径为1000mm×1010mm，离轴量为-846mm；主镜的曲率中心与次镜的曲率中心的间隔为2650mm，次镜的曲率中心与三镜的曲率中心的间隔为2928.4mm；所述离轴三反光学系统的口径为350mm，焦距为1778.9mm，工作波段为0.4～5μm。

本发明的效果在于，经过对离轴三分光学系统的结构的确立、参数的优化、材料的选取，获得具有所需指标的光学系统，其口径达到350mm，远大于现有技术的110mm，焦距达到1778.9mm，远长于现有技术的330mm，其工作波段为0.4μm～5μm，覆盖了可见光波段。在此前提条件下，当将本发明之离轴三分光学系统与十字叉丝或者星点以及与之配套的照明光源配合，为多视轴光电跟踪系统提供静态“场景”，使得多视轴光电跟踪系统能够逐一完成各个探测器之间视轴一致性的标校；当将本发明之离轴三分光学系统与数字微镜阵列、激光二极管阵列、热电阻阵列、硅基液晶、液晶光阀、布莱盒等各动态场景器件中的2～3个结合，场景波段覆盖0.4～5μm，能够辅助多视轴光电跟踪系统同时完成各项动态性能的测试。

现有技术中的主镜和三镜采用标准二次曲面，仅次镜使用了高次非球面，看似本发明之离轴三反光学系统的加工难度要大一些，但是，当今的曲面加工技术已经较为容易地应对高次非球面的加工，因此，本发明并未导致加工难度的增大和加工成本的增加。

附图说明

图1为本发明之350mm口径1778.9mm焦距0.4～5μm波段离轴三反光学系统结构及用于多视轴光电跟踪系统动态性能测试示意图，该图同时作为摘要附图。图2是本发明之350mm口径1778.9mm焦距0.4～5μm波段离轴三反光学系统的mtf曲线图。

具体实施方式

本发明之350mm口径1778.9mm焦距0.4～5μm波段离轴三反光学系统由主镜1、次镜2和三镜3组成，如图1所示，主镜1、次镜2、三镜3的镜面的曲率中心位于一条直线上，该直线与各个镜面的交点的切线彼此平行；主镜1、次镜2、三镜3的材质均为碳化硅。主镜1和三镜3是方形口径的高次非球面反射镜，次镜2是圆形口径的球面反射镜；主镜1为正光焦度反射镜，曲率半径为-2980mm，通光口径为560mm×570mm，离轴量为410mm，次镜2为负光焦度反射镜，曲率半径为-2000mm，通光口径为81mm，三镜3为正光焦度反射镜，曲率半径为-3613.9mm，通光口径为1000mm×1010mm，离轴量为-846mm；主镜1的曲率中心与次镜2的曲率中心的间隔为2650mm，次镜2的曲率中心与三镜3的曲率中心的间隔为2928.4mm；所述离轴三反光学系统的口径为350mm，焦距为1778.9mm，工作波段为0.4～5μm。所述离轴三反光学系统的相对孔径为1:5，矩形视场为3°×1°；出瞳距离为2980mm。

主镜1和三镜3为偶次高次非球面反射镜，进一步确定为八次非球面反射镜，符合下式要求：

式中：z为非球面的矢高，c为近轴曲率半径，r为反射镜半口径，k为二次曲面系数，a1,a2,a3,···为非球面系数，在本发明中令k＝0。

所述离轴三反光学系统在成像过程中，在主镜1与次镜2之间形成中间像，主镜1与次镜2与三镜3共同完成二次成像，场曲、像散得到有效校正；次镜2具有孔径光阑作用，因靠近二次像面从而有效抑制系统杂散光。所述离轴三反光学系统还有效校正了球差、慧差，并将最大畸变控制在了1％以内，能够充分满足多视轴光电跟踪系统视轴一致性标校和动态性能测试。所述离轴三反光学系统的mtf曲线在全视场、0.4μm～5μm波段都接近衍射极限，如图2所示。

在采用本发明之离轴三反光学系统标校多视轴光电跟踪系统各个探测器之间视轴一致性的过程中，将十字叉丝或者星点置于离轴三反光学系统视轴上，由照明光源照明十字叉丝或者星点，为多视轴光电跟踪系统提供静态“场景”。将多视轴光电跟踪系统置于本发明之离轴三反光学系统的前方，无需严格调平。由于本发明之离轴三反光学系统具有350mm的大口径、0.4～5μm的宽波段，以及较高的成像质量，多视轴光电跟踪系统中的每个探测器都能清晰接收本发明之离轴三反光学系统投射的图像。调整多视轴光电跟踪系统的角度，使十字叉丝或者星点的图像呈现在可见光探测器的视场中心，此时，可见光探测器的视轴与本发明之离轴三反光学系统的视轴平行。将多视轴光电跟踪系统固定，以可见光探测器的视轴为基准轴，逐一调节其他探测器的角度，使十字叉丝或者星点图像呈现在其视场中心，完成多视轴光电跟踪系统光轴一致性的标校。由于本发明之离轴三反光学系统具有1778.9mm的长焦距，能够获得很高的标校精读，例如，采用十字叉丝进行标校，视轴间的标校精度可达±10″。

在采用本发明之离轴三反光学系统测试多视轴光电跟踪系统动态性能的过程中，如图1所示，在三镜3与本发明之离轴三反光学系统焦平面之间的光路上，与本发明之离轴三反光学系统光轴呈45°角设置平面反射镜4，平面反射镜4的材质为碳化硅。由于在本发明之离轴三反光学系统的原始光路中，焦平面位置的光线和出射的平行光会发生重叠，这样会严重影响本发明之离轴三反光学系统的工作性能，需要由平面反射镜4折转光路，以保证系统光路的合理性，并且在提高光学系统紧凑性的同时避免位于光学系统焦平面上的动态场景生成元件与其他组成部分发生空间冲突。平面反射镜4的通光口径为313mm×313mm，与三镜3的曲率中心的中心间隔为2900mm。可见光动态场景生成元件5位于本发明之离轴三反光学系统的焦平面上。可见光动态场景生成元件5的通光口径为124mm×62mm，与平面反射镜4的中心间隔为1150.9mm。在平面反射镜4与可见光动态场景生成元件5之间的光路上设置可见红外二向色镜6，可见红外二向色镜6透射可见光，反射近中红外光。在可见红外二向色镜6的反射光路上，一侧是平面反射镜4，另一侧则是近中红外二向色镜7。近红外动态场景生成元件8、中红外动态场景生成元件9分别位于近中红外二向色镜7的透射光路、反射光路上的本发明之离轴三反光学系统的焦平面上。可见光动态场景生成元件5在数字微镜阵列、激光二极管阵列、液晶光阀中选用；近红外动态场景生成元件8、中红外动态场景生成元件9在数字微镜阵列、激光二极管阵列、热电阻阵列、硅基液晶、液晶光阀、布莱盒中选用。根据本发明之离轴三反光学系统的焦距和视场，各动态场景生成元件的尺寸应当大于等于124mm×62mm。三个动态场景生成元件分别给出对应波段的动态仿真场景，经过两个二向色镜的复合，由本发明之离轴三反光学系统同时以平行光的形式投射出去，为测试多视轴光电跟踪系统动态性能提供模拟的无穷远目标。

例如，在测试多视轴光电跟踪系统动态跟踪精度时，采用本发明之离轴三反光学系统投射复合的动态仿真场景。如图1所示，将本发明之离轴三反光学系统置于多视轴光电跟踪系统10的前方，保证多视轴光电跟踪系统10中的每个探测器11能够清晰地接收动态仿真场景影像，虽然各探测器11的视场均在1°左右，但是，因本发明具有350mm的大口径和3°×1°的较大矩形视场，能够保证多视轴光电跟踪系统在随承载转台转动某一角度时仍能清晰接收动态仿真场景。多视轴光电跟踪系统会根据动态仿真场景进行识别和跟踪，根据多视轴光电跟踪系统对动态仿真场景的识别以及承载转台的转动角度评估多视轴光电跟踪系统的转动识别精度。