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摘要：设计了一种用于红外光电系统性能测试的目标模拟器的光学系统。原理上采用一个无焦系统与后聚焦系统的组合系统，利用Zemax光学设计软件进行优化设计，最终设计结果为工作波段8～12 μm，焦距230.599 mm，视场12°，入瞳距600 mm，入瞳直径100 mm。整个光学系统有9个光学透镜，最大口径229.77 mm，光学系统达到衍射极限，全视场MTF均优于0.39，80%的能量集中在23 μm的弥散圆内。各项指标都满足设计要求，能很好地应用于红外光电系统的性能测试。
关键词：红外； 目标模拟器； 光学系统设计； 投影光学系统
中图分类号： TN 21 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2015.01.009
Abstract： We design an optical system of infrared target simulator for infrared optical testing system. A non-focal and back-focal systems were adopted. We use Zemax software to design and optimize the system. The optical system works at 8-12 μm with a field of view of 12°， a focal length of 230.599 mm， an exit pupil distance of 600 mm and an exit pupil diameter of 100 mm. The optical system has 9 lenses. The lens with the largest diameter is 229.77 mm. The designed optical system almost achieves diffraction limit. MTF of full fields are more than 0.39.80% energy is focused within 23 μm diffraction circle. The design meets the requirement. The system is good for infrared optical testing system.
Keywords：infrared； target simulator； optical system design； projection optical system
引 言
红外目标模拟器是红外半实物仿真中的关键部件。红外目标模拟器的光学系统的作用就是将红外场景生成器产生的红外目标准直投射到被测系统，准直系统的出瞳要与被测系统的入瞳重合，模拟来自无穷远的红外目标，以便检测被测系统的各项性能指标。为了保证模拟目标器的性能，投射光学系统的性能必须与被测系统的光谱波段、出瞳位置和尺寸、视场角、分辨率等各项要求相匹配。可见，目标模拟器的光学系统在整个红外目标模拟器中具有非常重要的作用，它直接影响到目标模拟器的各项性能。
1 光学系统的指标
投射光学系统要求将产生的红外目标经光学系统准直投射到被测系统。该红外准直投射光学系统的设计参数由三个因素确定：（1）被测红外搜索跟踪光电系统的光学参数；（2）红外发射器的有效尺寸；（3）被测系统与红外场景投射器的光机耦合的限制。这三个因素基本决定了红外准直投射光学系统的工作波段、视场、焦距、出瞳直径、出瞳距和光学系统尺寸等技术指标。
根据光学系统的要求，红外目标模拟工作波段为8～12 μm，光学系统的视场角为12°。确定光学系统的视场角后，得知红外目标产生器的工作面为48.50 mm，就可以确定光学系统的焦距为230.56 mm。红外目标模拟器光学系统和被测系统组合成复合系统，红外目标模拟器的出瞳参数必须与被测系统入瞳相匹配才能达到最优测试效果。根据瞳孔比配原则，被测系统的入瞳就是红外目标模拟器光学系统的出瞳，红外准直投射光学系统的出瞳尺寸要大于等于被测系统的入瞳尺寸，以防止通过系统的能量被阻挡或渐晕。
2 结构形式和材料的选择
2.1 结构形式的选择
根据光路可逆原理，采用反向设计，即采用平行光入射，其像面位于光学系统的焦平面上。在设计时采用准直投射光学系统来实现，将红外目标发生器放置在准直投射系统的焦面上来模拟无穷远的红外目标。
准直投射光学系统一般有透射式和反射式两种。反射式系统对于材料没有限制，在材料表面镀膜即可，没有色差，镜筒可以做的很短，轴外像差校正容易。但反射式系统存在众多缺点，比如由于次反射镜存在中心遮挡，导致透过率下降，次反射镜的固定和校正较困难，同时反射式系统的视场一般较小，不能满足大视场、大孔径的要求。相比较而言，透射式光学系统校验方便，且能满足较大视场和孔径的像质要求。因此在设计中，采用透射式结构来实现准直投射光学系统。
根据系统的技术指标，出瞳距为600 mm，出瞳直径为100 mm，采用透射式结构，轴外光束在第一组透镜上的投射高度很大。光学系统的视场为12°，第一片透镜的口径为：
致使第一片透镜的通光孔径D1大约在226 mm，采用一次透射式结构，轴外像差校正难度大，因此采用无焦系统和聚焦系统的复合系统。不仅可以减小系统后面透镜的尺寸，减轻系统重量还可能降低轴外像差的校正难度，同时在分束镜位置引入平行光还可以减小分束镜带来的像差。透射式结构原理图如图1所示，工作方向与设计方向相反，加入分数镜便于引入另一路目标源。
2.2 材料的选择
红外光学系统与可见光光学系统的主要区别在于只有有限的材料可有效应用于中波红外和长波红外波段，能同时应用于这两个波段的材料就更少。锗、硅等是红外光学系统常用材料，表1所示为红外光学材料对不同波长的折射率。 光学材料的折射率越高，越有利于像差的校正。锗在中长红外波段都具有较高的折射率，并且锗也是最常见的红外光学材料，但这种材料对温度比较敏感，若系统工作在宽温度范围，就需要进行无热化处理，硒化锌是分光棱镜加工的常用材料。锗和硒化锌在中长红外波段都具有较高的折射率和稳定的透射率，组合使用可以有效的校正系统的色差。红外目标模拟器是在实验室环境下工作的，考虑到红外材料的价格，各种机械性能等因素，准直投射光学系统采用锗和硒化锌。
3 设计结果与像质评价
取中心波长为10 μm，使用Zemax光学设计软件进行优化设计，系统的球差，畸变，色差等像差都得到了有效的校正，最终的设计结果如图2所示。
该系统使用锗和硒化锌两种材料，系统共有9片透镜组成。除分束镜和第6片透镜使用硒化锌外，其余透镜均使用锗材料。
利用Zemax优化后的最终结果为：焦距230.559 9 mm，出瞳口径100 mm，出瞳距600 mm，第一片透镜的口径229.77 mm。
系统的爱里斑D′=2.44λfD，其中f为系统的焦距，D为出瞳直径，λ为中心波长，可得系统的爱里斑为56.3 μm。图3为光学系统的点列图，从系统的点列图弥散斑大小可计算出，弥散角分别为 0.06 mrad，0.07 mrad，0.08 mrad，均优于系统所需指标。
图4为系统的光学调制函数MTF图，从图4中可以看出，系统各视场在20 lp/mm处的MTF值均优于0.39，达到衍射极限，满足系统的需求。
图5为光学系统的畸变图，系统的最大畸变<1.4%，每100个像素点中，有不到2个像素畸变量，能满足系统精度要求。
图6为光学系统的能量图，系统80%的能量都集中在23 μm的弥散圆内，可满足系统对能量的要求。
4 结 论
设计了适用于工作波段为8～12 μm的红外目标模拟器的光学系统。在设计时利用光路可逆的原理，将光学系统的工作方向与设计方向相反。系统具有大入瞳距，大入瞳口径，大视场，结构复杂的特点，在像差校正过程中引入了非球面以进一步校正像差。该红外目标模拟器具有能量集中，空间分辨率高，动态范围宽等特点，能很好地应用于红外武器的测试。
参考文献：
[1] 刘钧，高明.光学设计[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006.
[2] 赵秀丽.红外光学系统设计[M].北京：机械工业出版社，1986.
[3] 韩军，刘钧.工程光学[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.
[4] 吉小辉，孙厚环，周必方，等.大视场平行光管的研究与设计[J].光学仪器，2007，29（3）：36-37.
[5] 毛文炜.现在光学镜头设计方法与实例[M].北京：机械工业出版社，2013.
[6] 吕银环，张涛，董广辉.大视场可见光目标模拟器光学系统设计[J].光电工程，2012，39（6）：86-88.
[7] 于旭东，朱文超，李林，等.红外多目标复合模拟器光学系统设计[J].光学技术，2012，38（5）：630-632.
（编辑：张 磊）
关键词：红外； 目标模拟器； 光学系统设计； 投影光学系统
中图分类号： TN 21 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2015.01.009
Abstract： We design an optical system of infrared target simulator for infrared optical testing system. A non-focal and back-focal systems were adopted. We use Zemax software to design and optimize the system. The optical system works at 8-12 μm with a field of view of 12°， a focal length of 230.599 mm， an exit pupil distance of 600 mm and an exit pupil diameter of 100 mm. The optical system has 9 lenses. The lens with the largest diameter is 229.77 mm. The designed optical system almost achieves diffraction limit. MTF of full fields are more than 0.39.80% energy is focused within 23 μm diffraction circle. The design meets the requirement. The system is good for infrared optical testing system.
Keywords：infrared； target simulator； optical system design； projection optical system
引 言
红外目标模拟器是红外半实物仿真中的关键部件。红外目标模拟器的光学系统的作用就是将红外场景生成器产生的红外目标准直投射到被测系统，准直系统的出瞳要与被测系统的入瞳重合，模拟来自无穷远的红外目标，以便检测被测系统的各项性能指标。为了保证模拟目标器的性能，投射光学系统的性能必须与被测系统的光谱波段、出瞳位置和尺寸、视场角、分辨率等各项要求相匹配。可见，目标模拟器的光学系统在整个红外目标模拟器中具有非常重要的作用，它直接影响到目标模拟器的各项性能。
1 光学系统的指标
投射光学系统要求将产生的红外目标经光学系统准直投射到被测系统。该红外准直投射光学系统的设计参数由三个因素确定：（1）被测红外搜索跟踪光电系统的光学参数；（2）红外发射器的有效尺寸；（3）被测系统与红外场景投射器的光机耦合的限制。这三个因素基本决定了红外准直投射光学系统的工作波段、视场、焦距、出瞳直径、出瞳距和光学系统尺寸等技术指标。
根据光学系统的要求，红外目标模拟工作波段为8～12 μm，光学系统的视场角为12°。确定光学系统的视场角后，得知红外目标产生器的工作面为48.50 mm，就可以确定光学系统的焦距为230.56 mm。红外目标模拟器光学系统和被测系统组合成复合系统，红外目标模拟器的出瞳参数必须与被测系统入瞳相匹配才能达到最优测试效果。根据瞳孔比配原则，被测系统的入瞳就是红外目标模拟器光学系统的出瞳，红外准直投射光学系统的出瞳尺寸要大于等于被测系统的入瞳尺寸，以防止通过系统的能量被阻挡或渐晕。
2 结构形式和材料的选择
2.1 结构形式的选择
根据光路可逆原理，采用反向设计，即采用平行光入射，其像面位于光学系统的焦平面上。在设计时采用准直投射光学系统来实现，将红外目标发生器放置在准直投射系统的焦面上来模拟无穷远的红外目标。
准直投射光学系统一般有透射式和反射式两种。反射式系统对于材料没有限制，在材料表面镀膜即可，没有色差，镜筒可以做的很短，轴外像差校正容易。但反射式系统存在众多缺点，比如由于次反射镜存在中心遮挡，导致透过率下降，次反射镜的固定和校正较困难，同时反射式系统的视场一般较小，不能满足大视场、大孔径的要求。相比较而言，透射式光学系统校验方便，且能满足较大视场和孔径的像质要求。因此在设计中，采用透射式结构来实现准直投射光学系统。
根据系统的技术指标，出瞳距为600 mm，出瞳直径为100 mm，采用透射式结构，轴外光束在第一组透镜上的投射高度很大。光学系统的视场为12°，第一片透镜的口径为：
致使第一片透镜的通光孔径D1大约在226 mm，采用一次透射式结构，轴外像差校正难度大，因此采用无焦系统和聚焦系统的复合系统。不仅可以减小系统后面透镜的尺寸，减轻系统重量还可能降低轴外像差的校正难度，同时在分束镜位置引入平行光还可以减小分束镜带来的像差。透射式结构原理图如图1所示，工作方向与设计方向相反，加入分数镜便于引入另一路目标源。
2.2 材料的选择
红外光学系统与可见光光学系统的主要区别在于只有有限的材料可有效应用于中波红外和长波红外波段，能同时应用于这两个波段的材料就更少。锗、硅等是红外光学系统常用材料，表1所示为红外光学材料对不同波长的折射率。 光学材料的折射率越高，越有利于像差的校正。锗在中长红外波段都具有较高的折射率，并且锗也是最常见的红外光学材料，但这种材料对温度比较敏感，若系统工作在宽温度范围，就需要进行无热化处理，硒化锌是分光棱镜加工的常用材料。锗和硒化锌在中长红外波段都具有较高的折射率和稳定的透射率，组合使用可以有效的校正系统的色差。红外目标模拟器是在实验室环境下工作的，考虑到红外材料的价格，各种机械性能等因素，准直投射光学系统采用锗和硒化锌。
3 设计结果与像质评价
取中心波长为10 μm，使用Zemax光学设计软件进行优化设计，系统的球差，畸变，色差等像差都得到了有效的校正，最终的设计结果如图2所示。
该系统使用锗和硒化锌两种材料，系统共有9片透镜组成。除分束镜和第6片透镜使用硒化锌外，其余透镜均使用锗材料。
利用Zemax优化后的最终结果为：焦距230.559 9 mm，出瞳口径100 mm，出瞳距600 mm，第一片透镜的口径229.77 mm。
系统的爱里斑D′=2.44λfD，其中f为系统的焦距，D为出瞳直径，λ为中心波长，可得系统的爱里斑为56.3 μm。图3为光学系统的点列图，从系统的点列图弥散斑大小可计算出，弥散角分别为 0.06 mrad，0.07 mrad，0.08 mrad，均优于系统所需指标。
图4为系统的光学调制函数MTF图，从图4中可以看出，系统各视场在20 lp/mm处的MTF值均优于0.39，达到衍射极限，满足系统的需求。
图5为光学系统的畸变图，系统的最大畸变<1.4%，每100个像素点中，有不到2个像素畸变量，能满足系统精度要求。
图6为光学系统的能量图，系统80%的能量都集中在23 μm的弥散圆内，可满足系统对能量的要求。
4 结 论
设计了适用于工作波段为8～12 μm的红外目标模拟器的光学系统。在设计时利用光路可逆的原理，将光学系统的工作方向与设计方向相反。系统具有大入瞳距，大入瞳口径，大视场，结构复杂的特点，在像差校正过程中引入了非球面以进一步校正像差。该红外目标模拟器具有能量集中，空间分辨率高，动态范围宽等特点，能很好地应用于红外武器的测试。
参考文献：
[1] 刘钧，高明.光学设计[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006.
[2] 赵秀丽.红外光学系统设计[M].北京：机械工业出版社，1986.
[3] 韩军，刘钧.工程光学[M].西安：西安电子科技大学出版社，2007.
[4] 吉小辉，孙厚环，周必方，等.大视场平行光管的研究与设计[J].光学仪器，2007，29（3）：36-37.
[5] 毛文炜.现在光学镜头设计方法与实例[M].北京：机械工业出版社，2013.
[6] 吕银环，张涛，董广辉.大视场可见光目标模拟器光学系统设计[J].光电工程，2012，39（6）：86-88.
[7] 于旭东，朱文超，李林，等.红外多目标复合模拟器光学系统设计[J].光学技术，2012，38（5）：630-632.
（编辑：张 磊）