高空预警探测用450mm口径红外非球面光学系统设计

    引言

    随着现代空间技术手段的不断提高，越来越多的情况下需要对远距离的目标进行观察和监视。由于要对远距离的物体清晰成像，所以对观察用光学系统的要求也随之提高。能实现远距离观察和测量的大口径光学系统其应用也越来与广泛。但是随着使用环境越来越复杂，大型光学仪器对自身红外光学系统性能的要求也越来越高。在大口径红外光学系统设计中经常会遇到系统的体积、重量、所选材料、使用温度范围等同成像质量及其它技术要求的矛盾，如不很好解决，则难以适应现代大口径光学系统性能的需求^[1,2]。

    军事上，随着隐身技术的发展，导弹和各类作战飞机平台的雷达反射截面积呈现显著减小的趋势，增大了无线电探测的困难。与此形成对比的是，这类目标运动时与空气的摩擦和其发动机的尾焰均会产生强烈的红外辐射，有利于红外系统对目标的探测。高空预警探测光学系统作为一种红外预警探测系统的重要组成部分，其作用不可忽视^[3]。为了满足大口径预警探测光学系统相关性能要求，本文设计了一个450 mm 口径的红外非球面光学系统，其系统具有结构简单、环境适应性好等特点。

    1 系统结构分析

    1.1 系统结构形式

    反射式系统是大口径光学系统中用的较多的一类光学结构，相对于折射式系统来说，反射式系统不存在色差，且没有二级光谱，特别是对于红外系统来说，由于红外材料的特殊性，适用于折射式系统的红外材料不多，且受到现有加工工艺的影响，难以满足大口径系统的要求^[4]。反射系统一般情况下视场角较小，为了校正像差扩大视场，人们采用反射镜加折射改正镜的形式设计出了折反射式光学系统。典型的红外光学折反系统中，用卡塞格林系统作为反射系统是最常用的。由于折反射光学系统主次镜分担大部分光焦度，因此有利于无热化设计，又利用反射镜折叠光路，故缩小了镜头的体积和减轻了质量，且长度可以做到比焦距短^[5,6]。

    为了实现光学系统的大口径化，一般传统的球面系统已不能很好满足其系统的特定要求。在大口径光学系统中引入非球面，能更好地改善其系统的光学性能，其具有以下优点^[7-9]：

    1）消除球差，大大提高成像质量；

    2）改善镜片边缘部分对光的折射率，消除光在球面镜头边缘过折射引起的桶形失真；

    3）使光学结构简化，能获得更大的通光口径；