小型可见光双视场光学系统的研制

　　1　引　言

　　光学成像跟踪在现代社会中的应用越来越广，大到飞机导弹，小到社区安防，其在航空、航天、军工、安防和民用等诸多领域均有着广泛应用。其中，可见光跟踪系统以其技术成熟，价格低廉而倍受关注。随着科技的发展，成像跟踪系统已朝着小型化、轻量化和集成化发展，其对光学系统的要求也越来越高。成像跟踪系统的光学系统是成像跟踪系统中的核心部分。针对目前的应用需求，跟踪系统中的光学系统应具备视场范围大、视场切换快、体积小和重量轻等特点。

　　目前，国内双视场光学系统的研究开展得比较广泛。中科院西安光学精密机械研究所的白瑜等通过衍射光学元件设计了一种双定焦光学系统，采用的是插入式光学系统，其传递函数表明成像质量良好[1];有些研究也集中在切换变倍领域，有移动式、插入式及旋转式设计等[2-6]，但这些系统都存在一定的不足，不能实时双视场跟踪。

　　本文设计了一种小型可见光双视场光学系统，完成了可见光双视场光学系统及其支撑结构的设计。通过成像测试试验，验证了其光学系统成像质量满足系统要求。这种双视场光学系统在军用及民用领域都将发挥巨大的作用。

　　2　设计原则

　　本文设计的小型双视场光学镜头将应用于跟踪系统，因此，成像跟踪系统中的光学系统设计主要需注意以下几点：(1)成像质量高，要求能够在较远的距离分辨跟踪目标的细节，获得更多的信息;(2)透过率高，选择较少的镜片完成设计任务，同时在镜片表面镀高质量的增透膜，提高系统的透过率，增加光学系统的作用距离及对弱目标的探测能力;(3)体积小，跟踪范围大，跟踪系统希望能以最小的体积实现对目标运动区域最大的跟踪，提高跟踪系统的适用范围，增加跟踪系统的总体性能指标。根据以上要求，确定光学系统的指标如下：

　　焦距为60mm和120mm;视场角为6°和3°;F数为6和12;探测波段为400～700nm;分辨率为768pixel×576pixel;像元大小为8.3μm×8.6μm。

　　3　详细设计

　　根据上述设计原则及指标要求，本文设计的可见光光学系统原理如图1所示。光学系统由三部分组成：第一部分为镜组A(集束系统)，来自目标的光线通过镜组A后，光线口径缩小，减小后部反射镜体积，缩短光路，最终减小整个光学系统的体积;第二部分为镜组B(光学转折系统)，由3片反射镜、1片分光镜及1片场镜组成，主要负责转折光学，使光学系统的转动元件减少，其中的分光镜用来分光，将大小视场的光线分开，分别成像;第三部分为组镜C(成像系统)，长焦成像系统及短焦成像系统，负责将2个视场的光线分别成像到不同的CCD靶面上。镜组A及第一片反射镜安装在可旋转框架上，用来对目标视场进行扫描.