为国防项目设计商业现货光学器件

当设计一个新的光学设备用于国防应用时，通常需要使用商业现货光学组件（COTS）。与定制设计的光学产品相比，COTS光学产品有许多优点。更低的价格和更快的交付时间是COTS光学系统的两个明显优势，这可以立即降低样品成本和更快的迭代原型。在转产方面，这些优势将导致更高的利润率和更快的交期。

与定制组件相比，使用COTS光学元件的另一个明显的优势是无需通过国际贸易和武器贸易条例（ITAR）。在ITAR控制的组件分类，使用不受管制的光学组件极大地扩展了可用的供应商网。有许多公司出售商用光学，其中大多数都使用样本目录和可搜索的网站作为营销和组织媒介，使使用者找到感兴趣的COTS光学产品。

但是，这些公司是如何将与军事和国防应用相关的新产品添加到他们的产品中的呢？商业组件又如何保持在国际贸易和武器法规（ITAR）之外且仍然满足严格的国防规格要求的？答案在规范开发中使用的信息来源中。这里介绍了一种规范方法和两个商业设计光学的例子，它们与一系列国防应用有明显的相关性。

商业光学产品线的设计给有特殊需求的客户提供应用空间的多样性。虽然这听起来有点漫不经心，但这个推测是基于工业和学术界的具体数据，这些数据点凝聚在一个规格和客户档案中。换句话说，COTS光学生产线经常在没有特定客户等待交付的情况下生产。相反，它们的设计是为了满足基于相邻技术的预期需求。具体的数据点可能包括下一代CCD或CMOS成像传感器，下一个商用长波激光二极管，光学制造设备的基本进展。

国防工业不厌其烦地在其最新设备中使用最新、最伟大的技术，以获得战术优势。也就是说，COTS光学公司的众多新产品目标之一是识别与国防工业相关的新的商业可用技术，并发布增强此类技术应用的产品。当前的一个例子是短波红外（SWIR）成像领域，通常认为它是0.9-1.7μm之间的波长段。

图1.在可见光波段下观察的苹果（左）和在短波红外波长下的苹果（右）     

SWIR成像在食品和饮料检测、硅片过程监控和国防工业监视等领域有许多有趣的应用。红外成像可以显示苹果上肉眼不易看到的瘀伤（图1）。

不透明的瓶子，如洗衣粉或婴儿奶粉，在SWIR波段中会部分透明（图2）。瓶子的部分透明使检查员可以看到液体或其他物质水平，而在可见光波段中无法立即观察到。

图2 不透明瓶子的样品在可见光（左）和短波红外光下（右）， 有助于观察瓶内的料位。

至于硅晶片的检查，晶片在SWIR波段是透明的。在SWIR波段的各种照明技术揭示了硅晶片的制造和材料差异。照明的差异可以用来评价硅片成品的质量。

这些例子都是属于经典的机器视觉检测领域，其中线性阵列摄像机已被使用。连续的色带图像形成原始数据集，利用通过/ 不通过标准来进行质量控制。因此，线性阵列SWIR相机被解除管制，并可在ITAR监管之外使用。解除管制的线性SWIR传感器，可以在非ITAR控制的SWIR镜头中形成一个产品的规格基础。一个多焦距的全线就可以根据线性SWIR相机规格和之前成功获得的可视机器视觉镜头的数据进行发布。

巧合的是，新的SWIR成像透镜已经应用于面阵SWIR传感器。由于广泛的监视和其它与实时成像相关的国防应用，区域SWIR传感器目前由ITAR控制。用于非ITAR控制的线性阵列SWIR镜头可以立即适用于ITAR控制的SWIR区域阵列相机。双重适用性产生于这样一个事实，即成像透镜的设计满足整个成像圈的性能。图像圆直径是一个一维值，意味着对像素单行高度的设计等同于对等高的区域数组对角线设计。当然，这是假设像素大小和整体图像高度是相等的。因此，无论是在ITAR控制的SWIR面积阵上，还是在非控制线阵SWIR传感器上，SWIR成像透镜都具有良好的性能。

如上所述的成像透镜有许多性能规范，需要相当复杂的光学设计。在其他地方，有大量的应用程序，在这些用于程序中，商业规范和军事需求的重叠要简单得多。例如，在基于防御的激光测距应用中，一个透镜可以在单一的激光波长下充当简单的准直器。为了满足应用需要，一个商用现成的无限共轭非球面镜可用于准直红外激光器，并收集反射光束回到光电传感器。然后使用后端飞行时间算法生成距离值。对镜头的要求就是对准光源并将反射光重新聚焦到探测器上。现成的无线共轭非球面以及在某些情况下，消色差和单透镜就可以满足信噪比要求。在这种情况下，一个COTS透镜就可以用于装配和周围机械设计来满足光学规格-主要是焦距。虽然周围机械设计可能由ITAR控制，因为他们是受ITAR控制组装的定制设计，但镜头不是，所以可以购买到最好的性价比。另一方面，如果整个组装时从头设计的，包括镜头，所有组成的组件受ITAR控制和受制于有限的供应商网络。如果供应商网络仅限于那些被授权生产ITAR组件的公司，通常会导致更高的价格和更长的交货时间。

图3 Edmund Optics’商用25mm短波红外成像镜头

SWIR透镜示例是一种方便的重叠，其中成像透镜是为非ITAR受控设备指定的，并且对类似的ITAR受控设备均适用。这两种相机都属于技术前沿，这加强了这样一种观念：在光学中，商用东西往往反映了军事应用所需的东西。在激光测距的例子中，防御应用中手边的光学任务很容易由现成的组件来满足。在这两个例子中，对于对于ITAR控制的设备来说，寻找商业上可以买到的组件是符合光学规范的最佳利益。在多数情况下，在光学元件领域，商业上可用的光学元件可以满足军事应用需求，并且在价格和交付时间上都具有优势。