高 明，劉彥清，呂 宏，倪晉平

(西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院，陜西西安 710021)

消旋檢測裝置的紅外光學(xué)系統(tǒng)分析與設(shè)計

高 明，劉彥清，呂 宏，倪晉平

(西安工業(yè)大學(xué)光電工程學(xué)院，陜西西安 710021)

設(shè)計了一種用于檢測機(jī)載制冷型CCD消旋機(jī)構(gòu)的長波紅外光學(xué)系統(tǒng)。采用二次成像的方法保證冷光闌效率，應(yīng)用光學(xué)被動消熱差原理實現(xiàn)寬溫度范圍內(nèi)熱差補償;系統(tǒng)引入以非球面為基底的衍射元件校正像差，探討了衍射元件面形誤差對系統(tǒng)光學(xué)性能的影響。設(shè)計結(jié)果表明，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，在－40～60℃的寬溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)了光學(xué)被動消熱差的目的，達(dá)到100%的冷光闌效率及抑制冷反射的效果。

消旋檢測;制冷型;消熱差;衍射元件

1 引 言

近年來，隨著紅外探測器技術(shù)的進(jìn)步，紅外成像技術(shù)日趨成熟，并開始應(yīng)用于各種瞄準(zhǔn)和跟蹤系統(tǒng)。紅外制冷型CCD探測器體積小、重量輕、易操作，與消旋機(jī)構(gòu)結(jié)合可達(dá)到圖像消旋的目的，因此在機(jī)載光電跟蹤設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用［1］。制冷型CCD探測器本身攜帶有冷光闌，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計時必須保證系統(tǒng)出瞳和探測器冷光闌位置一致且口徑大小相等，達(dá)到100%的冷光闌效率;由于探測器的工作溫度與環(huán)境溫度相差很大，極易在探測器上形成冷反射像，因此設(shè)計中要考慮到冷反射的抑制［2］;為了平衡紅外材料折射率溫度系數(shù)和熱膨脹系數(shù)隨溫度變化引起的離焦現(xiàn)象，還需要進(jìn)行消熱差設(shè)計［3］。目前國內(nèi)外對制冷型紅外系統(tǒng)的設(shè)計日益成熟，然而僅用兩種材料實現(xiàn)光學(xué)被動消熱差、消冷反射設(shè)計的制冷型紅外系統(tǒng)還未見相關(guān)報道。

針對機(jī)載制冷型CCD消旋機(jī)構(gòu)，利用二次成像的方法設(shè)計了一種長波紅外光學(xué)系統(tǒng)。系統(tǒng)引入以非球面為基底的衍射元件校正像差，通過模擬計算，分析了衍射元件精度對系統(tǒng)光學(xué)性能的影響。

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計要求

消旋機(jī)構(gòu)采用640×512陣列的長波紅外制冷型CCD探測器，像元尺寸為24μm×24μm，冷光闌距像敏面25.7 mm，直徑12.85 mm。針對所選探測器，為了在復(fù)雜作業(yè)環(huán)境下對消旋機(jī)構(gòu)檢測，確定光學(xué)系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

綜合考慮紅外材料的折射率和折射率溫度系數(shù)，選用Ge和ZnS作為系統(tǒng)透鏡的材料組合。制冷型紅外探測器通光孔徑較小，為了滿足消雜散光和抑制冷反射的要求，決定采用二次成像結(jié)構(gòu)［4］。如圖1所示，系統(tǒng)分為物鏡組和中繼鏡組兩部分，近軸關(guān)系由公式(1)表示。

圖1 二次成像結(jié)構(gòu)示意圖

式中，f'w，f'z，f'對應(yīng)物鏡組、中繼鏡組和系統(tǒng)的焦距;lz，βz為中繼鏡組物距和垂軸放大率;l為系統(tǒng)總長;d為CCD的冷光闌到像面距離。

根據(jù)表1的技術(shù)指標(biāo)，假設(shè)系統(tǒng)總長為250 mm，由式(1)可以解得中繼鏡組垂軸放大率βz=－0.55，繼而分別求得f'w，f'z，lz值。這時可由得到的參數(shù)分別設(shè)計物鏡組和中繼鏡組，再對二者拼接后構(gòu)成完整的二次成像結(jié)構(gòu)，然后利用ZEMAX軟件對整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，使其滿足系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求。

2.3 消熱差設(shè)計

為了消除環(huán)境溫度變化引起的離焦現(xiàn)象，系統(tǒng)采用光學(xué)被動消熱差的方法，通過材料匹配、透鏡曲率和間隔的變化實現(xiàn)系統(tǒng)熱差補償［5］，式(2)表示消除色散離焦和熱離焦所滿足的條件:

其中，hi為近軸光線在第i個透鏡的高度;ψ為系統(tǒng)的光焦度;ψi為第i個透鏡的光焦度;ηi為透鏡的色散因子;χi為熱膨脹系數(shù);αj為鏡筒機(jī)械結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù);L為鏡筒長度。由式(2)可知，當(dāng)色散離焦量為零而且透鏡熱離焦量與機(jī)械結(jié)構(gòu)熱離焦量相互抵消時，才能實現(xiàn)系統(tǒng)的光學(xué)被動消熱差。

2.4 冷反射的抑制

本系統(tǒng)通過在光學(xué)設(shè)計階段控制YNI的量值來實現(xiàn):

式中，y代表近軸光線在某一面的入射高度;n為折射率;i為邊緣光線在此面的入射角度。YNI的絕對值越小，透鏡表面反射聚焦到探測器的冷反射像越集中;當(dāng)|YNI|≥1時，透鏡表面反射到探測器的冷反射像發(fā)散或離焦，可以忽略冷反射像對系統(tǒng)像質(zhì)的影響［6］。

2.5 設(shè)計結(jié)果及像質(zhì)分析

在系統(tǒng)第10面上采用以非球面為基底的衍射面，通過優(yōu)化整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，最終得到的光學(xué)系統(tǒng)二維布局如圖2所示。系統(tǒng)由物鏡組和中繼鏡組兩部分構(gòu)成，共7片透鏡，總長245 mm。中繼鏡組以物鏡組的像面作為物面實現(xiàn)二次聚焦成像，其后面為CCD的固有結(jié)構(gòu)。

圖2 光學(xué)系統(tǒng)二維布局圖

系統(tǒng)點列圖如圖3所示。圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)分別代表20℃，－40℃，60℃時點列斑大小。黑色圓圈代表艾里斑直徑，約為20.6μm，在0視場、0.7視場、1視場下彌散斑大小均小于艾里斑直徑，同樣小于制冷型CCD探測器一個像元大小，能量集中。

圖3 點列圖

圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)表示在20℃，－40℃，60℃情況下的光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)曲線，可以看出在21 lp/mm(Nyquist頻率)位置光學(xué)系統(tǒng)MTF值約為0.5，接近衍射極限。

圖4 MTF曲線

根據(jù)瑞利原則，溫度變化造成的像面離焦與系統(tǒng)焦深有以下關(guān)系［7］:

其中，D為入瞳直徑;f'為系統(tǒng)焦距。由式(4)計算可得焦深為68.8μm。分析得出，系統(tǒng)在－40～60℃溫度范圍內(nèi)最大離焦量為17μm，遠(yuǎn)小于系統(tǒng)焦深。

表征冷反射大小的YNI量值如表2，可以看到透鏡各表面均滿足|YNI|＞1，因此反射到CCD光敏面上的冷反射像不會對系統(tǒng)正常成像造成干擾。

表2 系統(tǒng)透鏡表面YNI值

3 衍射元件精度分析

衍射元件的面型精度是評判衍射元件質(zhì)量的主要因素。隨著面型誤差的增大，波面偏差也隨之增大。式(5)表示在(x，y，z)坐標(biāo)系下，以非球面為基底的衍射面面型:

為了分析面形誤差對光學(xué)性能的影響，在式(5)上疊加一個余弦函數(shù)模擬衍射面的面形誤差，帶有面形誤差的衍射面可表示為:

式中，H代表面形誤差振幅;k是余弦函數(shù)的頻率。

利用Zernike多項式擬合，得出光線經(jīng)衍射面后實際波陣面與理想波陣面的偏差。波面偏差圖如圖5(a)、(b)所示，分別代表衍射面面形誤差值H為0.1、0.4時對應(yīng)的波面偏差。由圖5(a)、(b)對比可得，實際波陣面與理想波陣面偏差隨面形誤差幅值增加逐漸增大。

分析可知，衍射面面形誤差會導(dǎo)致成像系統(tǒng)的光學(xué)性能降低，衍射元件的面型精度對系統(tǒng)成像質(zhì)量尤為重要。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種用于消旋機(jī)構(gòu)檢測的制冷型紅外光學(xué)系統(tǒng)，僅用Ge和ZnS兩種常規(guī)材料，實現(xiàn)了－40～60℃寬溫度范圍內(nèi)系統(tǒng)消熱差。研究發(fā)現(xiàn)，衍射元件的面型誤差是影響像質(zhì)的重要因素。通過優(yōu)化，系統(tǒng)出瞳位于像面前25.7 mm處，直徑12.85 mm，與制冷型CCD冷光闌完全重合，滿足100%冷光闌效率;系統(tǒng)各面冷反射控制量|YNI|＞1，冷反射得到很好的抑制;系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)在Nyquist頻率處值約為0.5，接近衍射極限。

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Analysis and design of infrared optical system in despun device

GAO Ming，LIU Yan－qing，L Hong，NIJin－ping
(School of Optoelectronic Engineering，Xi'an Technological University，Xi'an 710021，China)

A long－wave infrared optical system to detect the refrigeration type CCD for airborne despun device was designed.The re－imaging configuration was used to meet cold shield efficiency requirement，and optical passive athermalization principle was applied to achieve athermalization compensation with a wide range of temperature.The aberrations are corrected by the aspherical－diffraction element，and the effectof diffraction element shape error on the optical system is discussed.The design results show that this system has compact structure and lightweight.It realizes the athermalization compensation in the temperature range of－40～60℃.100%cold aperture efficiency and the controlling cold reflection are also achieved.

eliminating image rotation;cooled thermal imaging;athermalization design;diffractive optical elements

TH745

A

10.3969/j.issn.1001－5078.2014.03.006

1001－5078(2014)03－0254－04

國家自然科學(xué)基金(No.60972005);陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃(No.2012JM8008)資助項目。

高 明(1964－)，男，教授，理學(xué)博士，從事光學(xué)設(shè)計理論及技術(shù)、光電精密測試技術(shù)、光大氣傳輸理論及技術(shù)的科學(xué)研究工作。E－mail:spdtlyq@163.com

2013－12－04;

2013－12－08