付躍剛，黃蘊(yùn)涵，劉智穎

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 測(cè)控分析中心，吉林 長(zhǎng)春130022）

引言

紅外光學(xué)系統(tǒng)在現(xiàn)代目標(biāo)識(shí)別與探索領(lǐng)域具有不可替代的作用。跨越連續(xù)紅外波段探測(cè)器的出現(xiàn)，擴(kuò)大了對(duì)不同類(lèi)型目標(biāo)的探測(cè)能力，這樣可以在不同探測(cè)環(huán)境下使用同一光學(xué)系統(tǒng)對(duì)不同目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)、識(shí)別。本文設(shè)計(jì)的寬譜段紅外消熱差光學(xué)系統(tǒng)在紅外成像領(lǐng)域具有很大應(yīng)用前景。

設(shè)計(jì)的中長(zhǎng)波紅外消熱差光學(xué)系統(tǒng)采用法國(guó)Sofradir公司研制的面陣規(guī)格為384×288，像元間距為2μm的雙色量子阱探測(cè)器作為接收器，工作波段為4.4μm ～8.8μm，視場(chǎng)為3°×2.25°，F(xiàn)＃與制冷探測(cè)器冷闌匹配為2.68，焦距為183mm。為了實(shí)現(xiàn)可加工性，所有面型皆為球面，通過(guò)對(duì)透鏡形式的合理選擇，透鏡之間的合理搭配，最終設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量良好，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。

1 設(shè)計(jì)思路

一般來(lái)說(shuō)，紅外光學(xué)系統(tǒng)的波段跨度為μm級(jí)別，因此，在跨波段范圍內(nèi)玻璃的折射率將會(huì)發(fā)生相對(duì)較大的改變，通常由于折射率的改變會(huì)帶來(lái)像面的改變，而像面要保證成像質(zhì)量好，必須隨之變換。同時(shí)，在溫度變化下，由于熱膨脹的影響，材料的形狀將會(huì)發(fā)生改變，進(jìn)而光線(xiàn)的偏折發(fā)生影響，像面像質(zhì)都會(huì)受到影響。因此如何在溫度變化以及波段變化的條件下均保證像面穩(wěn)定且像質(zhì)良好，是本設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。同時(shí)，由于采用了制冷探測(cè)器，光學(xué)系統(tǒng)光闌置于后方，這樣會(huì)帶來(lái)彗差等軸外像差的問(wèn)題［1－2］，這對(duì)像差校正也帶來(lái)一定的難度。

冷光闌示意圖如圖1所示。紅外光學(xué)系統(tǒng)采用制冷光闌作為探測(cè)器接受目標(biāo)時(shí)，制冷探測(cè)器的冷闌將作為整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌，起到限制光束的作用［3］。

圖1 制冷探測(cè)器示意圖Fig.1 Schematic diagram of cooled detector

采用制冷探測(cè)器的光學(xué)系統(tǒng)必須考慮冷光闌的匹配問(wèn)題，如圖2所示。從圖2可以看出，當(dāng)光線(xiàn)像方F數(shù)小于冷光闌所對(duì)應(yīng)的F數(shù)時(shí)，將會(huì)有雜散光進(jìn)入到探測(cè)器的像面上，對(duì)成像像質(zhì)造成負(fù)面影響。所以，在使用制冷探測(cè)器時(shí)，光學(xué)系統(tǒng)的像方F數(shù)應(yīng)嚴(yán)格與冷光闌所對(duì)應(yīng)的F數(shù)相等［4］。

光學(xué)被動(dòng)消熱差是指在滿(mǎn)足系統(tǒng)成像質(zhì)量要求的同時(shí)，利用熱膨脹系數(shù)之間的差異，合理地分配光焦度，并使光學(xué)系統(tǒng)像面產(chǎn)生的離焦，由鏡筒材料產(chǎn)生的離焦相互補(bǔ)償［5－8］，即：

圖2 冷光闌匹配Fig.2 Cold shield matching

（1）式中Φi（i＝1～4）表示第i塊透鏡所具備的光焦度大小，保證整體光焦度。公式（2）中χi為各種玻璃材料的熱膨脹系數(shù)，為保證溫度變化下系統(tǒng)不產(chǎn)生離焦，玻璃透鏡的熱膨脹系數(shù)在紅外連續(xù)波段內(nèi)變化很小［9］，但色差系數(shù)變化很大［10］。所以，色差應(yīng)該在各個(gè)波段內(nèi)單獨(dú)校正。為保證光學(xué)系統(tǒng)在各個(gè)波段下消除色差，像質(zhì)保持穩(wěn)定，以下公式中viX，viY，viZ（i＝1～4）分別代表第i塊玻璃在4.4μm ～5.4μm、5.4μm ～6.4μm、6.4μm～8.8μm各個(gè)波段中的色差系數(shù)。其表達(dá)式如下：

（6）式～（8）式中，ni（number）（i＝1～4）為第i塊玻璃在波段為number處所具備的折射率。

根據(jù)（1）式～（7）式可以合理地選擇玻璃材料，得到對(duì)應(yīng)于每塊透鏡的初始光焦度，以及合理的光學(xué)設(shè)計(jì)初始結(jié)構(gòu)［11］。

1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

系統(tǒng)指標(biāo)見(jiàn)表1所示。

表1 設(shè)計(jì)指標(biāo)Table 1 Parameters of optical design

2 設(shè)計(jì)結(jié)果及分析

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，以及計(jì)算所得的初始結(jié)構(gòu)，結(jié)合ZEMAX光學(xué)軟件對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)［12－14］，并分析不同溫度下的像質(zhì)。

寬譜段消熱差紅外透鏡的最終設(shè)計(jì)結(jié)果如圖3所示。整個(gè)系統(tǒng)僅由4片透鏡組成，鏡筒材料為鈦合金，透鏡主要由硒化鋅（ZnSe），鍺（Ge）及硫化鋅（ZnS）材料組成，系統(tǒng)采用全球面，避免了非球面的使用，最大元件口徑134mm，總長(zhǎng)197.128mm。工作時(shí)F數(shù)保持不變，時(shí)刻保證冷光闌匹配。

圖3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果Fig.3 Layout of optical system

經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)在各個(gè)波段在－40℃～＋60℃溫度下像面穩(wěn)定，成像質(zhì)量?jī)?yōu)良。圖4、圖5、圖6分別為各個(gè)波段下不同溫度的光學(xué)調(diào)制函數(shù)曲線(xiàn)。圖4～圖6中傳遞函數(shù)曲線(xiàn)為20℃、－40℃、－10℃、60℃的情況。

中波紅外波段系統(tǒng)在20lp／mm處軸上各溫度下的傳遞函數(shù)為0.55、0.52、0.56、0.55，邊緣處分別為0.46、0.44、0.48、0.47。

長(zhǎng)波紅外波段系統(tǒng)在20lp／mm處軸上各溫度下的傳遞函數(shù)為0.41、0.39、0.42、0.40，邊緣處分別為0.35、0.34、0.36、0.37。

以上數(shù)值均滿(mǎn)足環(huán)境適應(yīng)性及像質(zhì)要求。

表2為各個(gè)波段下的光學(xué)系統(tǒng)畸變情況，由表2可知，光學(xué)系統(tǒng)在各個(gè)波段的畸變差異極小，對(duì)系統(tǒng)成像質(zhì)量影響不大。

圖4 MTFs of 4.4μm～5.4μmFig.4 MTFs of 4.4μm～5.4μm

圖5 MTFs of 5.4μm～6.4μmFig.5 MTFs of 5.4μm～6.4μm

圖6 MTFs of 6.4μm～8.8μmFig.6 MTFs of 6.4μm～8.8μm

表2 畸變數(shù)值列表Table 2 Parameters of distortion value

3 結(jié)論

通過(guò)理論分析與推導(dǎo)，結(jié)合被動(dòng)消熱差理論，通過(guò)合理地選擇透鏡結(jié)構(gòu)及透鏡相對(duì)位置，最終設(shè)計(jì)出了一款針對(duì)Sofradir公司研制的雙色量子阱紅外焦平面探測(cè)器的紅外寬譜段被動(dòng)消熱差光學(xué)系統(tǒng)。F＃為2.68，并與冷光闌相匹配，可實(shí)現(xiàn)在4.4μm～8.8μm波段－40℃～＋60℃范圍內(nèi)良好的成像。光學(xué)系統(tǒng)并未采用非球面，減少了加工的難度，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工的優(yōu)點(diǎn)，適用于導(dǎo)航，探測(cè)，搜索等工作中。

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