王海洋，明景謙，賈星蕊，付艷鵬，劉永杰，王貴全，楊 靜

中波紅外寬波段多光譜成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王海洋1，明景謙1，賈星蕊1，付艷鵬1，劉永杰2，王貴全2，楊 靜1

（1. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2. 昆明北方紅外技術(shù)股份有限公司，云南 昆明 650217）

本文設(shè)計(jì)了一種基于濾光片的制冷型中波紅外寬波段（2.7～5mm）多光譜雙視場(chǎng)成像光學(xué)系統(tǒng)，可將不同波段的紅外場(chǎng)景輻射透過相應(yīng)的濾光片成像在紅外制冷型探測(cè)器上。本系統(tǒng)將多個(gè)濾光片置于濾光輪上，并放置在探測(cè)器前，不僅能減小濾光片的有效口徑，同時(shí)還兼容圖像的非均勻校正功能。通過轉(zhuǎn)動(dòng)濾光輪，系統(tǒng)能夠得到多個(gè)所需的圖譜信息，通過差分技術(shù)可以更好地提取目標(biāo)信息，提升靈敏度。該系統(tǒng)F數(shù)為4，焦距為70mm/280mm，MTF接近衍射極限，具有－50℃～80℃的主動(dòng)消熱差功能，滿足應(yīng)用要求。

多光譜；中波紅外寬波段；光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

多光譜成像結(jié)合了傳統(tǒng)光譜儀和光電探測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)，可同時(shí)提供二維圖像信息和光譜信息，具有新一代光譜遙測(cè)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)特性，對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景信息的探測(cè)和光譜特征的分析和提取[1-2]。寬波段多光譜成像技術(shù)是一種既能夠在多個(gè)譜段對(duì)同一目標(biāo)成像又能測(cè)出光譜特征的新型探測(cè)手段，根據(jù)目標(biāo)的自身輻射特征進(jìn)行了針對(duì)性增強(qiáng)，從而達(dá)到了抑制背景雜波和提高目標(biāo)辨別能力[3]。一般說來，提取圖像中的光譜信息可以利用具有光譜分離功能的濾光或分色元件如液晶可調(diào)諧濾光片（LCTF）、衍射光柵以及分光棱鏡等獲得，本文采用濾光片分光的方式[4]。此技術(shù)已經(jīng)在遙感領(lǐng)域得到了廣泛地應(yīng)用，包括：初期熱災(zāi)害預(yù)警、地鐵安全監(jiān)控（劇毒危險(xiǎn)氣體探測(cè)）和煤礦監(jiān)測(cè)（甲烷探測(cè)）、高壓輸變電檢測(cè)（六氟化硫探測(cè)）、化工廠泄漏（易燃易爆危險(xiǎn)氣體探測(cè)）等應(yīng)用[5]。

針對(duì)中波紅外寬波段制冷型焦平面探測(cè)器，本文設(shè)計(jì)了一種基于濾光片的中紅外波寬波段多光譜雙視場(chǎng)成像光學(xué)系統(tǒng)，本系統(tǒng)將多個(gè)濾光片置于同一濾光輪上，并放置在探測(cè)器前，不僅使濾光片的口徑小型化，同時(shí)還兼容圖像的非均勻校正功能，通過高速旋轉(zhuǎn)濾光輪就可實(shí)現(xiàn)不同譜段的成像。

1 工作原理與技術(shù)指標(biāo)

1.1 構(gòu)成和工作原理

為了獲取目標(biāo)的輻射特性，該系統(tǒng)由一套裝有多個(gè)濾光片的濾光輪系統(tǒng)和寬光譜紅外光學(xué)系統(tǒng)組成。在光學(xué)系統(tǒng)中加裝含有多個(gè)濾光片的濾光輪方案原理清楚簡(jiǎn)單，可實(shí)施性強(qiáng)。

使用濾光片可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定光譜波段的選取，譜吸收峰的單一帶通型濾光片直接對(duì)目標(biāo)成像，每種濾光片可探測(cè)出一種目標(biāo)輻射特性，這種方式比較常見，但靈敏度不高；另一種是采用多種差異波段（前截止或后截止）的濾光片，通過差分相鄰的濾光片探測(cè)目標(biāo)輻射特性的方法，靈敏度較高。

多光譜光譜儀使用了兩種高通量的紅外濾光片，其中一種為不受有無目標(biāo)輻射影響的全通型濾光片，另外一種濾光片為前截止型高通量的濾光片，采集兩種濾光片分別切入成像光路后的紅外光譜圖像進(jìn)行差分運(yùn)算提取目標(biāo)特征。本文設(shè)計(jì)的濾光輪上裝有1片全通型和5片前截止型，可根據(jù)目標(biāo)特性要求，加裝不同波段的前截止型濾光片。

其技術(shù)特點(diǎn)在于：①高通量型的濾光片避免了窄帶濾光片能量不足的缺點(diǎn)，充足的能量使得系統(tǒng)既提升了信噪比，又能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行有效辨別；②差分技術(shù)通過提升多光譜成像光譜儀探測(cè)靈敏度來對(duì)目標(biāo)的輻射特性進(jìn)行識(shí)別，如圖1所示[6]。

圖1 差分技術(shù)示意圖[6]

紅外多光譜成像系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。該多光譜成像光譜儀由紅外物鏡、濾光輪、制冷型焦平面探測(cè)器組件、黑體組件和數(shù)據(jù)處理組件構(gòu)成。目標(biāo)的紅外輻射經(jīng)紅外物鏡聚焦和濾光輪分光后在制冷型焦平面探測(cè)器上成像。濾光輪上放置多組濾光片和校正擋片，通過濾光輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過差分技術(shù)，就可獲取所需的光譜數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理組件后就可以獲取目標(biāo)光譜圖像信息[6]。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

本次設(shè)計(jì)選用了一個(gè)定制波段為2.7～5mm中波紅外制冷型焦平面探測(cè)器，像元數(shù)為640×512，像元大小為15mm，具體技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

2 中波紅外寬波段多光譜雙視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

為了消除中波紅外2.7～5mm波段的色差，通常認(rèn)為采用卡式/離軸反射式光學(xué)系統(tǒng)較為適合。但卡式系統(tǒng)存在中心遮擋，對(duì)大視場(chǎng)遮擋尤為嚴(yán)重，且雜散光抑制手段較為復(fù)雜；離軸反射式系統(tǒng)同樣存在雜散光抑制難度大，裝調(diào)困難，同時(shí)考慮了空間包絡(luò)的需求，認(rèn)為卡式/離軸反射式光學(xué)系統(tǒng)不適用于本次使用要求。

表1 技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)系統(tǒng)在寬光譜波段工作的特點(diǎn)，同時(shí)考慮到產(chǎn)品裝配工藝和空間包絡(luò)等要求，擬采用透射式的寬波段光學(xué)系統(tǒng)。

針對(duì)復(fù)雜背景下的特征目標(biāo)，本文設(shè)計(jì)了中波紅外寬波段多光譜雙視場(chǎng)成像光學(xué)系統(tǒng)，這就可獲得不同距離特征目標(biāo)的圖像和光譜信息。其變倍方式主要分為兩種：一種將變倍組切入光學(xué)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)變倍。通過在光學(xué)系統(tǒng)中切入一個(gè)或一組透鏡，來達(dá)到變倍的效果，但同時(shí)還要多出一套高低溫和距離調(diào)焦的補(bǔ)償機(jī)構(gòu)。該方法可能會(huì)在沖擊振動(dòng)中丟失目標(biāo)。

且該方法需要更大的體積包絡(luò)和多一套伺服機(jī)構(gòu)，造成橫向空間尺寸變大，不利于產(chǎn)品小型化和低功耗的設(shè)計(jì)。另一種是通過軸向移動(dòng)透鏡組來達(dá)到光學(xué)系統(tǒng)變倍的效果，該透鏡組同時(shí)用來實(shí)現(xiàn)高低溫和遠(yuǎn)近距離的調(diào)焦，可以通過絲桿導(dǎo)軌或凸輪的方式來實(shí)現(xiàn)軸向移動(dòng)變倍，都不會(huì)丟失目標(biāo)。圖3為軸向移動(dòng)式變倍的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 軸向移動(dòng)式結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.3 Schematic diagram of axially movable structure

2.2 光學(xué)系統(tǒng)消色差與消熱差設(shè)計(jì)

對(duì)于主要像差為色差的透射式光學(xué)系統(tǒng)，由于光學(xué)元件的色差系數(shù)都為正，因此需要負(fù)透鏡來抵消正透鏡的色差。由于光學(xué)系統(tǒng)F數(shù)為4，波段為中波紅外，其焦深范圍為±0.1232mm，將2.7～5mm的軸向焦點(diǎn)控制在焦深范圍內(nèi)即可。本設(shè)計(jì)僅采用了硅鍺兩種紅外材料，鍺類似可見光中的火石玻璃具有高折射率高色散系數(shù)，硅類似于可見光波段的冕牌玻璃具有高折射率低色散系數(shù)，本次將鍺設(shè)計(jì)成雙凹的負(fù)透鏡，同時(shí)將硅設(shè)計(jì)成雙凸的正透鏡，兩者組合成消色差透鏡組[7]，本次方案在一次和二次成像組里都加入了這個(gè)消色差透鏡組。通過多輪的迭代優(yōu)化，最終很好地完成了系統(tǒng)的色差以及二級(jí)光譜的校正，本次將焦點(diǎn)范圍控制到0.028mm，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的復(fù)消色差。

消熱差主要分為兩種方式：光學(xué)被動(dòng)消熱差是利用光學(xué)材料熱特性之間的差異，通過不同特性材料的組合來消除溫度的影響，在較大溫度范圍內(nèi)保持焦距、像面和像質(zhì)穩(wěn)定。光學(xué)主動(dòng)消差熱是利用溫度傳感器自動(dòng)探測(cè)溫度，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)焦鏡到達(dá)正確位置來補(bǔ)償溫度變化引起的像面位移。本次采用了光學(xué)主動(dòng)式消熱差的設(shè)計(jì)方法，即通過變倍組的移動(dòng)，在滿足像質(zhì)的情況下，保證整個(gè)溫度范圍內(nèi)的焦面位置不變。通過求出在不同溫度下系統(tǒng)中透鏡的曲率、厚度及透鏡間的間隔（考慮材料的膨脹系數(shù)）及不同透鏡材料的d/d，通過動(dòng)態(tài)光學(xué)原理來求解變倍組不同溫度下的最佳位置，在求解過程總保持像面穩(wěn)定。

2.3 變倍原理

本次變倍結(jié)構(gòu)采用了單片式色散系數(shù)較小的硅材料作為變倍組，以保證變倍組引入的色差盡可能小，這樣既平衡了寬窄視場(chǎng)位置像差，又保證了雙視場(chǎng)的齊焦性。

對(duì)于兩檔變倍的成像系統(tǒng)，變倍組應(yīng)滿足物像交換原則，設(shè)光學(xué)系統(tǒng)的倍率為，則變倍組對(duì)焦距的變化為2，短焦距時(shí)變倍組的倍率2s為[8]：

寬視場(chǎng)時(shí)變倍組的倍率2l為：

當(dāng)變倍組處于寬視場(chǎng)和窄視場(chǎng)時(shí)，變倍組的移動(dòng)量為：

設(shè)變倍組與前置固定組的最小間隔為，寬視場(chǎng)時(shí)變倍組的物距為s，則前置固定組焦距1￠為：

由(4)式和(5)式可看出，變倍組焦距影響變倍組行程，同時(shí)影響前置固定組焦距1￠的選取，變倍組的移動(dòng)距離與其焦距成正比[7]。

光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮濾光片放置位置，由于光學(xué)系統(tǒng)窄視場(chǎng)焦距為280mm，且F數(shù)為4，將濾光片置于光學(xué)系統(tǒng)的大物鏡前端會(huì)使其有效口徑至少為70mm以上，此次采用多個(gè)濾光片構(gòu)成一個(gè)濾光輪的結(jié)構(gòu)形式，放在前端體積過大，且旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)不穩(wěn)定。所以將濾光片設(shè)計(jì)在探測(cè)器前端，同時(shí)在濾光片輪上增加一個(gè)毛玻璃校正擋片，這樣保證了濾光片的口徑的小型化（僅需要12mm以上），又減少了一套校正機(jī)構(gòu)。

采用CodeV軟件對(duì)上述光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，光學(xué)系統(tǒng)由前置物鏡組、變倍組、二次成像組、濾光片輪和探測(cè)器5部分組成，光學(xué)系統(tǒng)示意圖如圖4所示。本次設(shè)計(jì)僅采用了硅和鍺兩種紅外材料，共6片透鏡，4個(gè)非球面。系統(tǒng)總長(zhǎng)為235mm（第一透鏡到焦平面）。單透鏡最大口徑不大于70mm，變倍行程為43mm，高低溫下變倍組調(diào)焦量為±2mm。

3 設(shè)計(jì)結(jié)果與分析

系統(tǒng)的工作溫度為－50℃～80℃，這里通過彌散斑和光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)（Modulation Transfer Function, MTF）來評(píng)價(jià)全溫下成像質(zhì)量。

光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）曲線在33lp/mm（特征頻率）處接近衍射極限，如圖5所示。光學(xué)系統(tǒng)全視場(chǎng)彌散斑在一個(gè)像元以內(nèi)，如圖6所示。全視場(chǎng)畸變小于3%，如圖7所示。以上指標(biāo)均滿足使用要求。

光學(xué)系統(tǒng)在－50℃～80℃的像質(zhì)如圖8～11所示。

圖4 22℃時(shí)的光學(xué)系統(tǒng)示意圖

圖5 22℃時(shí)的光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）

圖6 22℃時(shí)的光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)列圖

圖7 22℃時(shí)的光學(xué)系統(tǒng)場(chǎng)曲和畸變

圖8 －50℃時(shí)的光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）

圖9 －50℃時(shí)的光學(xué)系統(tǒng)彌散斑點(diǎn)列圖

圖10 80℃時(shí)的光學(xué)系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）

圖11 80℃時(shí)的光學(xué)系統(tǒng)彌散斑點(diǎn)列圖

可以看到光學(xué)系統(tǒng)在高低溫下的像質(zhì)良好，滿足使用需求。

以上像質(zhì)為系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)平衡像差和公差的結(jié)果，彌散斑中只有低溫下小視場(chǎng)接近兩個(gè)像元，其余溫度都在一個(gè)像元附近。畢竟溫差過大，全溫范圍內(nèi)均控制在一個(gè)像元，在不用二元面的前提下比較困難，但二元面在實(shí)際使用中對(duì)均勻冷背景時(shí)易出現(xiàn)圓環(huán)狀鬼像，故本次采用了非球面和球面的設(shè)計(jì)方式。

4 結(jié)論

本文通過合理匹配紅外材料，采用基于濾光片分光的方式，設(shè)計(jì)一種軸向移動(dòng)變倍組的雙視場(chǎng)中波寬波段多光譜光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，且保證了100%冷光闌匹配，僅采用了硅和鍺兩種紅外材料就實(shí)現(xiàn)了70mm/280mm的4倍變倍功能，突破傳統(tǒng)中波熱像儀波段（3.7～4.8mm）的限制，在2.7～5mm波段范圍內(nèi)都具有良好的成像質(zhì)量。該系統(tǒng)通過光學(xué)主動(dòng)消熱差的方式使得系統(tǒng)在－50℃～80℃的寬溫度范圍內(nèi)像質(zhì)優(yōu)良，滿足使用要求。在預(yù)防初期熱災(zāi)害、氣體泄漏預(yù)警、目標(biāo)偽裝辨別、特征目標(biāo)提取等目標(biāo)探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

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Optical Design of Multispectral Imaging Spectrometer in Broadband Mid-wave Infrared

WANG Haiyang1，MING Jingqian1，JIA Xingrui1，F(xiàn)U Yanpeng1，LIU Yongjie2，WANG Guiquan2，YANG Jing1

(1.,650223,;2.,,650217,)

A cooling-type mid-wave infrared broadband (2.7 to 5mm) multi- spectral dual-field imaging optical system based on a filter and cooled detector is designed. A scene can be imaged by using an infrared-cooled detector through the corresponding filter. In this system, the filter wheel with multiple filters is placed in front of the detector to minimize the aperture of the filters and provide compatibility with non-uniformity correction functions. The filter wheel is rotated to obtain multiple required spectrum information, and the differential technology can better extract the target information and improve the sensitivity. The F-number of the system is 4, focal length is 70mm/280mm, and modulation transfer function is close to the diffraction limit. The system has an optical active athermalization function in the range of-50℃ to 80℃. The simulation results show that the performance of the system can meet the design requirement.

multispectral, mid-wave infrared broadband, optical system design

TN216

A

1001-8891(2022)10-1059-07

2022-06-27；

2022-09-07.

王海洋（1983-），男，正高級(jí)工程師，碩士，主要從事紅外光學(xué)設(shè)計(jì)及紅外光譜成像技術(shù)方面的研究。jlyjwhy@163.com。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFA0701200）。