紅外雙波段共光路消熱差光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王少白 宋璐 黃辰旭

摘 要：【目的】為實(shí)現(xiàn)中長波雙波段紅外探測，同時(shí)滿足系統(tǒng)輕小化要求，本研究設(shè)計(jì)一套紅外雙波段共光路消熱差光學(xué)系統(tǒng)?！痉椒ā吭撓到y(tǒng)采用透射式共光路結(jié)構(gòu)，使用鍺、硒化鋅和硫系玻璃等材料的組合來滿足被動(dòng)消熱差要求。光學(xué)系統(tǒng)焦距為200 mm、F/#為2，工作波段覆蓋范圍為3～5 μm、8～10 μm，達(dá)到100%冷光闌效率?！窘Y(jié)果】像質(zhì)評價(jià)結(jié)果表明，該系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)在空間頻率16l p/mm處的值大于0.5，在-55～+70 ℃寬溫度范圍內(nèi)成像良好。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，總長度不超過120 mm。【結(jié)論】該共光路實(shí)現(xiàn)無熱化和小型化的設(shè)計(jì)要求，具有一定的工程應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：紅外光學(xué)系統(tǒng)；消熱差設(shè)計(jì)；雙波段；共光路

中圖分類號(hào)：TN214? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2023）08-0009-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.08.002

Athermal Design of Dual-Band Infrared Optical System with

Common Aperture

WANG Shaobai1 SONG Lu2 HUANG Chenxu1

（1. Luoyang Institute of Electro-Optic Equipment， AVIC， Luoyang 471000， China;

2. School of Information Engineering， Henan University of Science and Technology， Luoyang 471000， China）

Abstract： [Purposes] In order to meet the need of simultaneous mid & long wave infrared detection and constraints of light weight and small volume， anathermal dual-band infrared optical system with common aperture is designed. [Methods] The system adopts the transmission type common optical path structure， and the combination Ge， ZnS and AMTIR I meets the requirements of passive athermalization. The system's focal length is 200 mm and F/# equals 2， along with operation band covering 3～5 μm and 8～10 μm and 100% cold diaphragm efficiency. [Findings] The image quality evaluation results demonstrate MTF of the system exceeds 0.5 at the spatial frequency of 16 lp/mm and image quality retains fine in a wide temperature range of -55～+70 ℃， along with compact structure whose length not exceeding 120 mm. [Conclusions] This athermal and compact design with common aperture shows comparative applicable potentiality.

Keywords： infrared optical system;athermal design;dual-band;common aperture

0 引言

隨著作戰(zhàn)場景和方式的增多，在復(fù)雜環(huán)境中基于目標(biāo)多波段特性進(jìn)行探測識(shí)別的需求也日益增多，單純利用某個(gè)紅外波段進(jìn)行探測已無法有效滿足使用要求。目標(biāo)在不同光譜波段下會(huì)呈現(xiàn)出不同的光學(xué)特性，可通過雙波段光學(xué)系統(tǒng)來獲取更多的目標(biāo)信息，從而提高系統(tǒng)的識(shí)別能力。目前，中長雙色紅外焦平面探測器已投入使用，基于雙色紅外探測器的實(shí)際應(yīng)用需求，要相應(yīng)地設(shè)計(jì)出具備雙波段成像能力的光學(xué)系統(tǒng)［1］。

機(jī)載紅外探測系統(tǒng)的工作環(huán)境通常比較惡劣，溫度變化范圍約為-55～+70 ℃，紅外材料對溫度比較敏感。為了使該系統(tǒng)能在寬溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的光學(xué)性能，要對消熱差進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)［2］。Jamieson［3］對光學(xué)系統(tǒng)的熱效應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)研究。Olivieri等［4］對光學(xué)系統(tǒng)的熱離焦特性進(jìn)行詳細(xì)分析；Hudyma［5］基于色散阿貝數(shù)-熱差系數(shù)表來對密接光學(xué)系統(tǒng)消熱差進(jìn)行設(shè)計(jì)。Tamagawa等［6-7］通過引入色差系數(shù)和熱差系數(shù)，對分離透鏡組的消熱差設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究。胡玉禧等［8-9］對折射光學(xué)系統(tǒng)和空間光學(xué)系統(tǒng)的消熱差進(jìn)行研究。焦明?。?0］對光學(xué)系統(tǒng)熱補(bǔ)償?shù)耐ㄓ脳l件進(jìn)行研究。溫彥博等［11］、劉琳等［12］將衍射元件應(yīng)用到中波紅外消熱差設(shè)計(jì)中，但衍射元件存在寬光譜范圍內(nèi)衍射級次多、衍射效率低、加工困難、元件成本高等問題。

本研究在滿足中波和長波紅外雙波段同時(shí)成像基礎(chǔ)上，基于雙色紅外焦平面陣列探測器，設(shè)計(jì)出3～5 μm和8～10 μm雙波段共光路消熱差光學(xué)系統(tǒng)，通過合理選擇材料，實(shí)現(xiàn)-55～+70 ℃的寬溫度范圍消熱差，采用非球面來消除高級像差，經(jīng)仿真驗(yàn)證，該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)良好成像效果。

1 設(shè)計(jì)分析

常用的光學(xué)系統(tǒng)有三種結(jié)構(gòu)形式，即反射式、折反射式、折射式。反射式系統(tǒng)不存在色差和二級光譜，對不同波段的光波沒有選擇性，對系統(tǒng)公差要求高，設(shè)計(jì)和加工裝調(diào)較為困難。折反系統(tǒng)通常在反射鏡基礎(chǔ)上增加透鏡，用于像差校正，由于這類系統(tǒng)的視場無法設(shè)計(jì)得太大，限制了應(yīng)用范圍。相對而言，折射式系統(tǒng)能有效減小系統(tǒng)的體積，設(shè)計(jì)和加工經(jīng)驗(yàn)比較成熟。因此，本研究采用折射式結(jié)構(gòu)對該系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在雙波段光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，會(huì)受到探測器、外形尺寸等因素制約，同時(shí)還要考慮光學(xué)零件的加工工藝、系統(tǒng)公差敏感度等。為了盡量減小光學(xué)系統(tǒng)的徑向尺寸，提高像面對比度，保持100%的冷光闌效率，采用二次成像構(gòu)型。光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本研究設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)選用中波和長波紅外雙色探測器，靶面大小為（320 px，256 px）、像元是單邊為30 μm的正方形、設(shè)計(jì)半像高為6.147 mm、F數(shù)為2、視場為2.75°×2.2°。要求該光學(xué)系統(tǒng)在-55～+70 ℃的范圍內(nèi)能良好成像，光學(xué)傳遞函數(shù)值在16 lp/mm空間頻率處要高于0.5，光學(xué)畸變不大于3%。光學(xué)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于可供紅外光學(xué)系統(tǒng)使用的材料種類較少，且不同波段的性能差異較大，對紅外光學(xué)系統(tǒng)的色差校正成為設(shè)計(jì)難點(diǎn)。由于紅外光學(xué)材料的折射率溫度系數(shù)較大，因此，紅外光學(xué)材料的曲率、厚度等參數(shù)會(huì)因溫度發(fā)生變化，使光學(xué)系統(tǒng)的像面產(chǎn)生漂移，導(dǎo)致探測器的焦平面與光學(xué)系統(tǒng)的焦平面不再重合，這將對系統(tǒng)性能造成嚴(yán)重影響。

通過合理選擇透鏡材料、分配光焦度，并利用透鏡材料與鏡頭機(jī)械結(jié)構(gòu)材料相互補(bǔ)償，雙波段紅外光學(xué)系統(tǒng)能同時(shí)實(shí)現(xiàn)消熱差和消色差的目的。透鏡材料參數(shù)應(yīng)同時(shí)滿足光焦度、消色差及消熱差的要求，具體要求見式（1）到式（3）。

[1h1?i=1nhi?i] = 1 （1）

（[1h1?）2i=1nh2i?iCi] = 0 （2）

- [1h2i?][i=1nh2i][?iTi] = [α] （3）

式中：[?]為系統(tǒng)總的光焦度；[?i]為第i個(gè)透鏡的光焦度；hi為第一近軸光線在第i片透鏡上的入射高度；Ci為第i個(gè)透鏡的色差系數(shù)，其值為阿貝數(shù)的倒數(shù)；Ti為第i個(gè)透鏡的熱差系數(shù)；[α]為鏡筒材料的熱膨脹系數(shù)。

Ti的計(jì)算公式見式（4）。

[Ti] = [1?id?idt]= -[dni/dtni-1] [-αi] （4）

式中：[ni]為第i個(gè)透鏡材料的折射率；[dni/dt]為折射率隨溫度的變化率；[αi]為透鏡材料的熱膨脹系數(shù)。

通過分析光學(xué)材料的可加工性、化學(xué)穩(wěn)定性、鍍膜性能等因素，選擇鍺、硒化鋅、硫系玻璃（Ge、As、Se混合材料）作為雙波段的光學(xué)材料。硒化鋅的折射率較高，且易于加工成非球面和衍射面。為了消除色差，一般選用折射率、溫度變化率不同的材料進(jìn)行搭配，本研究選取IG6硫系玻璃作為系統(tǒng)的光學(xué)材料。通過合理分配系統(tǒng)的光焦度，再利用CODE V軟件對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對系統(tǒng)像差進(jìn)行校正。

該光學(xué)系統(tǒng)采用共光路成像的方式，在不移動(dòng)任何光學(xué)元件做補(bǔ)償?shù)那疤嵯聛韺?shí)現(xiàn)雙波段成像。該系統(tǒng)由前物鏡組、中繼鏡組和目鏡組組成。物鏡組包含三片透鏡，具有較大的焦距。中繼鏡組將入射光線會(huì)聚在一次像點(diǎn)處。后目鏡組將一次像點(diǎn)處的像轉(zhuǎn)移到無窮遠(yuǎn)處。該系統(tǒng)采用二次成像的形式，確保100%冷光闌效率，同時(shí)能有效壓縮系統(tǒng)口徑。該系統(tǒng)選用鍺、硒化鋅、硫化鋅三種紅外材料，未使用偕衍射面，通過引入三個(gè)非球面鏡面來校正雙色系統(tǒng)的像差。采用CODE V軟件對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)見表2，其中透鏡序號(hào)是按照圖2中從左到右的順序進(jìn)行排列。

3 仿真結(jié)果

使用CODE V光學(xué)軟件對系統(tǒng)進(jìn)行模擬，分別得到兩個(gè)波段下MTF曲線隨溫度變化情況，如圖3所示。在全溫度范圍內(nèi)（-55～+70 ℃），中波和長波各個(gè)視場在空間頻率為16 lp/mm時(shí)，MTF的值均在0.5以上，具有良好的像質(zhì)，能滿足系統(tǒng)的性能要求。

該系統(tǒng)中波和長波的幾何彌散斑如圖4所示，尺寸均小于探測器像元尺寸30 μm。各視場的畸變?nèi)鐖D5所示，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的全視場畸變小于3%，能較好地滿足系統(tǒng)需求。

4 結(jié)語

本研究結(jié)合中波和長波紅外的波段特點(diǎn)和光學(xué)材料特性，通過引入非球面，采用被動(dòng)消像差法，設(shè)計(jì)出一種基于中長波紅外雙色探測器，工作波段包含3～5 μm和8～10 μm的雙波段共光路光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在-55～+70 ℃的環(huán)境中工作，結(jié)構(gòu)緊湊、成像質(zhì)量良好，可適用于雙波段的紅外搜索跟蹤系統(tǒng)等機(jī)載光電系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

［1］吳海清，王海霞，趙新亮，等.雙波段/雙視場紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.紅外技術(shù)，2010（11）：640-644．

［2］陳建發(fā)，王合龍，劉欣.中波紅外光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)被動(dòng)無熱化設(shè)計(jì)［J］.電光與控制，2013（12）：88-91.

［3］JAMIESON? T? H.Thermal? effects? in? optical? ? ? ? ? ? ? ? ?systems［J］. Proc Spie，1981（20）：156-160.

［4］OLIVIERI M，PIERI S，ROMOLI A.Analysis of defocusing thermal effects in optical systems［J］.Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering，1996，2774：283-292.

［5］HUDYMA R M.Athermal MWIR Objectives［J］.Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering，1995，2540：229-235.

［6］TAMAGAWA Y，TAJIME T.Dual-band optical systems with a projective athermal chart：design［J］. Applied Optics， 1997（1）：297-301.

［7］TAMAGAWA Y，TAJIME T.Expansion of an athermal chart into a multilens system with thick lenses spaced apart［J］.Opt Eng，1996（10）：3001-3006.

［8］胡玉禧，周紹祥，相里斌，等.消熱差光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2000（10）：1386-1391.

［9］胡玉禧，相里斌，楊劍峰.空間光學(xué)系統(tǒng)無熱化設(shè)計(jì)［J］.量子電子學(xué)報(bào)，2000（3）：274-278.

［10］焦明印.光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)熱補(bǔ)償?shù)耐ㄓ脳l件［J］.應(yīng)用光學(xué)，2006（3）：195-197.

［11］溫彥博，白劍，侯西云，等.紅外無熱化混合光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.光學(xué)儀器，2005（5）：82-86.

［12］劉琳，沈?yàn)槊瘢芙】?中波紅外大相對孔徑消熱差光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.中國激光，2010（3）：675-679.

收稿日期：2022-12-01

作者簡介：王少白（1985—），男，博士，高級工程師，研究方向：紅外探測技術(shù)。