付躍剛，黃蘊涵，劉智穎

（長春理工大學(xué) 測控分析中心，吉林 長春130022）

引言

紅外光學(xué)系統(tǒng)在現(xiàn)代目標(biāo)識別與探索領(lǐng)域具有不可替代的作用?？缭竭B續(xù)紅外波段探測器的出現(xiàn)，擴大了對不同類型目標(biāo)的探測能力，這樣可以在不同探測環(huán)境下使用同一光學(xué)系統(tǒng)對不同目標(biāo)進行探測、識別。本文設(shè)計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)計的中長波紅外消熱差光學(xué)系統(tǒng)采用法國Sofradir公司研制的面陣規(guī)格為384×288，像元間距為2μm的雙色量子阱探測器作為接收器，工作波段為4.4μm ～8.8μm，視場為3°×2.25°，F(xiàn)＃與制冷探測器冷闌匹配為2.68，焦距為183mm。為了實現(xiàn)可加工性，所有面型皆為球面，通過對透鏡形式的合理選擇，透鏡之間的合理搭配，最終設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量良好，環(huán)境適應(yīng)性強。

1 設(shè)計思路

一般來說，紅外光學(xué)系統(tǒng)的波段跨度為μm級別，因此，在跨波段范圍內(nèi)玻璃的折射率將會發(fā)生相對較大的改變，通常由于折射率的改變會帶來像面的改變，而像面要保證成像質(zhì)量好，必須隨之變換。同時，在溫度變化下，由于熱膨脹的影響，材料的形狀將會發(fā)生改變，進而光線的偏折發(fā)生影響，像面像質(zhì)都會受到影響。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)計的一個難點。同時，由于采用了制冷探測器，光學(xué)系統(tǒng)光闌置于后方，這樣會帶來彗差等軸外像差的問題［1－2］，這對像差校正也帶來一定的難度。

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器接受目標(biāo)時，制冷探測器的冷闌將作為整個光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌，起到限制光束的作用［3］。

圖1 制冷探測器示意圖Fig.1 Schematic diagram of cooled detector

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

光學(xué)被動消熱差是指在滿足系統(tǒng)成像質(zhì)量要求的同時，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?。?］，但色差系數(shù)變化很大［10］。所以，色差應(yīng)該在各個波段內(nèi)單獨校正。為保證光學(xué)系統(tǒng)在各個波段下消除色差，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各個波段中的色差系數(shù)。其表達式如下：

（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，得到對應(yīng)于每塊透鏡的初始光焦度，以及合理的光學(xué)設(shè)計初始結(jié)構(gòu)［11］。

1.1 設(shè)計指標(biāo)

系統(tǒng)指標(biāo)見表1所示。

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

2 設(shè)計結(jié)果及分析

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，以及計算所得的初始結(jié)構(gòu)，結(jié)合ZEMAX光學(xué)軟件對光學(xué)系統(tǒng)進行設(shè)計［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)計結(jié)果如圖3所示。整個系統(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197.128mm。工作時F數(shù)保持不變，時刻保證冷光闌匹配。

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

經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，系統(tǒng)在各個波段在－40℃～＋60℃溫度下像面穩(wěn)定，成像質(zhì)量優(yōu)良。圖4、圖5、圖6分別為各個波段下不同溫度的光學(xué)調(diào)制函數(shù)曲線。圖4～圖6中傳遞函數(shù)曲線為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)值均滿足環(huán)境適應(yīng)性及像質(zhì)要求。

表2為各個波段下的光學(xué)系統(tǒng)畸變情況，由表2可知，光學(xué)系統(tǒng)在各個波段的畸變差異極小，對系統(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

通過理論分析與推導(dǎo)，結(jié)合被動消熱差理論，通過合理地選擇透鏡結(jié)構(gòu)及透鏡相對位置，最終設(shè)計出了一款針對Sofradir公司研制的雙色量子阱紅外焦平面探測器的紅外寬譜段被動消熱差光學(xué)系統(tǒng)。F＃為2.68，并與冷光闌相匹配，可實現(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)簡單，易于加工的優(yōu)點，適用于導(dǎo)航，探測，搜索等工作中。

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