陳利

【摘要】根據(jù)硫系玻璃具有熱穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款焦距為85mm的長(zhǎng)波紅外定焦光學(xué)系統(tǒng)，相對(duì)孔徑為0.9。該光學(xué)系統(tǒng)采用被動(dòng)無熱化模式，能在環(huán)境為-40℃～+60℃范圍內(nèi)工作，在奈奎斯特頻率20lp/mm處，調(diào)制傳遞函數(shù)MTF值大于0.5，成像質(zhì)量良好，能應(yīng)用于眾多紅外探測(cè)系統(tǒng)中。

【關(guān)鍵詞】紅外光學(xué)系統(tǒng) 無熱化 光學(xué)設(shè)計(jì)

一、引言

常規(guī)紅外光學(xué)材料熱穩(wěn)定性差，在不同環(huán)境溫度下，會(huì)導(dǎo)致紅外光學(xué)系統(tǒng)熱離焦，造成成像質(zhì)量下降，像面模糊，因此，紅外光學(xué)系統(tǒng)都需要進(jìn)行消熱差設(shè)計(jì)。常規(guī)消熱差方法有機(jī)械主動(dòng)式、機(jī)械被動(dòng)式和光學(xué)被動(dòng)式，光學(xué)被動(dòng)式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高、重量輕等特點(diǎn)，能應(yīng)用于精確制導(dǎo)、無人機(jī)偵查等領(lǐng)域，受到光學(xué)設(shè)計(jì)者的青睞。一般情況下，可以通過鍺和硒化鋅材料搭配消除焦距較短的長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)的熱離焦，但是，隨著焦距或者相對(duì)孔徑的增大，校正難度會(huì)陡然增加，難以達(dá)到較好的成像質(zhì)量。

近年來，硫系玻璃以其熱穩(wěn)定好、透過率高、可以熱壓膜成型等特點(diǎn)，已逐步應(yīng)用于長(zhǎng)波紅外被動(dòng)成像光學(xué)系統(tǒng)中。本文使用硫系玻璃和鍺材料搭配，設(shè)計(jì)一款光學(xué)被動(dòng)式長(zhǎng)波無熱化紅外光學(xué)系統(tǒng)，能夠在-40 ℃～+60℃范圍內(nèi)具有良好的成像質(zhì)量。

二、設(shè)計(jì)實(shí)例

針對(duì)長(zhǎng)波非制冷384×288焦平面探測(cè)器，像元大小為25μm×25μm，工作波段為8～12μm，設(shè)計(jì)f85mmF0.9光學(xué)被動(dòng)無熱化光學(xué)系統(tǒng)。

硫系玻璃種類較多，國外較成熟的有美國的AMTIR系列、德國的IG系列和法國的GASIR系列等。國內(nèi)起步較晚，目前提供材料穩(wěn)定性較好的廠家有湖北新華光信息材料有限公司、寧波舜宇紅外科技和成都光明等，各家材料均有優(yōu)缺點(diǎn)。綜合考慮各方因素，使用成都光明IRG系列硫系玻璃。

根據(jù)技術(shù)指標(biāo)要求，系統(tǒng)需要在-40 ℃～+60℃范圍內(nèi)工作，且焦距偏長(zhǎng)為85mm，選擇合理的初始結(jié)構(gòu)型式，利用CODEV軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，需要綜合考慮系統(tǒng)體積重量、材料成本和成像質(zhì)量等問題。經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化，光學(xué)系統(tǒng)由兩片硫系玻璃和三片鍺透鏡組合，第三片透鏡和第四片透鏡的材料為硫系玻璃，系統(tǒng)孔徑光闌位于二者之間，為了提高系統(tǒng)像質(zhì)，在鍺透鏡上使用了衍射面和非球面設(shè)計(jì)，二維示意圖如圖1所示。光學(xué)系統(tǒng)在-40℃和+60℃范圍內(nèi)傳遞函數(shù)曲線如圖2所示。

由圖2可知，在環(huán)境溫度為-40℃和+60℃時(shí)，該光學(xué)系統(tǒng)在奈奎斯特頻率20lp/mm處，MTF值均大于0.5，由于鏡頭組的熱變形在該溫度區(qū)間內(nèi)可以被認(rèn)為是線性規(guī)律，因此-40℃和+60℃的極限溫度下鏡頭組的形變量分別代表了整個(gè)溫度區(qū)間的正負(fù)最大變形，表明光學(xué)系統(tǒng)在-40℃～+60℃溫度區(qū)間內(nèi)，成像質(zhì)量良好。

三、結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種光學(xué)被動(dòng)式長(zhǎng)波紅外無熱化光學(xué)系統(tǒng)，焦距為85mm，相對(duì)孔徑為0.9。該光學(xué)系統(tǒng)使用硫系玻璃和鍺材料搭配消除熱差，在-40℃～+60℃范圍內(nèi)均能達(dá)到較好的成像質(zhì)量，可用于精確制導(dǎo)、電力巡線等軍民品紅外探測(cè)系統(tǒng)中，具有良好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]史浩東，張新等.基于硫系玻璃大相對(duì)孔徑紅外消熱差紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2015，（6）.

[2]趙廷，鄧健. 光學(xué)被動(dòng)消熱差的長(zhǎng)波紅外雙視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 紅外與激光工程，2014，（5）.