陳 瀟

大相對(duì)孔徑變焦紅外光學(xué)系統(tǒng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)

陳 瀟

（南京郵電大學(xué) 通達(dá)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

隨環(huán)境溫度變化紅外鏡頭會(huì)產(chǎn)生熱離焦現(xiàn)象，一般定焦紅外光學(xué)系統(tǒng)可通過(guò)多種紅外材料組合或引入衍射面來(lái)實(shí)現(xiàn)光學(xué)被動(dòng)式無(wú)熱化設(shè)計(jì)，而變焦紅外光學(xué)系統(tǒng)大多是通過(guò)移動(dòng)透鏡組來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械主動(dòng)式無(wú)熱化設(shè)計(jì)。文中根據(jù)光學(xué)變焦原理和光學(xué)被動(dòng)式無(wú)熱化原理，提出一種變焦光學(xué)被動(dòng)式無(wú)熱化設(shè)計(jì)方法，并采用該方法設(shè)計(jì)了一種大相對(duì)孔徑雙視場(chǎng)無(wú)熱化長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)焦距為25/50mm（變倍比為2:1），工作波段為8～12mm，F(xiàn)數(shù)為0.9，可匹配640×512，像元為17mm×17mm的非制冷紅外焦平面陣列探測(cè)器。光學(xué)設(shè)計(jì)中采用3種紅外光學(xué)材料（硫系玻璃HWS6、硒化鋅和鍺）組合，并引入3個(gè)偶次非球面，實(shí)現(xiàn)變焦無(wú)熱化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果表明：該系統(tǒng)在寬溫度范圍內(nèi)具有良好的成像效果和溫度自適應(yīng)性，在空間頻率30lp/mm處，－50℃～80℃溫度范圍內(nèi)各視場(chǎng)MTF均大于0.3。該紅外光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝良好，在紅外車(chē)載領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。

變焦系統(tǒng)；光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化；硫系玻璃；大相對(duì)孔徑

0 引言

紅外光電成像系統(tǒng)已廣泛地應(yīng)用于軍事、工業(yè)、科研、醫(yī)療等領(lǐng)域。尤其是在軍用、工業(yè)和科研應(yīng)用中，對(duì)紅外光電成像系統(tǒng)的成像性能、溫度適應(yīng)性、體積、重量等要求越來(lái)越高。因而像質(zhì)優(yōu)良、環(huán)境溫度自適應(yīng)、高變倍比的變焦紅外無(wú)熱化鏡頭成為今后紅外光學(xué)設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

變焦紅外鏡頭能夠?qū)崿F(xiàn)大視場(chǎng)觀察目標(biāo)感知，小視場(chǎng)目標(biāo)識(shí)別與分析功能，且在變焦過(guò)程中成像質(zhì)量保持穩(wěn)定。但要實(shí)現(xiàn)在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)，在每個(gè)變焦位置都達(dá)到成像質(zhì)量?jī)?yōu)異，且能夠滿足體積、重量等方面的要求，使得變焦紅外光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度增加。目前已有的報(bào)道[1-7]中，大多數(shù)系統(tǒng)都是關(guān)于定焦紅外無(wú)熱化設(shè)計(jì)，只有少量是關(guān)于變焦紅外無(wú)熱化設(shè)計(jì)。因此，有必要對(duì)變焦紅外光學(xué)系統(tǒng)的無(wú)熱化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

本文設(shè)計(jì)了一種大相對(duì)孔徑雙視場(chǎng)變焦無(wú)熱化長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用3種紅外光學(xué)材料，即利用硫系玻璃HWS6、硒化鋅和鍺組合，并引入3個(gè)偶次非球面，最終實(shí)現(xiàn)大相對(duì)孔徑雙視場(chǎng)長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)。

1 光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)

1.1 變焦紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

該雙視場(chǎng)變焦紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 光學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 紅外變焦系統(tǒng)光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化原理

光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化是利用紅外光學(xué)材料熱特性之間的差異，通過(guò)合理的組合、分配光焦度及選定合適的機(jī)械材料，在滿足像質(zhì)的條件下，在鏡頭工作溫度范圍內(nèi)，補(bǔ)償系統(tǒng)產(chǎn)生的熱離焦。光學(xué)被動(dòng)式無(wú)熱化補(bǔ)償技術(shù)不需要移動(dòng)任何的部件，也不需要使用各種復(fù)雜的電子設(shè)備，就可使得系統(tǒng)具有較好的溫度穩(wěn)定性，且結(jié)構(gòu)更為緊湊。這種光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化補(bǔ)償設(shè)計(jì)主要包括3個(gè)過(guò)程：1）根據(jù)紅外光學(xué)材料的溫度折射率、熱膨脹系數(shù)等參量，選擇合適的光學(xué)材料，以便更好地校正由溫度變化帶來(lái)的像面離焦；2）選擇初始結(jié)構(gòu)，各種材料組合在無(wú)熱化的同時(shí)滿足系統(tǒng)光焦度的要求；3）在無(wú)熱化與光焦度滿足的前提下，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)校正光學(xué)系統(tǒng)像差[8]。

無(wú)熱化的基本原理是通過(guò)選擇合適的光學(xué)材料組合，對(duì)系統(tǒng)的光學(xué)熱差系數(shù)和機(jī)械熱差系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)熱化設(shè)計(jì)。一個(gè)無(wú)熱化系統(tǒng)必須同時(shí)滿足光焦度、消色差和無(wú)熱化3方面。設(shè)光學(xué)系統(tǒng)由片薄透鏡構(gòu)成，總光焦度為，各薄透鏡的光焦度、光學(xué)熱差系數(shù)、機(jī)械熱差系數(shù)和色差系數(shù)分別用、、m和來(lái)表示。為了實(shí)現(xiàn)消色差設(shè)計(jì)，要求系統(tǒng)的色差系數(shù)＝0；為了消除熱差，要求系統(tǒng)的光學(xué)熱差和機(jī)械熱差應(yīng)互相補(bǔ)償，即要求＝－m。因此光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中為了實(shí)現(xiàn)光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)，必須滿足以下3個(gè)方程。

光焦度方程：

消色差方程：

消熱差方程：

式中：＝1,2,3,…,；h表示近軸光線入射到第個(gè)透鏡的入射高度；m為所選用鏡筒材料的熱膨脹系數(shù)；為機(jī)械結(jié)構(gòu)鏡筒的總長(zhǎng)度。

考慮雙視場(chǎng)結(jié)構(gòu)，利用單個(gè)負(fù)的硫系材料透鏡變倍以實(shí)現(xiàn)焦距變化，變倍組與前固定組及后固定組間的間距發(fā)生改變，引起像面移動(dòng)，為了保持像面位置不變，變倍組在系統(tǒng)的小視場(chǎng)和大視場(chǎng)的位置應(yīng)滿足物像交換原則。為了實(shí)現(xiàn)光學(xué)被動(dòng)式無(wú)熱化設(shè)計(jì)，根據(jù)瑞利判據(jù)，要求在兩個(gè)變焦位置下的消熱差誤差DL應(yīng)控制在小于四分之一波長(zhǎng)，要求該誤差應(yīng)在系統(tǒng)的焦深范圍內(nèi)[6]：

DL≤2(F/#)2(4)

因此，設(shè)計(jì)變焦紅外無(wú)熱化系統(tǒng)可分成3個(gè)過(guò)程：1）選擇常溫狀態(tài)下的變焦雙視場(chǎng)紅外光學(xué)系統(tǒng)作為初始結(jié)構(gòu)；2）選擇合適的紅外光學(xué)材料組合，合理分配光焦度，利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件優(yōu)化實(shí)現(xiàn)變焦紅外光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；3）加入溫度分析，設(shè)置高溫與低溫態(tài)為熱拾取，優(yōu)化設(shè)計(jì)，根據(jù)熱離焦量及調(diào)制傳遞函數(shù)、點(diǎn)列圖等評(píng)價(jià)高低溫下的無(wú)熱化效果，如果不滿足要求可回到第2）個(gè)步驟，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，重復(fù)2），3）步驟。最終實(shí)現(xiàn)雙視場(chǎng)變焦紅外光學(xué)系統(tǒng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)。

1.3 紅外光學(xué)材料選擇

紅外材料的光學(xué)熱特性可用光學(xué)熱差系數(shù)表示，是透鏡的單位光焦度在單位溫升后的光焦度改變量，即滿足：

式中：＝d/d為材料折射率隨溫度的變化率，稱(chēng)為折射率溫度系數(shù)，也稱(chēng)光熱系數(shù)。0為材料的熱膨脹系數(shù)。根據(jù)光學(xué)被動(dòng)無(wú)熱化理論，實(shí)現(xiàn)光學(xué)被動(dòng)式無(wú)熱化的關(guān)鍵在于紅外光學(xué)材料的選擇，針對(duì)8～12mm波段，可使用的紅外材料以鍺、硫化鋅、硒化鋅及各種硫系玻璃為主。

與傳統(tǒng)的鍺玻璃相比較，硫系玻璃具有更小的折射率溫度系數(shù)，因此采用硫系玻璃引起的光學(xué)熱差系數(shù)會(huì)更小。并且硫系玻璃具有波長(zhǎng)透過(guò)范圍寬、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此在紅外無(wú)熱化設(shè)計(jì)中常會(huì)使用硫系玻璃進(jìn)行無(wú)熱化設(shè)計(jì)。

綜合考慮紅外材料的光譜特性、加工工藝、環(huán)境影響等因素，選用了3種紅外材料：HWS6、ZnSe和Ge。利用3種材料配合實(shí)現(xiàn)雙視場(chǎng)長(zhǎng)波變焦紅外光學(xué)系統(tǒng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)。

2 雙視場(chǎng)紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)結(jié)果及像質(zhì)評(píng)價(jià)

根據(jù)以上變焦紅外光學(xué)系統(tǒng)無(wú)熱化原理分析，利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX設(shè)計(jì)了一種雙視場(chǎng)長(zhǎng)波紅外無(wú)熱化鏡頭，可匹配640×512，像元為17mm×17mm的非制冷紅外焦平面探測(cè)器。焦距為25/50mm，2倍變焦，變焦行程26.37mm，工作波段為8～12mm，F(xiàn)數(shù)為0.9。通過(guò)3種紅外材料HWS6、硒化鋅和鍺材料配合，機(jī)械件鏡筒材料選擇鋁合金材料，其熱膨脹系數(shù)為23×10－6/℃。第一片透鏡為前固定組，采用低折射率，光學(xué)熱差系數(shù)小的硫系玻璃HWS6。第二片透鏡為變倍透鏡，采用硫系玻璃，起到校正系統(tǒng)熱差和色差的作用。第3，4，5，6透鏡為后固定組，分別采用HWS6、硒化鋅、HWS6和鍺材料來(lái)校正系統(tǒng)初級(jí)像差。并引入3個(gè)偶次非球面，校正系統(tǒng)剩余像差和熱差，提高系統(tǒng)常溫下成像質(zhì)量，減小高低溫下熱差的影響，最終實(shí)現(xiàn)雙視場(chǎng)紅外變焦無(wú)熱化設(shè)計(jì)。如圖1所示為該系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖。

圖2為光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)曲線圖。該長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)的大、小視場(chǎng)在常溫20℃、低溫－50℃和高溫80℃下，均具有良好的成像質(zhì)量，在30lp/mm處，0視場(chǎng)MTF均接近衍射極限，0.707視場(chǎng)MTF均大于0.37，1視場(chǎng)MTF均大于0.3。雖然在高低溫下1視場(chǎng)MTF有所下降，但下降量值不大，說(shuō)明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高低溫下大、小視場(chǎng)的溫度自適應(yīng)，具有光學(xué)被動(dòng)式無(wú)熱化功能。

圖1 變焦光學(xué)系統(tǒng)光路圖

根據(jù)瑞利判據(jù)要求在大、小視場(chǎng)下的消熱差誤差DT應(yīng)控制在小于四分之一波長(zhǎng)，要求該誤差應(yīng)在系統(tǒng)的焦深范圍內(nèi)，即：

DT≤2(F/#)2＝16.2mm

如表2所示為光學(xué)系統(tǒng)大、小視場(chǎng)在常溫20℃、低溫－50℃和高溫80℃下的像面熱離焦量，通過(guò)像面熱離焦量表明：在各溫度點(diǎn)下，像面的離焦范圍均在焦深16.2mm范圍內(nèi)，因此說(shuō)明該雙視場(chǎng)長(zhǎng)波紅外鏡頭具有較好的無(wú)熱化效果。

表2 長(zhǎng)焦和短焦的像面熱離焦量

如表3所示為光學(xué)系統(tǒng)大、小視場(chǎng)在常溫20℃、低溫－50℃和高溫80℃下，對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)物平面成像的彌散斑均方根半徑。由表3中數(shù)據(jù)表明，在焦距25mm和50mm時(shí)，各視場(chǎng)在高低溫下對(duì)應(yīng)的彌散斑均方根半徑均小于17mm×17mm的探測(cè)器像元尺寸，高低溫下該系統(tǒng)成像質(zhì)量良好，能夠?qū)崿F(xiàn)變焦無(wú)熱化。

表3 無(wú)熱化后-50℃～+80℃彌散斑均方根半徑

3 公差分析

公差分析是光學(xué)設(shè)計(jì)中重要環(huán)節(jié)之一，公差的變化與系統(tǒng)成本密切相關(guān)，應(yīng)在設(shè)計(jì)中對(duì)零件的加工和裝配提出相應(yīng)的要求，嚴(yán)格控制公差，從而可以減少裝配調(diào)試時(shí)間，節(jié)約勞動(dòng)力成本。文中設(shè)置的公差如圖3所示。

通過(guò)ZEMAX軟件公差分析后，如圖4給出了200次蒙特卡洛采樣計(jì)算分析公差后的長(zhǎng)、短焦的MTF圖，綜合評(píng)估所有偏離量后，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明長(zhǎng)焦、短焦邊緣視場(chǎng)的MTF值90%概率可大于0.39，該系統(tǒng)公差分配合理，易于加工和裝調(diào)。

圖3 系統(tǒng)公差設(shè)置

圖4 公差蒙特卡羅分析結(jié)果

4 結(jié)論

文中以紅外變焦原理與光學(xué)被動(dòng)消熱差技術(shù)為基礎(chǔ)，選擇合適的紅外材料配合，利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX完成一種大相對(duì)孔徑變焦紅外光學(xué)系統(tǒng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)成像質(zhì)量分析、溫度分析及公差分析表明：該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、工藝良好，具有寬的工作溫度范圍，成像質(zhì)量良好。在民用車(chē)載夜視領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用前景。

[1] 葛琳琳, 王世先, 張瑞, 等. 基于硫系玻璃的光學(xué)被動(dòng)式紅外無(wú)熱化鏡頭設(shè)計(jì)[J]. 紅外, 2020, 41(2): 7-12.

GE Linlin, WANG Shixian, ZHANG Rui, et al. Design of optical passive infrared non-thermal lens based on chalcogenide glass [J]., 2020, 41(2): 7-12.

[2] 王靜, 吳越豪, 戴世勛, 等. 硫系玻璃在長(zhǎng)波紅外無(wú)熱化連續(xù)變焦廣角鏡頭設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 紅外與激光工程, 2018, 47(3): 156-162.

WANG Jing, WU Yuehao, DAI Shixun, et al. Application of chalcogenide glass in designing a long-wave infrared athermalized continuous zoom wide-angle lens[J]., 2018, 47(3): 156-162.

[3] 白瑜, 廖志遠(yuǎn), 李華, 等. 硫系玻璃在現(xiàn)代紅外熱成像系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)光學(xué), 2014, 7(3): 449-455.

BAI Yu, LIAO Zhiyuan, LI Hua, et al. Application of the chalcogenide glass in modern infrared thermal imaging systems[J]., 2014, 7(3): 449-455.

[4] 趙延, 鄧鍵, 于德志, 等. 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, 43(5): 1545-1548.

ZHAO Yan, DENG Jian, YU Dezhi, et al. Design of dual field-of-view optical system in long wave infrared with optical passive athermalization [J]., 2014, 43(5): 1545-1548.

[5] 陳建發(fā), 王合龍. 雙視場(chǎng)長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2013, 50(6): 129-133.

CHEN Jianfa, WANG Helong. Athermalization design of dual-field- of-view long wavelength infrared optical system[J]., 2013, 50(6): 129-133.

[6] 鄧鍵, 童衛(wèi)紅, 安曉強(qiáng), 等. 雙視場(chǎng)紅外變焦鏡頭的無(wú)熱化研究[J]. 應(yīng)用光學(xué), 2011, 32(1): 133-137.

DENG Jian, TONG Weihong, AN Xiaoqiang, et al. Athermalization of infrared zoom system[J]., 2011, 32(1): 133-137.

[7] LI S H, YANG C C. Optical passive athermalization for infrared zoom system[C]//of, 2007, 67224E: 1-8.

[8] 王文生. 現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 2016: 106-110.

WANG Wensheng.[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2016: 106-110.

Athermalization of Infrared Zoom Optical System with Large Relative Aperture

CHEN Xiao

(,225127,)

As the ambient temperature changes, the thermal defocus of optical lenses occurs in infrared lenses. The passive thermal design of an infrared prime lens can be realized by the combination of infrared materials and the introduction of a diffraction surface. However, most infrared zoom lenses are designed using active mechanical compensation. In this study, a passive athermalization design method for zoom optics is proposed based on the principles of zoom optical system and passive optical athermalization, and a long-wave infrared athermalization lens with a large relative aperture and dual field of view is achieved using this method. The focal length was 25/50 mm (with 2 zoom ratio), the wavelength band was 8–12mm, and the F number is 0.9. The system was based on a 640′512 uncooled infrared focal plane detector with a pixel size of 17mm′17mm. Three LWIR materials were used in the system, namely Ge, ZnSe, and HWS6, and three high-order aspheric surfaces were introduced to realize the athermalization zoom design. The final design exhibits good imaging quality and temperature applicability over a wide temperature range. In the temperature range of-50℃ to 80℃, the MTF is greater than 0.3 at 30lp/mm. The system structure is simple, has good usability, and has broad application prospects in the field of infrared vehicles.

zoom system, passive optical athermalization, chalcogenide glass, large relative aperture

O439

A

1001-8891(2021)12-1183-05

2021-06-28；

2021-07-07.

陳瀟（1985-），女，陜西西安人，碩士，中級(jí)工程師（講師），從事光學(xué)類(lèi)課程教學(xué)工作，主要研究方向?yàn)榧t外光學(xué)設(shè)計(jì)。E-mail：chenxiao.45678@163.com

學(xué)院級(jí)科研項(xiàng)目（XK202XZ20006），學(xué)院級(jí)項(xiàng)目（JG02121JX26）。